EuroGRAPHENE_DFT Studien an magnetischen Graphene/3d-Metall Grenzflächen (SpinGraph)

Spintronics, oder Spin - Elektronik, befasst sich mit der Rolle des Elektronenspins in Festkörpern und der Entwicklung von elektronischen Bauteilen welche die Freiheitsgrade des Spins an Stelle, oder gemeinsam, mit der Ladung des Elektrons ausnützen. Für diese Anwendungen bietet sich Graphen, eine Monolage von hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen, mit seinen einzigartigen Eigenschaften besonders an. Es wird vermutet, dass Graphen das beste Material zur Realisierung eines metall-basierten Transitors ist. Das Forschungskonsortium kann eine Vielfalt von experimentellen Methoden aufbieten, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Graphen auf Oberflächen wie Ni(111), Co(0001), und SiC(0001) etc. zu untersuchen. Dies sind im speziellen die Rastertunnelmikroskopie, die Elektronenstreuung, die Winkel- und Spin-aufgelöste Photoemission und die Rastertunnelspektroskopie mit magnetischen Spitzen. Diese Experimente werden durch unsere quantenmechanischen Methoden massiv ergänzt und unterstützt, da eine Interpretation der experimentellen Daten ohne theoretische Modellierung kaum mehr möglich ist. Die Rechnungen werden mit in Wien entwickelten hochgenauen Dichtefunktional -DFT- Programmpaketen durchgeführt und erlauben die Bestimmung der geometrischen Struktur, der elektronischen und der magnetischen Eigenschaften von Oberflächen, Grenzflächen und ausgedehnten Festkörpern. Die drei Hauptziele des Theorieprojekts sind: Die Durchführung von hochqualitativen DFT Rechnungen für die Spin-polarisierte elektronische Struktur von Graphen Einfach- und Doppelschichten auf und zwischen Ni(111) und Co(111) Oberflächen für die entsprechenden optimierten Geometrien. Darüber hinaus werden post-DFT (GW) Methoden verwendet um realistische Quasi- Teilchen Energien in den Graphen Bändern zu bestimmen. Die Modellierung kleiner Graphen Inseln und schmaler Streifen auf Ni(111) sowie kleiner Inseln und schmaler Streifen aus Ni Einzel- und Doppelschichten auf Graphen/Ni(111), besonders der magnetischen Eigenschaften der Randzonen. Die Berechnung der elektronischen Transporteigenschaften (Leitfähigkeit) für einzelne Graphen/Ni(111) Modell Systeme. Diese Eigenschaften werden parallel and normal zu Graphenschichten auf magnetischem Ni bestimmt, wobei das besondere Interesse den zu erwartenden Spin-Filter Eigenschaften und dem Spin abhängigen Transport gilt.

Eine Einbeziehung der van-der-Waals Wechselwirkung ist unbedingt notwendig für eine korrekte Beschreibung von Grenzflächensystemen mit Graphen (Gr). Graphen nennt man eine einzelne atomdicke, chemisch und thermisch stabile Schicht aus bienenwabenförmig angeordneten untereinander stark gebundenen Kohlenstoffatomen. Seine elektronischen Eigenschaften (Energiebandstruktur) sind äußerst bemerkenswert, da es weder ein Isolator, wie Diamant noch ein Metall, wie Graphit ist sondern als Halbleiter ohne Energielücke angesehen werden sollte, mit der einzigartigen Eigenschaft dass die Ladungsträger effektiv masselos sind, was auf eine lineare Energie-Impuls Verknüpfung (Banddispersion) der relevanten Kohlenstoff pz Elektronen (? Band) zurückzuführen ist. Die grundlegende Idee war, dass bei Wachstum auf ferromagnetischen Substraten wie z.B. Nickel, der Überlapp der Majoritäts- und Minoritätsladungsträger mit den elektronischen Zuständen in Graphen eine große Spinanisotropie im Elektronentransport hervorrufen würde und somit Spinfilterung erlauben könnte. Der österreichische Theorieknoten unterstützte die experimentellen Gruppen in Berlin, Konstanz und Triest mit dem Ziel herauszufinden inwieweit die Wechselwirkung (Bindung) zwischen Graphen und Metall die erwünschte lineare Banddispersion negativ beeinflusst. Die Resultate von Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen und darüber hinausgehenden Ansätzen zur atomaren und elektronischen Struktur der Gr/Metall Grenzfläche flossen in die Interpretation von Experimenten wie Photoelektronen-spektroskopie oder Tunnelmikroskopie ein. Gleich zu Beginn zeigte sich, dass zusätzlich zu den üblichen lokalen Funktionalen zur Beschreibung der Elektron-Elektron Wechselwirkung unbedingt van-der-Waals (vdW) Wechselwirkungen berücksichtigt, oder Vielteilchenmethoden verwendet werden müssen, welche vdW Wechselwirkungen auf natürliche Weise enthalten. Rechnungen für Gr/Ni(111) zeigen dass trotz einer geringen Bindungsenergie, Graphen stark mit den Ni 3d-Elektronen wechselwirkt, was die gewünschte lineare Banddispersion der Ladungsträger zerstört. Selbiges Problem tritt auf, wenn in ein schwach wechselwirkendes Gr/Ir(111) System mit intakter linearer Dispersion stark wechselwirkende Ni Atome interkaliert werden. Durch Interkalation von schwach wechselwirkendem Silber in stark wechselwirkendes Gr/Re(0001), kann der Effekt auch umgekehrt werden, obwohl eine vollständige Entkopplung des Graphen vom Substrat nicht stattfindet. Die Rechnungen zeigen auch einen starken Einfluss des Substrates auf das Wachstum von Graphen: eine Ni Grenzfläche stabilisiert Defekte und setzt die energetischen Barrieren zum Ausheilen der Defekte herab. Zusätzlich erklären die Rechnungen auch das Auftreten rotierter Gr/Ni(111) Domänen, die einem schwach gebundenen Graphen auf einem Oberflächen Nickelkarbid zugeordnet werden können.