КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-72-20041

НазваниеМоделирование новейших двумерных полупроводников для передовых приложений электроники

РуководительРуденко Александр Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словадвумерные материалы, полупроводники, электронная структура, оптические и транспортные свойства, магнетизм, квантовая теория, нанофизика, скирмионы, графен, фосфор

Код ГРНТИ29.19.22


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый проект направлен на решение актуальных проблем, связанных с микроскопическим описанием и теоретическим предсказанием физических свойств перспективных двумерных материалов. В качестве основных объектов исследований выбраны двумерные полупроводники на основе элементов V группы, такие как фосфор и сурьма, а также синтетические поверхностные системы, представляющие собой упорядоченные атомные структуры локализованные на подложках. Задачи проекта будут решаться в рамках современных теоретических подходов, объединяющих численные первопринципные методы и методы модельных гамильтонианов, что позволит осуществить мультимасштабное моделирование процессов в исследуемых системах. Полученные результаты позволят ответить на множество фундаментальных вопросов, касающихся особенностей электронных и оптических свойств, явлений переноса, условий формирования коллективизированных квантовых состояний (например, магнитного или сверхпроводящего) в новейших двумерных системах, а также позволят выявить возможности улучшения и влияния на важные с практической точки зрения характеристики — энергетическую щель и подвижность носителей тока. Особое внимание в проекте будет уделено магнитным свойствам двумерных полупроводников, не являющихся типичными для данного класса соединений. Особенно перспективным представляется изучение явлений переноса спина в материалах на основе тяжелых элементов (таких как сурьма) с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Выполнение проекта будет неразрывно связано с разработкой новых моделей и эффективных методов численного расчета, позволяющих наиболее точно учесть особенности атомной структуры, химической связи, электронных и магнитных свойств двумерных материалов. Практическая реализация новых методов в виде комплексов программ будет выполняться с использованием параллельных алгоритмов для быстрого и точного решения квантовых задач. Сотрудничество коллектива с ведущими экспериментальными европейскими лабораториями будет стимулировать постановку новых экспериментов по опытному изучению свойств исследуемых материалов, что будет способствовать выполнению задач, поставленных в рамках данного проекта.

Ожидаемые результаты
1) С использованием первопринципных методов расчета будут разработаны реалистичные модели для описания электронных, магнитных и транспортных свойств двумерных полупроводников на основе элементов V группы, позволяющие проводить мультимасштабное моделирование их свойств с учетом внешних факторов (структурный беспорядок, примеси, внешние поля, различные виды подложек). Будет определено влияние основных микроскопических механизмов рассеяния на подвижность электронов, а также выявлены условия перехода исследуемых систем в сверхпроводящее и магнитное состояния. 2) Будет определена роль корреляционных эффектов и выявлены особенности формирования основных электронных, оптических и транспортных свойств исследуемых систем используя комбинацию современных первопринципных методов и модельных подходов. Будут проведен систематический анализ эффектов многочастичной ренормализации электронных спектров и изучен характер влияния внешних полей на важные с практической зрения характеристики исследуемых полупроводниковых материалов (главным образом, энергетическая щель и электропроводность). 3) Будут изучены магнитные эффекты в исследуемых материалах с sp электронами. В частности, установлены особенности магнитной восприимчивости и обменных взаимодействий в анизотропных системах, а также выявлена возможность практического использования эффектов спиновой подсистемы в двумерных материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием для приложений спинтроники, реализующих, например, спиновый эффект Холла и эффект спиновой фильтрации, а также различные виды скирмионных решеток. В ходе проекта будут разработаны эффективные численные алгоритмы, реализованные в комплексах программ для моделирования электронных, оптических, магнитных и транспортных свойств двумерных материалов, которые позволят не только максимально корректно воспроизводить и давать микроскопическое объяснение известным экспериментальным результатам, а также выполнять предсказание особенных свойств новейших двумерных материалов и искать пути улучшения их практических характеристик. Например, будет развита численная методика для моделирования экспериментов по сканирующей туннельной микроскопии со спиновой поляризацией в случае sp наноструктур, которые в отличие от материалов с d электронами демонстрируют значительную делокализацию магнитных моментов. Достижение результатов в области исследования двумерных материалов невозможно без совместных усилий теоретических и экспериментальных групп. В связи с этим, важной особенностью проекта является тесное взаимодействие с ведущими экспериментальными группами Европы, что позволит своевременно выполнять экспериментальную проверку предлагаемых моделей и проводить их коррекцию с целью наиболее точного воспроизведения физических свойств новейших двумерных материалов. Все методические и практические результаты проекта будут своевременно публиковаться в ведущих физических и физико-химических изданиях с высоким импакт-фактором (3+).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1) Проведено исследование структурных и упругих свойств, а также механизма, ответственного за межатомное взаимодействие в черном фосфоре. Для этой цели использовался неэмпирический метод, позволяющий явно учитывать корреляционные эффекты. Показано, что корреляционные эффекты играют важную роль в формировании структурных и упругих свойств черного фосфора, а также ответственны за межслойное взаимодействие в данном материале. В частности, учет корреляционных эффектов приводит к уменьшению упругих постоянных на величину до 40%. Кроме этого сделан вывод о том, что силы Ван-дер-Ваальса не являются единственным механизмом ответственным за межслойные взаимодействия. По сравнению с графитом, эффекты гибридизации и зарядового распределения в черном фосфоре являются одинаково важными. В то же время, межслойное взаимодействие по величине довольно мало и сравнимо с графитом (20 мэВ/A^2). Также показано, что структурные изменения в однослойном черном фосфоре могут приводить к увеличению энергетической щели до 15%. 2) Разработан метод анализа полной матрицы электрон-фононного взаимодействия, позволяющий выделять отдельные вклады, связанные с конкретными фононными модами и электронными состояниями материала. Метод основан на теории возмущения функционала электронной плотности, в котором матрица электрон-фононного взаимодействия g может быть вычислена путем численного расчета изменения самосогласованного потенциала ΔV. Путем унитарного преобразования спектральная функция электрон-фононного взаимодействия преобразована из базиса блоховских функций в базис функций Ванье. Данный подход позволяет анализировать электрон-фононное взаимодействие в двумерных материалах, связанное с поверхностными электронными состояниями, доступными для изучения экспериментальными методами. 3) В данной работе были исследованы оптические свойства двумерной сурьмы. На основе подхода модельного гамильтониана были рассмотрены эффекты, появляющиеся при учете спин-орбитального взаимодействия и при приложении внешнего потенциала, перпендикулярного поверхности материала. Было продемонстрированно, что, несмотря на значительные изменения в зонной структуре, учет вышеизложенных эффектов не вносит изменений в макроскопическую диэлектрическую функцию. В отличии от диэлектрической функции, плазмонные спектры отражают изменения, вызванные каждым из этих эффектов. Мы рассчитали плазмонные спектры для случаев электронного и дырочного допирования, при концентрациях носителей 1013 см^-2 и 1014 см^-2. Было показано, что учет всех эффектов вносит характерные изменения в плазмонные спектры, пропорциональные величине приложенного внешнего потенциала. 4) Материалы с sp-магнетизмом демонстрируют сильно нелокальное кулоновское взаимодействие, что открывает новую возможность изучения режимов магнетизма, которые ранее были не доступны для переходных металлов. На примере монослоя олова на поверхности SiC(0001) мы показываем, что такие системы обладают необычными магнитными свойствами в наномасштабе. Прежде всего это связано с присутствием значительного ферромагнитного перекрытия, называющегося прямым обменом, который полностью подавляет антиферромагнитное взаимодействие сверхобменной природы. Из-за нелокального характера, прямой обмен оставался вне рассмотрения, поскольку он не может быть учтен методами функционала электронной плотности, что также вызывает вопрос о корректности ранее предложенного основного состояния для Sn/SiC(0001). Более того, тяжелые атомы индуцируют сильное спин-орбитальное взаимодействие, которое приводит к существенно анизотропной форме спинового гамильтониана, в котором взаимодействие Дзялошинского-Мория играет главную роль. Последнее является причиной возникновения наноскирмионного состояния при реалистичных магнитных полях и температурах. 5) Методами теории динамического среднего поля было выполнено моделирование спектров электронных возбуждений в двумерной сурьме. Для этого использовалась модель Хаббарда, построенная на основе предыдущих расчетов в рамках теории функционала электронной плотности. Использование метода точной диагонализации для решения приметной задачи позволило промоделировать поведение системы при низких температурах и получить электронные спектры на реальных частотах, что дает возможность прямого сравнения с экспериментом. Проведенные расчеты показали значительную зависимость деталей зонного спектра вблизи уровня Ферми от величины одноузельного кулоновского взаимодействия. 6) Мы исследовали стабилизацию топологических бимеронных структур в образцах с определенной геометрией, имеющих конечные размеры в магнитных системах в которых взаимодействие Дзялошинского-Мории является доминирующим. При помощи моделирования методом Монте Карло ферромагнитной системы с сильным взаимодействием Дзялошинского-Мории, нам удалось выявить образование смешанной скирмион-бимеронной фазы при конечных температурах. Внедрение в спиновую систему периодической решетки вакансий резко меняет картину наблюдаемых спиновых конфигураций, а так же позволяет выбирать между формированием чистых бимеронных и скирмионных состояний. Мы обнаружили, что плакетка, имеющая форму ромба, обеспечивает возможность стабилизации бимеронных структур. Такая геометрия системы позволяет сохранить устойчивое топологическое состояние даже в отсутствии внешнего магнитного поля. 7) Разработана схема расчета эффектов экситонной неустойчивости в двумерных и квази-двумерных материалах с высокой степенью электронно-дырочной симметрии. Для теоретического описания подобного рода материалов была предложена двухзонная модель Хаббарда с реалистическими параметрами, полученными в рамках DFT расчетов. Для описания многочастичных эффектов использовался метод диаграмм Фейнмана, где учет электронно-дырочного спаривания производился посредством вычисления собственной энергии в лестничном приближении. Данный подход применен для изучения многочастичных эффектов, обнаруженных экспериментально в дираковском материале ZrSiS. Результаты показывают наличие экситонной неустойчивости в данном материале, приводящей к открытию псевдощели в энергетическом спектре при температурах меньше 135 К. 8) На основе расчетов в рамках теории функционала электронной плотности показано, что гидрогенизация германена приводит к формированию щели в энергетическом спектре, величина которой коррелирует с концентрацией атомов водорода. При неполной гидрогенизации происходит искажение структуры, что объясняет экспериментально наблюдаемую трансформацию (1x1) решетки в (2x2).

 

Публикации

1. Петерс Л, Руденко А.Н., Кацнельсон М.И. Ab initio study of electron-phonon coupling at Cr(001) surface Physical Review B, 97, 165438 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.165438

2. Руденко А.Н., Степанов Е.А., Лихтенштейн А.И., Кацнельсон М.И. Excitonic instability and pseudogap formation in nodal line semimetal ZrSiS Physical Review Letters, - (год публикации - 2018)

3. Яковлев И.А., Сотников О.М., Мазуренко В.В. Bimeron nanoconfined design Physical Review B, - (год публикации - 2018)

4. Яо К., Джанг Л., Кабанов Н.С., Руденко А.Н., Арманд Т., Солеймани Х.Р., Клавсюк А.Л., Зандфлит Х.Дж.В. Band Gap Opening in hydrogenated Germanene Applied Physics Letters, 112,17, 171607 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1063/1.5026745


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1) Двумерная фаза сурьмы (антимонен) это недавно обнаруженный двумерный полупроводник с уникальной стабильностью, высокой подвижностью носителей тока, и сильным спин-орбитальным взаимодействием. Последнее, в сочетании с электрическим полем обеспечивает дополнительную степень свободы для контроля свойств материалов из-за появления спинового расщепления. Одним из результатов данного этапа проекта является оценка величины электрон-фононного взаимодействия и температуры сверхпроводящего переходы в n- и p-допированном антимонене, а также выявление эффектов, связанных с наличием перпендикулярного электрического поля. Обнаружено, что при реалистичных концентрациях носителей тока, антимонен может быть переведен в состояние с сильным электрон-фононным взаимодействием, с константой увеличения эффективной массы около 2.3. В этом режиме ожидается, что антимонен будет являться сверхпроводником с критическими температурами до 16 К. Приложение потенциала смещения приводит к значительному изменению электронной структуры, влияя на электронное взаимодействие в антимонене. Данные эффекты менее значимы для электронного допинга, в то время как в случае дырочного допинга они приводят к значительной вариации критической температуры в зависимости от потенциала смещения. 2) Показана возможность реализации магнитной памяти на основе орбитальных степеней свободы отдельных атомов кобальта на поверхности полупроводящего черного фосфора, демонстрирующие два стабильных состояния с различными магнитными моментами. Используя сканирующую туннельную микроскопию и первопринципные расчеты, изучены эффекты локального потенциала затвора и пространственной анизотропии волновых функций на механизм переключения орбитальных состояний. Результаты показывают возможность использования орбитальных степеней свободы для хранения информации на основе отдельных атомов без использования чувствительных детекторов спина, а также углубляют понимание влияния эффектов локального затвора на анизотропное зарядовое распределение одноатомных битов информации. 3) На основе первопринципных DFT+U расчетов построены магнитные модели для пары атомов кобальта на монослое черного фосфора. Показано, что в зависимости от ориентации димера на поверхности магнитные взаимодействия между атомами в ближайших позициях могут быть либо ферромагнитными либо антиферромагнитными. Также значительная анизотропия магнитных свойств димеров атомов кобальта в зависимости от его расположения наблюдается на уровне рассчитанных взаимодействий Дзялошинского-Мории, которые сильно отличаются как по величине так и по симметрии для armchair и zigzag конфигураций. С использованием построенных магнитных моделей выполнено предсказательное моделирование спектров сканирующей туннельной спектроскопии со спиновой поляризацией. 4) Разработана численная схема для моделирования электронных спектров двумерных систем с s- и p-электронами в сильных магнитных полях. Схема основана на приближении сильной связи, параметры перескока для которой могут быть определены из первопринципных расчетов. Принципиальную роль играет учет спин-орбитальной связи. Моделирование магнитных полей различной величины связано с определением гамильтонианов с фазами Пайерлса для сверхячеек различных размеров. Тестирование схемы проводилось на примере систем графена и черного фосфора, для которых было получено отличное согласие особенностей электронных спектров с результатами предыдущих работ. Были рассчитаны спектры уровней Ландау в сильных магнитных полях с учетом спин-орбитального взаимодействия и бабочка Хофштадтера. 5) Были проведены первопринципные расчеты для монослоя CrI3 с использованием приближения GGA. Затем на этой основе были вычислены магнитные взаимодействия для модели Гейзенберга при помощи метода функций Грина в рамках теоремы о локальных силах. Оказалось, что наиболее значимыми являются взаимодействия с первыми и вторыми ближайшими соседями. Использование метода функций Грина позволило выполнить орбитальный анализ полученных магнитных взаимодействий. Оказалось, что взаимодействие между ближайшими соседями формируется в результате конкуренции двух обменных механизмов: сверхобменного взаимодействия антиферромагнитной природы между заполненными орбиталями и ферромагнитного вклада одноузельного хундовского обменного взаимодействия между пустыми и заполненными орбиталями. 6) Коллективные электронные возбуждения в коррелированных материалах являются основой различных экзотических эффектов, к ряду которых относятся зарядовое упорядочение, сверхпроводимость, Мотт изоляторная и магнитная фазы, плазмонные и магнонные моды и т.д. К сожалению, теоретическое описание этих корреляционных эффектов сталкивается с существенными трудностями поскольку в их основе лежат сильные локальные и нелокальные электрон-электронные взаимодействия, не допускающие точного описания. Некоторые коллективные эффекты, такие как, например, магнетизм могут быть с хорошей точностью описаны простыми моделями, выраженными в терминах бозонных переменых. Одним из ярчайших примеров таких моделей является модель Газенберга. Данное обстоятельство предполагает, что другие многоэлектронные возбуждения также могут быть описаны простыми бозонными моделями в духе теории Гайзенберга. В рамках данного этапа проекта аналитически получено эффективное бозонное действие для зарядовых степеней свободы на основе расширенной модели Хаббарда. Определен физический режим, в котором полученное действие сводится к классическому гамильтониану эффективной модели Изинга. 7) Изотропные обменные взаимодействия выступают в качестве основного взаимодействия в магнетизме, обычно приводя к формированию спин-упорядоченных фаз с дальним порядком. Анизотропные взаимодействия Дзялошинского-Мории возникают за счет релятивистских поправок и являются заведомо более слабыми, несмотря на то, что они могут оказывать существенное влияние на изотропные взаимодействия, приводя к формированию новых спиновых текстур. В рамках настоящего проекта, данная устоявшаяся парадигма была пересмотрена и предложено описание магнетизма без учета гайзенберговских обменных взаимодействий. В этом случае, взаимодействие Дзялошинского-Мории вызывает фрустрацию в двух измерениях, благодаря которой возможно появление нового механизма, приводящего к формированию наноскирмионов во внешнем магнитном поле. Отдельные наноскирмионы могут быть стабилизированы уже на уровне кластера, состоящего из нескольких атомов, что может быть использовано для построения более сложной магнитной мозаики. Реализация таких топологических спиновых нанотекстур в sp- и p-соединениях или ультрахолодных атомных газах может дать основу магнитной памяти нового поколения. 8) Нами был использован метод функциональной ренормализационной группы (ФРГ) для исследования потенциальных неустойчивостей индуцированных взаимодействием в двумерной модели для материалов ZrSiS и ZrSiSe, используя модельные параметры, полученные из первопринципных расчетов. Наши результаты подтверждают, что экситонная неустойчивость, недавно обнаруженная в ZrSiS в приближении случайной фазы, действительно является главной неустойчивостью. При простейшем рассмотрении спиновые и зарядовые экситонные состояния вырождены. При более детальном анализе мы показали, что порядок энергии для возникновения неустойчивости полученный методом ФРГ хорошо согласуется с экспериментом по наблюдению увеличения массы. Кроме того, изучая пространство параметров модели, мы обнаружили, что уменьшение зонного расщепления увеличивает порядок неустойчивости и способно привести систему в состояние сверхпроводящего спаривания. Параметры модели для случая структурно сходного материала ZrSiSe предполагают d-волновое сверхпроводящее состояние как ведущую неустойчивость с очень небольшим критическим масштабом.

 

Публикации

1. Бадртдинов Д.И., Николаев С.А., Руденко А.Н., Кацнельсон М.И., Мазуренко В.В. Nanoskyrmion engineering with sp-electron materials: Sn monolayer on a SiC(0001) surface Physical Review B, Vol. 98, №18, p.184425 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.184425

2. Кирали Б., Руденко А.Н., ван Веерденбург В.М.Ж., Кацнельсон М.И., Хайеторианс А.А. An orbitally derived single-atom magnetic memory Nature Communications, Vol. 9, p.3904 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41467-018-06337-4

3. Луговской А.В., Кацнельсон М.И., Руденко А.Н. Electron-phonon properties, structural stability, and superconductivity of doped antimonene Physical Review B, Volume 99, Issue 6, Page 064513 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.064513

4. Прищенко Д.А., Мазуренко В.Г., Кацнельсон М.И., Руденко А.Н. Gate-tunable infrared plasmons in electron-doped single-layer antimony Physical Review B, Vol. 98, №20, p.201401(R) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.201401

5. Степанов Е.А., Николаев С.А., Дютре К., Кацнельсон М.И., Мазуренко В.В. Heisenberg-exchange-free nanoskyrmion mosaic Journal of Physics: Condensed Matter, Volume 31, Number 17, Page 17LT01 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab02b9

6. Степанов Е.А., Хубер А, Лихтенштейн А.И., Кацнельсон М.И. Effective Ising model for correlated systems with charge ordering Physical Review B, Volume 99, Issue 11, Page 115124 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.115124

7. Шерер М.М., Хонеркамп К, Руденко А.Н., Степанов Е.А., Лихтенштейн А.И., Кацнельсон М.И. Excitonic instability and unconventional pairing in the nodal-line materials ZrSiS and ZrSiSe Physical Review B, Volume 98, Issue 24, Page 241112 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.241112

8. Яо К., Дзяо З., Бампулис П., Джанг Л., Руденко А.Н., Кацнельсон М.И., Зандфлит Х.Д.В. Charge puddles in germanene Applied Physics Letters, Volume 114, Issue 4, Page 041601 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5085304


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Выполнены первопринципные расчеты в рамках теории функционала электронной плотности, моделирующие различные расположения пары вакансий в сверхячейке фосфорена (одиночный слой черного фосфора). Анализ полных энергий показал, что потенциал взаимодействия пары вакансий является сложной, немонотонной функцией расстояния между ними. С использованием эффективных парных потенциалов выполнены Монте Карло расчеты для различных температур и концентрации вакансий. Установлена тенденция к формированию малых кластеров, состоящих из двух-трех вакансий. Формирование протяженных в пространстве вакансионных паттернов не обнаружено. Результаты выполненных расчетов могут использоваться в экспериментах по сканирующей туннельной микроскопии с целью построения новых видов памяти на атомных масштабах стабильных на высоких температурах. 2) Предложен новый механизм контроля магнитных взаимодействий между атомами на подложке при помощи изменения заселенности орбитальных состояний отдельных атомов. Для демонстрации нового механизма переключения мы выбрали пару адатомов кобальта на монослое черного фосфора. При помощи первопринципных расчетов было показано, что реализация обратимого переключения магнитного взаимодействия между адатомами может быть достигнута путем подачи напряжения между щупом STM и подложкой. Наш модельный анализ выявил, что гибридизация между атомными состояниями примеси и подложки играет существенную роль в данном переключении. Для стимулирования экспериментальных исследований мы выполнили моделирование спектров сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, которые наблюдаются при реализации механизма переключения магнитных взаимодействий. 3) На основе первопринципных расчетов построены модельные электронные гамильтонианы, описывающие электронную структуру монослоя CrI3 вблизи уровня Ферми. На этой основе выполнены расчеты магнитных взаимодействий и магнонных спектров для этой системы. В сравнении с результатами предыдущих работ показано, что формируются новые возбуждения в спектре плотности магнонных состояний, которые могут быть обнаружены экспериментально. Также предсказано значительное уменьшение константы спиновой жесткости при включении внешнего электрического поля. Выполнены многочастичные расчеты при помощи теории динамического среднего поля. Описаны электронные и магнитные свойства системы в парамагнитной фазе T > 100 К. Обнаружено изменение поведения собственно-энергетической части функции Грина, что свидетельствует о существовании перехода металл-изолятор. 4) Проведено исследование электрон-фононного взаимодействия в монослое InSe и связанных с ним транспортных и оптических свойств, используя комбинацию расчетов из первых принципов и многочастичную теорию возмущений. Показано, что электроно-фононное взаимодействие в монослое InSe оказывается аномально сильным с константой взаимодействия, достигающей 13 при умеренном дырочном допировании. Результатом сильной электрон-фононной связи является то, что дырочные состояния существенным образом перенормируются при взаимодействии, приводя к дополнительным сателлитным пикам в квазичастичной плотности состояний. На основании перенормированной функции Грина системы были рассчитаны спектры оптической проводимости и проведена оценка подвижности носителей тока. Показано, что наблюдаемая перенормировка электронного спектра приводит к следующим следствиям: (i) существенному подавлению подвижности носителей тока, со значениями порядка 1 см^2/В/с, что на несколько порядков ниже оценок, получаемых в рамках одночастичных приближений, (ii) наличию нехарактерных температурно-зависимых оптических возбуждений в инфракрасной области с большим спектральным весом. Данный эффект также нехарактерен для одночастичных приближений и является прямым следствием сильного электрон-фононного взаимодействия в монослое InSe. Оба эффекта предсказаны для реалистичных значений дырочного допирования и температур около 100 К. Ожидается, что они могут быть обнаружены с использованием стандартных экспериментальных методов при условии наличия достаточно чистых образцов. 5) Изучено взаимодействие между плоскостными и внеплоскостными фононами в электронном транспорте двумерных полупроводников. Внеплоскостные колебания рассматриваются как основной механизм, ограничивающий внутреннюю подвижность носителей тока в подвешенных двумерных полупроводниках при низких концентрациях носителей. Ангармонические взаимодействия между плоскостными и внеплоскостными колебаниями обычно исключаются из рассмотрения. В рамках данного этапа проекта была разработана теория электрон-фононного рассеяния, в которой ангармонические взаимодействия между акустическими фононами приняты во внимание. Теория применена к типичным двумерных полупроводникам V группы: гексагональные фосфор, мышьяк и сурьма. Обнаружено, что внеплоскостные колебательные моды оказываются существенно подавлены при их взаимодействии с плоскостными модами. При концентрациях носителей меньше чем 10^12 см^-2 понижение внутренней подвижности не превосходит 30%, и практически не зависит от концентрации. Полученные результаты свидетельствуют, что внеплоскостными колебаниями можно с высокой точностью принебречь при расчетах электронного транспорта двумерных полупроводников, даже при низких концентрациях носителей. Кроме этого, в рамках методов молекулярной динамики показано, что упругие постоянные двумерных материалов V группы практически не зависят от температуры.

 

Публикации

1. Бадртдинов Д.И., Руденко А.Н., Кацнельсон М.И., Мазуренко В.В. Control of magnetic interactions between surface adatoms via orbital repopulation 2D Materials, - (год публикации - 2020)

2. Ванделли М., Кацнельсон М.И., Степанов Е.А. Resonant optical second harmonic generation in graphene-based heterostructures Physical Review B, N 16, Vol. 99, p. 165432 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.165432

3. Кашин И.В.,Мазуренко В.В, Кацнельсон М.И., Руденко А.Н. Orbitally-resolved ferromagnetism of monolayer CrI3 2D Materials, N. 2, Vol. 7, p. 025036 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab72d8

4. Кирали Б., Кнол Э.Ж., Волькерт К., Бисвас Д., Руденко А.Н., Прищенко Д.А., Мазуренко В.Г., Кацнельсон М.И., Хофманн Ф., Вегнер Д., Хаяторианс А.А. Anisotropic two-dimensional screening at the surface of black phosphorus Physical Review Letters, N 21, Vol. 123, p. 216403 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.216403

5. Луговской А.В., Кацнельсон М.И., Руденко А.Н. Strong Electron-Phonon Coupling and its Influence on the Transport and Optical Properties of Hole-Doped Single-Layer InSe Physical Review Letters, N 17, Vol. 123, p. 176401 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.176401

6. Руденко А.Н., Луговской А.В., Маури А., Йу Г., Юань С., Кацнельсон М.И. Interplay between in-plane and flexural phonons in electronic transport of two-dimensional semiconductors Physical Review B, N 7, Vol. 100, p. 075417 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.075417

7. Степанов Е.А., Семин С.В., Вудс К.Р., Ванделли М., Кимель А.В., Новоселов К.С., Кацнельсон М.И. Direct Observation of Incommensurate–Commensurate Transition in Graphene-hBN Heterostructures via Optical Second Harmonic Generation ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 12, No. 24, p. 27758 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsami.0c05965

8. Степанов Е.А., Харьков В., Лихтенштейн А.И. Consistent partial bosonization of the extended Hubbard model Physical Review B, N 20, Vol. 100, p. 205115 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.205115


Возможность практического использования результатов
Проект направлен на фундаментальные исследования новейших двумерных материалов, которые были недавно синтезированы и привлекают значительное внимание исследователей из-за возможных технологических приложений. В рамках проекта коллективу удалось значительно продвинуться не только в понимании уникальных свойств таких материалов, но и в проектировании систем на их основе, которые могут стать элементами новых цифровых технологий, функционирующих на атомных масштабах. В качестве яркого примера можно привести обнаружение переключения спинового состояния атома кобальта на поверхности черного фосфора при помощи напряжения [Nature Communications 9, 3904 (2018)]. Кроме того, в проекте был предложен ряд модельных систем для создания элементов памяти [J. Phys.: Condens. Matter 31, 17LT01 (2019)]. Все это создает фундаментальный задел для создания новых технологий.