ИСТИНА

Интерес к двумерным материалам вызван их нетривиальными свойствами, которые могут в значительной степени отличаться от свойств объёмного вещества. Двумерный магнетизм был впервые обнаружен в атомарно-тонких слоях CrI3, Cr2Ge2Te6 и Fe3GeTe2 в 2010-х годах и сразу инициировал исследования, которые показали возможность контроля температуры упорядочения с помощью внешнего электрического поля, что принципиально невозможно для объёмного материала. Уникальные свойства двумерных магнетиков, которыми можно управлять с помощью внешних полей или импульсов тока, являются предметом фундаментальных и прикладных исследований. Однако, такие исследования сильно ограничены вследствие малочисленности соединений-источников двумерных материалов. Настоящий проект направлен на разработку слоистых халькогенидов переходных металлов структурных типов TaFe1+xTe3, TaCoTe2, TaFe2+xTe4, Ta2NiSe5 и Ta2NiSe7, в которых структурные слои, содержащие атомы железа и тяжёлого металла 5-ой группы, ниобия или тантала, ограничены атомами селена или теллура. Такие соединения до сих пор никто не рассматривал в качестве источника двумерных магнитных материалов, несмотря на богатство их магнитных свойств. Целевые соединения будут исследованы комплексом химических и физических методов, среди которых синтез и рост кристаллов высокого качества необходимы для эксфолиации двумерных материалов, а спектроскопия ядерного гамма резонанса, ядерного квадрупольного резонанса и ядерного магнитного резонанса позволят получить уникальные данные об электронной и магнитной структуре на атомном уровне.

Two-dimensional materials attract interest due to nontrivial properties, which significantly deviate from the bulk. Two-dimensional magnetism was discovered during the pioneering studies of atomically thin CrI3, Cr2Ge2Te6, and Fe3GeTe2 in 2010s. It initiated investigations of fine tuning of the ordering temperature by gating that cannot be realized for the bulk material. Unique properties of two-dimensional magnets, which can be controlled by an external field or pulses of current, are of great interest both from the fundamental perspective and possible applications. However, small number of the candidate compounds limits such investigations. The proposed research project focuses on layered chalcogenides of transition metals of the TaFe1+xTe3, TaCoTe2, TaFe2+xTe4, Ta2NiSe5, and Ta2NiSe7 structure types, where Fe- and Nb/Te-bearing structural layers are confined by the Se/Te atoms. These compounds are new candidates for two-dimensional materials, since they possess interesting magnetic properties. The target compounds will be investigated by a combination of chemical and physical techniques, among which synthesis and growth of high-quality are needed for exfoliation of two-dimensional materials, while Moessbauer spectroscopy, as well as nuclear quadrupole, and nuclear magnetic resonance spectroscopy will provide fine details of the electronic and magnetic structures on the atomic level.

К концу первого года будут получены следующие результаты: - Методика синтеза кристаллов соединений TaFeTe2, NbFe2+xTe4 и TaFe2+xTe4; структурные модели TaFeTe2, NbFe2+xTe4 и TaFe2+xTe4, а также электронная структура TaFeTe2 для состояния с наименьшей энергией. - Основная информация о фазообразовании соединений Nb2FeSe5, Nb2FeSe7, Ta2FeSe5 и Ta2FeSe7 для дальнейшей разработки методик синтеза. - Данные об эффекте магнитосопротивления NbFe1+xTe3 (x ≈ 0.5): будут измерены зависимости электрического сопротивления от магнитного поля при фиксированных температурах в диапазоне 4-300 К и разных ориентациях кристалла в магнитном поле. - Будет установлена температурная зависимость спектров ЯМР и ЯКР и скорости ядерной спин-решёточной релаксации для NbFe1+xTe3 и TaFe1+xTe3 (x ≈ 0.5).

У научного коллектива есть задел, полученный в результате выполнения проекта РНФ 21-73-10019 «Слоистые соединения переходных металлов с Ван-дер-Ваальсовыми связями: путь к новым 2D магнитным материалам», а именно выполнен синтез и рост кристаллов, изучено кристаллическое строение и магнитные свойства слоистых теллуридов NbFe1+xTe3 и NbFeTe2 (на момент подачи заявки данные не опубликованы). Данный задел будет использован для существенного углубления полученных знаний и исследования магнитных свойств NbFe1+xTe3 и NbFeTe2 с помощью спектроскопии ЯГР и ЯМР, что является новым самостоятельным исследованием. Научный коллектив имеет опыт выполнения программы исследований слоистых халькогенидов переходных металлов, включая синтез, рост кристаллов с помощью химических транспортных реакций, анализ области гомогенности, кристаллической структуры и физических свойств [1-6]. Следует отметить успешное применение порошковой нейтронографии и мёссбауэровской спектроскопии для исследования магнитной структуры слоистых теллуридов железа Fe3GeTe2 и Fe3AsTe2. Кроме того, имеется богатый опыт применения ЯКР и ЯМР спектроскопии твёрдого тела для исследования сверхпроводников, полупроводников и антиферромагнетиков, в результате которого отработаны такие подходы, как анализ ЯКР и ЯМР спектров с учётом информации о кристаллографических позициях атомов пробы, а также интерпретация температурной зависимости скорости ядерной спин-решёточной релаксации для анализа фононных, электронных и магнитных свойств рассматриваемых соединений.

Разработка слоистых халькогенидов железа структурных типов TaFe1+xTe3, TaCoTe2, TaFe2+xTe4, Ta2NiSe5 и Ta2NiSe7 – это синтез целевых соединений, оптимизация условий роста кристаллов, получение полной информации об их кристаллической, электронной и магнитной структуре, магнитных и транспортных свойствах, что позволит создать необходимую базу для двумерных магнитных материалов с управляемыми свойствами. Двумерные магнетики востребованы в быстро развивающихся технологиях спин-электроники, где такие явления, как спин-поляризованный ток и управляемое движение скирмионов, используются для создания квантовых вычислительных интерфейсов и элементов памяти нового поколения. В результате выполнения проекта мы планируем оптимизировать методику роста кристаллов высокого качества для эксфолиации двумерных материалов, а также изучить магнитные свойства и магнитосопротивление слоистых халькогенидов железа и провести комплексное исследование статики и динамики магнитной структуры с помощью ЯГР, ЯКР и ЯМР спектроскопии. По результатам работы планируется публикация не менее 9 статей в рецензируемых научных журналах преимущественно первого квартиля, включая Dalton Transactions (импакт-фактор 4.6), Chemical Communications (4.9), Inorganic Chemistry (5.4), Journal of Alloys and Compounds (6.4), Chemistry of Materials (8.6) и других. Результаты работы также будут представлены в виде устных и стендовых докладов на международных и российских научных конференциях. Участники проекта – молодые учёные, аспиранты и студенты, смогут значительно повысить свою квалификацию за счёт опыта междисциплинарных разносторонних исследований, что позволит им сформироваться в качестве самостоятельных специалистов.