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 19-43-04129

НазваниеПолуметаллы Вейля и Дирака и другие перспективные топологические материалы: теоретическое предсказание и экспериментальные исследования

РуководительМорозов Игорь Викторович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г. 

Конкурс№27 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые словаПолуметаллы Вейля и Дирака, топологические фазы, электронная и кристаллическая структура, пниктиды и халькогениды, рост монокристаллов, флюсы, газовый транспорт

Код ГРНТИ31.15.19 31.17.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В центре внимания представленного проекта – полуметаллы Дирака и Вейля – новейшие объекты физики и химии твердого тела. В задачи, решаемые в проекте, входит теоретическое предсказание, синтез в виде монокристаллов и всестороннее исследование физических свойств ряда полуметаллов и систем на их основе. Успешное выполнение проекта внесет серьезный вклад как в понимание природы топологических состояний и их взаимных переходов и взаимодействия с другими состояниями и кооперативными явлениями, а также поможет решению проблемы управления свойствами таких систем путем их модифицирования. Заявленное направление исследования является безусловно актуальным как с точки зрения фундаментальных аспектов химии твердого тела и наук о материалах, так и для потенциального практического использования результатов в индустрии наносистем. В интернациональный научный коллектив, нацеленный на решение поставленных задач, входят как физики-теоретики и экспериментаторы (Институт физики твердого тела Лейбница IFW, Dresden), так и химики-материаловеды – специалисты в области неорганического синтеза (химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова). Это позволяет ставить и решать самые прорывные задачи в данной области, к которым относятся теоретическое предсказание, синтез в виде монокристаллов и всестороннее исследование физических свойств ряда полуметаллов и систем на их основе. Со времени присуждения Нобелевской премии за исследование графена (2010 г) – одного из первых реальных примеров реализации топологической фазы, - многообразие известных топологических фаз и топологических фазовых переходов значительно увеличилось. Не случайно, что в 2016 г Нобелевская премия по физике была вручена «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». В настоящее время особый интерес исследователей привлекают полуметаллы Вейля (ВПМ) и Дирака (ДПМ) – трехмерные аналоги графена, которые представляют не только теоретический интерес, но и имеют существенный потенциал практического применения в качестве элементов наноэлектроники, квантовых компьютеров и сверхбыстрых электронных схем, что отвечает самым актуальным задачам в рамках формирования цифровой экономики. Очевидно, что многообразие проявлений топологически обусловленных явлений еще не до конца осознанно и в этом направлении еще могут произойти интересные открытия. Очевидно также, что для достижения положительных результатов в данной области исследования физики теоретики и экспериментаторы должны действовать в тесном взаимодействии с химиками – специалистами в области химии твердого тела. Действительно, вплоть до настоящего времени большинство ВПМ и ДПМ было сначала предсказано теоретиками, затем синтезировано в виде монокристаллов, и наконец, изучено рядом методов, позволяющим подтвердить наличие топологических нетривиальных свойств. Научная новизна проекта состоит, прежде всего, в комплексном подходе к поиску новых топологических полуметаллов, заключающемся в прогнозе новых кандидатов на основании теоретических расчетов высокого уровня в сочетании с его непосредственной экспериментальной реализацией, для чего требуется высокая синтетическая квалификация. Кроме того, получение пригодных для физических измерений монокристаллов некоторых соединений с высокой вероятностью потребует разработки новых подходов к их росту. Объекты исследования и предполагаемые подходы для их изучения также характеризуются новизной, Так, среди разнообразных ДПМ и ВПМ были выбраны соединения с нетривиальными даже для полуметаллов свойствами. Например, предлагается провести исследование так называемых магнитно-упорядоченных полуметаллов, в которых топологические свойства сочетаются с магнитными. Следующее направление исследований – синтез и исследование ДПМ с многократно вырожденными точками. В настоящее время полуметаллы такого типа остаются практически неизученными: лишь недавно на основании квантово-химических расчетов был обозначен круг перспективных соединений, у которых это свойство может реализоваться. Еще одно направление исследований состоит в решении задачи направленного изменения топологических свойств соединения за счет модифицирования состава образца: замещения в катионную или анионную подрешетки либо интеркаляции в слоистые структуры. Такое воздействие на ДПМ и ВПМ можно рассматривать как химическое давление, вплоть до настоящего времени были известны лишь единичные примеры его применения. Следует подчеркнуть, что синтез монокристаллических образцов ДПМ и ВПМ, что является главной задачей российской команды, играет особенно важную роль в выполнении данного проекта. Действительно, в настоящее время теоретические предсказания квазичастиц, таких как фермионы Дирака и Вейля, существенно опережают экспериментальные исследования. В частности, недавно было предсказано (и по настоящее время не подтверждено измерениями на монокристаллах) существование материалов с 3-, 6- и 8-кратно вырожденными точками пересечения энергетических зон. Если дираковские и вейлевские фермионы могут рассматриваться как аналоги частиц со спином ½, то новые многократно вырожденные точки предположительно являются аналогами фермионов с более высоким спином. Проблемой является отсутствие монокристаллических образцов новых веществ, пригодных для проведения измерений. Данное исследование ставит своей целью заполнить этот пробел и уменьшить разрыв между теорией и экспериментом. Проект будет реализовываться в сотрудничестве между группами из Москвы и Дрездена, имеющими взаимодополняющий опыт теоретических расчетов и синтетической химии, роста кристаллов, использования фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), сканирующей туннельной микроскопии (STM), измерений электронного транспорта, квантовых осцилляций. Согласно литературным данным, большинство потенциальных ДПМ и ВПМ были синтезированы только в виде поликристаллических образцов. При этом известные топологические полуметаллы и кандидаты относятся преимущественно к нескольким классам неорганических соединений: бинарные или более сложные пниктиды и халькогениды (например, Cd3As2, NbP, MoSe2, WTe2 и т.д.), интерметаллиды (Na3Bi, PdBi2, Bi1-xSbx) или сложные оксиды (Sr3-xSnO). Соответственно, для роста монокристаллов могут быть использованы любые методы, разработанные для данных классов веществ. Коллектив, участвующий в выполнении данного проекта, имеет большой опыт синтеза и структурной характеризации соединений всех перечисленных классов – сложных смешанных пниктидов переходных и непереходных металлов, сложных оксидов, оксохалькогенидов и оксогалогенидов переходных металлов и РЗЭ, интерметаллических соединений. Также у коллектива есть богатый опыт использования широкого спектра методов роста монокристаллов соединений указанных классов – химического транспорта, растворных и расплавных методов, в том числе с использованием флюсов, гидротермального и сольвотермального методов, собирательной рекристаллизации. Особо следует отметить, что коллектив не только использует готовые подходы к росту кристаллов, но и производит их существенную модернизацию, а в ряде случаев – разрабатывает собственные методы, как, например, разработанный в сотрудничестве с группой из IFW метод роста кристаллов LiFeAs, позволивший впервые охарактеризовать данное соединение методами ARPES и андреевской спектроскопии. Также были разработаны методы роста кристаллов других железо-арсенидных и железо-селенидных фаз (NaFeAs, AFe2As2, AxFe2-ySe2, где A – щелочной металл). Таким образом, опыт и квалификация коллектива, собранного для выполнения проекта, позволяют рассчитывать на то, что задачи по синтезу, росту монокристаллов новых топологических полуметаллов и их исследованиям могут быть успешно выполнены.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет получен ряд новых соединений и твердых растворов с топологическими свойствами полуметаллов Вейля и Дирака, разработаны методы роста их монокристаллов, изучены топологические фазовые переходы "топологический полуметалл - тривиальный полупроводник, металл или диэлектрик", предсказаны и открыты новые полуметаллы с уникальной электронной структурой, изучены способы направленной модификации физических топологических полуметаллов. Выполнение данного проекта имеет большое значение для физики и химии твердого тела. Кроме того, топологические полуметаллы и родственные системы являются потенциальными материалами для наноэлектроники, квантовых копьютеров, сверхбыстрых микросхем, что обуславливает высокую практическую значимость результатов для развития технологий цифровой экономики.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Одна из наиболее важных задач, решаемых в первый год выполения проекта, состояла в получении серии твердых растворов на основе одного из наиболее известных Дираковских полуметаллов – арсенида кадмия, с целью экспериментального исследования перехода от состояния дираковского полуметалла в состояние тривиального полупроводника. Такой переход происходит по мере увеличения степени замещения в анионной (As на P) или катионной (Cd на Zn) подрешетках Cd3As2 и проходит через критическую точку касания конусов Дирака. Были оптимизированы условия роста монокристаллов Cd3-xZnxAs2 и Cd3(As1-хPх)2 с заданным уровнем замещения. По данным рентгеновской дифракции и результатам рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) кристаллы (Cd1-xZnx)3As2 демонстрируют более высокую однородность и более высокое качество по сравнению с образцами Cd3(As1-хPх)2. В настоящее время отобранные монокристаллы переданы для изучения методом ARPES. Исследование полученных образцов Cd3(As1-xPx)2 рентгеновской дифракцией на гранях показало, что получению качественных кристаллов препятствует их зональность и секториальность, обусловленная неравномерным распределением фосфора внутри растущего кристалла. Кроме того, важный концентрационный интервал твердых растворов приходится на двухфазную область, границами которой являются твердые растворы Cd3(As1-xPx)2 с уровнем замещения 0.10<x<0.25. Наличие этой области является фундаментальным препятствием получения термодинамически равновесных образцов с соответствующей степенью замещения. Рентгеноструктурный анализ четырех монокристаллов Cd3(As1-xPx)2 с различным уровнем замещения показал, что образец с небольшим содержанием фосфора (x = 2.8%) кристаллизуется в объемоцентрированной пространственной группе I41/acd, характерной для незамещенного Cd3As2, в то время как образцы, с более высокими уровнями замещения x = 0.32, 0.39 и 0.50, кристаллизуются в примитивной пр.гр. P42/nmc и изоструктурны среднетемпературной модификации арсенида кадмия P. Существование области твердых растворов Cd3(As,P)2 на основе I модификации арсенида кадмия было установлено впервые. В ходе уточнения структур было впервые показано, что атомы фосфора неравномерно распределяются по трем кристаллографически независимым позициям мышьяка, как в I-, так и в P- модификации. Показано, что фосфор преимущественно занимает те позиции мышьяка, в которых 4 из шести расстояний Pn-Cd (Pn=As, P) оказываются существенно короче двух других (тип координации 4+2). В то время, как в позициях с более равномерным распределением связей Pn-Cd преимущественно располагается мышьяк. Показано, что метод кристаллизации из Cd – расплава неприменим для получения монокристаллов (Cd1-xMx)3As2 с другими вариантами замещения (M=3d-элемент кроме Zn, РЗЭ), вследствие низкой растворимости 3d-металлов (M=Fe,Ni, Mn) в жидком кадмии. В тоже время, показано, что метод субсолидусной рекристаллизации позволяет получать монокристаллы (Cd1-xMnx)3As2. Поиск вариантов изо- и гетеровалентного замещения в полуметаллах Вейля Nb(1-x)TaxPn (Pn=As, P), MAs(1-x)Px (M=Nb, Ta) привел к выявлению нескольких сочетаний, позволяющих выращивать монокристаллические образцы методом иодидного транспорта, а именно, NbAs(1-x)Px и Nb1-xTaxP и Ta1-xMoxP. В подотчетный период в основном силами зарубежных коллег проводились исследования физических свойств Вейлевского полуметалла WTe2 (синтез этого соединения проводился совместно российскими и немецкими коллегами). Методом Андреевской спектроскопии точечных контактов установлено, что при температурах ниже 6K данное соединение проявляет сверхпроводящие свойства непосредственно в области точеного контакта. Проведена отработка методов синтеза новых дираковских полуметаллов с многократно-вырожденными точками пересечения (Ba4Bi3, La4Bi3). Сложность получения монокристаллических образцов Ba4Bi3 и La4Bi3 заключается в узкой концентрационной области их существования в сочетании с высокой реакционной способностью компонентов, а в случае La4Bi3 еще и относительно высоких температурах синтеза. Тем не менее, были подобраны условия получения Ba4Bi3 метоом self flux. В связи с установлением свойств дираковского полуметалла для дивисмутида платины PtBi2 возрос интерес к его легкому аналогу – PtP2, проявляющему свойства узкозонного полупроводника. Монокристаллы PtP2 были успешно выращены из оловянного флюса и подготовлены для проведения физических измерений. В рамках теории функционала плотности (DFT) в приближении обобщенного градиента (GGA) и мета-GGA с использованием полноэлектронного полнопотенциального метода линеаризованных присоединенных плоских волн (в т.ч. дополненных локальными орбиталями) – FP-LAPW (+lo) и псевдопотенциального подхода (PAW) выполнены квантовохимические расчеты электронной структуры и оценены топологические свойства для моногалогенидов висмута Bi4Bi4, Bi4I4, а также тройных соединений Bi2TeBr, PdTe1-xBix и интерметаллида PdBi. Особенности зонной структуры Bi4Br4 характерны и для b-Bi4I4, который является слабым топологическим диэлектриком. Рассчитанный характер дисперсии зон в т. Г для Bi4Br4 находится на границе топологический диэлектрик-тривиальный диэлектрик и позволяет предполагать, что данное соединение может либо также проявлять слабые топологические свойства, либо быть переведено из тривиального полупроводника в топологическое состояние. Расчетные данные для Bi2TeBr показывают, что без учета спин-орбитального взаимодействия представляет собой плохой металл и имеет псевдо-щель на уровне Ферми, составленную преимущественно вкладами от 6px и 6pz орбиталей висмута и 4р орбиталей брома. При «включении» спин-орбитальных взаимодействий щель раскрывается до ~0.12 эВ (в т. Г), что является индикатором наличия у соединения топологических свойств, в частности, возможного проявления свойств слабого двумерного топологического диэлектрика. Расчеты зонной структуры PdTe1-xBix показывают наличие псевдо-щели вблизи уровня Ферми, однако при увеличении содержания висмута ее раскрытия не происходит. Следовательно, в данной системе сложно ожидать интересных топологических свойств. Разработан метод синтеза, сочетающий использование высокотемпературного ампульного синтеза с механохимической и химической (активатор – иод) активацией, при помощи которого получены однофазные поликристаллические образцы Pt3Bi2Se2 и практически однофазные образцы Pd3Bi2S2. Эксперименты по росту кристаллов Pt3Bi2Se2 и Pd3Bi2S2 методом ХТР позволили получить два новых соединения (смешанные теллуриды платины-висмута и палладия-висмута), однако, метод оказался малопригоден для роста кристаллов целевых фаз. Эксперименты по росту из расплава во флюсах позволили получить монокристаллы Pt3Bi2Se2 и Pd3Bi2S2, размер которых пока еще не достаточен для проведения физических измерений. В подотчетный период проводились поисковые работы по синтезу висмутидов - представителей семейств 111, 112, 122, проявляющих свойства полуметаллов с нетривиальными свойствами. Представитель семейства 112 BaCdBi2 в виде игольчатых кристаллов был получен кристаллизацией из раствора компонентов в жидком висмуте. Монокристаллы новых тройных висмутидов NaZnBi и NaCdBi, которые, согласно теоретическим расчетам, могут проявлять свойства полуметаллов Дирака, получены кристаллизацией из раствора компонентов в жидком висмуте. Изучение их кристаллического строения методом монокристального РСА показало, что данные соединения образуют изоструктурные ряды со своими более легкими пниктидными аналогами: NaZnBi, кристаллизуется в структурном типе PbFCl, пр. гр. P4/nmm, в то время как NaCdBi относится к структурному типу MgSrSi, пр. гр. Pnma. Размеры полученных монокристаллов (до 2х2х5мм3) позволяют провести детальное исследование физических свойств полученных соединений.

 

Публикации

1. Захарова Е.Ю., Маханева А.Ю.,Куликова М.В., Чудакова М.В., Иванцов М.И., Дементьева О.С., Кузнецов А.Н. Metal-rich Tellurides PdTe1-xBix as Functional Materials: Catalytic Behavior in the Fischer-Tropsch Synthesis and Bonding Analysis Functional Materials Letters, - (год публикации - 2020)

2. Найдюк Ю.Г., Башлаков Д.Л., Квитницкая О.Е., Асвартхам С., Морозов И.В., Чернявский И.О., Шипунов Г., Фукс Г., Дрехслер С. -Л. , Хюнэ Р., Нильш К., Бюхнер Б., Ефремов Д.В. Yanson point-contact spectroscopy of Weyl semimetal WTe2 2D Materials, No 6, P 045012 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab2db7

3. Шилов А. И., Перваков К. С., Тафеенко В. А., Морозов И. В. Синтез и кристаллическое строение новых тройных висмутидов NaZnBi и NaCdBi Russian Journal of Coordination Chemistry, - (год публикации - 2020)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В течение второго года реализации проекта была завершена отработка методов приготовления монокристальных образцов арсенида кадмия Cd3As2 (полуметалла Дирака), а также Вейлевских полуметаллов NbPn, TaPn (Pn=As, P) с замещением в анионной (Cd3(As1-xPx)2, NbAs1-xPx) и катионной подрешетках (Cd(1-x)Znx)3As2, Nb(1-x)TaxP, Ta(1-x)MoxP). Монокристаллы арсенида кадмия Cd3(As1-xPx)2 со степенью замещения 5-25 % были получены кристаллизацией из раствора в жидком кадмии в постоянном градиенте температур. Для впервые синтезированных монокристаллов пниктидов ниобия и тантала с замещением в катионной и анионной подрешетках были уточнены условия синтеза, в частности, установлена необходимость введения в систему небольшого количества кислорода, изменяющего механизм транспорта. Оптимизация условий синтеза позволила улучшить качество получаемых монокристаллов и приблизить их состав к критической точке перехода полуметалл – полупроводник. Проведена оптимизация методов синтеза новых Дираковских полуметаллов с многократно-вырожденными точками пересечения (Ba4Bi3, Ln4Bi3). Методом self-flux получен поликристаллический образец Ba4Bi3, содержащий примеси обогащенных висмутом фаз. Кристаллизацией из индиевого флюса в температурном интервале от 1873 до 1073 К впервые были получены кристаллы Ce4Bi3 с частичным замещением церия на алюминий Ce4-xAlxBi3. По-видимому, этот метод является общим и может быть применен для получения всего ряда соединений Ln4Bi3. Изучены фазовые соотношения в бинарной системе Bi-Br в области составов вблизи 50:50. В данной области подтверждено существование трех фаз: метастабильной Bi1.25Br (Bi5Br4), BiBr (Bi4Br4), BiBr1.167 (Bi6Br7). Для Bi6Br7 был разработан метод роста кристаллов с использованием химических транспортных реакций с транспортером Hg-2Br2, что позволило переуточнить кристаллическую структуру и исправить ошибку в описании анионной части данного соединения: показано, что оно состоит из полиатомных кластеров висмута Bi95+ и полимерного аниона 1∞[Bi3Br145-]. С использованием новых структурных данных методом DFT рассчитана электронная структура соединения, дано объяснение электронно-транспортным свойствам. Оптимизирована методика роста кристаллов соединения Bi4Br4 при помощи ХТР. Получены кристаллы размеров, пригодных для проведения физических измерений. На уровне DFT рассчитана электронная структура Bi4Br4-xIx (x=1;2;3). По данным расчетов все соединения являются узкозонными полупроводниками. Наилучшими кандидатами для проявления нетривиальных топологических свойств являются Bi4Br4 и Bi4Br2I2. При помощи высокотемпературного ампульного синтеза с механохимической активацией получены однофазные объемные образцы Bi4Br4-xIx (x=0, 1, 2, 3, 4). Выполнены теоретические расчеты электронной структуры и фрагментов поверхности Ферми теллургалогенидов висмута. Показана высокая вероятность нетривиальных топологических свойств для Bi2TeI и Bi2TeBr0.5I0.5. Для получения объемных образцов Bi2TeBr, Bi2TeI1-xBrx (x=0.05, 0.25, 0.5) опробована методика высокотемпературного синтеза с механохимической активацией. Рентгенографическое и микроскопическое исследование кристаллов Bi2TeBr показало высокую вероятность локального сосуществования доменов с моноклинной и гексагональной сингонией. С использованием флюсов выращены монокристаллы гексагональной модификации Pd3Bi2S2. Расчеты методом DFT показали, что, в отличие от кубической, она не является перспективной с точки зрения топологических свойств. Для соединения BaCdBi2 проведена серия синтезов по оптимизации состава и температурного профиля. Проведенное исследование показывает, что область существования BaCdBi2 на фазовой диаграмме весьма ограничена и синтез этого соединения надо проводить с использованием флюса. Для ранее неизвестных соединений NaZnBi и NaCdBi, полученных в первый год выполнения проекта, проведено изучение температурной зависимости магнитной восприимчивости, которое показало, что эти вещества являются парамагнетиками. Расчет электронной зонной структуры показал, что оба соединения относятся к полуметаллам. Изучение образца NaZnBi методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) показало хорошее соответствие экспериментального спектра с расчетом и свидетельствует о достаточно высоком качестве полученных монокристаллов. Также были продолжены поисковые работы по синтезу новых висмутидов семейства 111 с участием других щелочных металлов. В ходе предпринятых попыток синтеза монокристаллов соединений KZnBi и KCdBi были получены монокристаллы неизвестного ранее KZn2Bi2. На основании экспериментальных работ по отработке методов выращивания монокристаллов заявленных в проекте магнитно-упорядоченных полуметаллов, а также новых полуметаллов с многократно-вырожденными точками пересечения в качестве наиболее перспективных для дальнейшей работы были выбраны тройные пниктиды состава 111, а именно, CuMnAs, а также BaTMBi (TM=Ag, Au) и структурно родственные антимониды. Данные соединения удается получить из висмутового флюса или эвтектики, образованной пниктогеном и d-металлом. В подотчетном году были также получены существенные результаты в смежных направлениях проведения исследований, непосредственно связанных с тематикой проекта. Имеющиеся примеры проявления топологически обусловленных свойств у Fe-содержащих сверхпроводников, а также структурное родство LiFeAs и синтезированного нами висмутида NaZnBi, обладающего свойствами полуметалла, побудило нас провести целенаправленный поиск топологически обусловленных свойств и в этом сверхпроводнике. Проведенное прецизионное исследование электронного строения LiFeAs, выполненное методом ARPES, не выявило топологически обусловленных состояний, однако позволило впервые обнаружить наличие нематической фазы, существование которой было ранее доказано и подробно исследовано для сверхпроводящего селенида железа FeSe. Таким образом, существование нематичности вблизи перехода в сверхпроводящее состояние является общим свойством железосодержащих сверхпроводников. Аналогичная подзадача (обнаружение топологических состояний) стояла и в ходе исследования ряда образцов FeSe с частичным замещением в катионной (Fe на Co) или анионной (Se на S) подрешетках с применением метода ядерного магнитного резонанса. В этом случае также не удалось доказать существования топологически обусловленных фаз, однако были получены важные нетривиальные результаты, углубляющие наши представления о механизме возникновения сверхпроводимости в Fe-содержащих сверхпроводниках. Еще одно экзотическое состояние, которое может приводить к возникновению свойств Вейлевского полуметалла, связано с магнитными геликоидальными фазами. Есть примеры, когда геликоидная фаза переходит в скирмионные фазы под действием магнитного поля. В последнее время появился ряд работ, указывающих на возможность осуществления топологической сверхпроводимости на интерфейсе сверхпроводник - магнетик. Среди соединений, обладающих геликоидальной магнитной структурой, особое место занимает фосфид железа FeP, относящийся к структурному типу MnP. При температуре ниже 120 К FeP переходит в магнитоупорядоченное состояние двойной несоразмерной геликоиды. Интересно отметить, что вплоть до настоящего времени причина раздвоения геликоиды остаётся невыясненной, так как в кристаллической структуре FeP имеется только один кристаллографически независимый атом железа. Интерес к изучению этого явления подогревается еще и тем, что изоструктурные фосфиду железа пниктиды MnP и CrAs, также проявляющие свойства двойных гелимагнетиков, при понижении температуры под давлением переходят в сверхпроводящее состояние. Для детального исследования данного явления большое значение имеет возможность синтеза фосфида железа в виде крупных монокристаллов. Задача выращивания таких монокристаллов была решена с использованием оптимизированного метода иодидного транспотра. Были получены монокристаллы FeP массой до 500 мг и объемом до 80 мм3, Высокое качество кристаллов подтверждено с помощью рентгеноспектрального микроанализа, ПЭМ высокого разрешения, низкотемпературной монокристальной рентгеновской дифракции, а также нейтронной дифракции на крупных монокристаллах. Исследования транспортных и магнитных свойств полученных монокристаллов подтвердили их высокое качество. Исследование полученных монокристаллов методами неупругого рассеяния нейтронов и ЯМР спектроскопии на ядрах 31P позволило существенно продвинуться в понимании природы возникновения двойной геликоидальной структуры. Следует отметить, что разработанный метод выращивания крупных монокристаллов методом иодидного газового транспорта будет применен нами и для получения других соединений.

 

Публикации

1. Гиппиус А.А., Ткачев А.В., Журенко С.В., Махаян А.В., Бюттген Н., Шедлер М., Чернявский И.О., Морозов И.В., Асвартхам С., Бюхнер Б., Москвин А.С. NMR study of magnetic structure and hyperfine interactions in binary helimagnet FeP PHYSICAL REVIEW B, - (год публикации - 2020)

2. Кушниренко Ю.С., Евтушинский Д.В., Ким Т.К., Морозов И., Харнагея Л., Врумель С., Асвартхам С., Бюхнер Б., Чебуков А.В., Борисенко С.В. Nematic superconductivity in LiFeAs PHYSICAL REVIEW B, v. 102, 184502 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.184502

3. С.Х. Баек, Д.М. Ок, Д.С. Ким, Асвартхам С., Морозов И., Чареев Д., Урата Т., Танигаки К., Танабе Й., Бюхнер Б., Ефремов Д.В. Separate tuning of nematicity and spin fluctuations to unravel the origin of superconductivity in FeSe npj Quantum Materials, v. 5, 8 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1038/s41535-020-0211-y

4. Строганова Е.А., Троянов С.И., Морозов И.В., Кузнецов А.Н. Bismuth Polycations Revisited: Alternative Synthesis and Electronic Structure of Bi6Br7, and Bonding in Main-Group Polyatomic Ions from a Direct Space Perspective Crystals, v. 10, 940 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/cryst10100940

5. Суханов А.С., Никитин С.Е., Павловский М.С., Стерлинг Т.С., Андрюшин Н.Д., Камерон А.С., Тимошенко Ю.В., Волкер Х. С., Морозов И.В., Чернявский И.О., Асвартхам С., Резник Д., Иносов Д.С. Lattice dynamics in the double-helix antiferromagnet FeP Physical Review Research, - (год публикации - 2020)

6. Чернявский И.О., Никитин С.Е., Оникиенко Ю.А., Иносов Д.С., Шталь К, Гек Й., Хонг К.С, Хесс С., Гасс С., Вольтер А. У. Б., Вольф Д., Лубк А., Ефремов Д.В., Йокаичия Ф., Асвартхам С, Бюхнер Б., Морозов И.В. Incommensurate magnet iron monophosphide FeP: Crystal growth and characterization PHYSICAL REVIEW MATERIALS, v. 4, 083403 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.083403

7. Шилов А.И., Перваков К.С., Тафеенко В.А., Морозов И.В. New Ternary Bismuthides NaZnBi and NaCdBi: Synthesis and Crystal Structures Russian Journal of Coordination Chemistry, Vol. 46, No. 9, pp. 622–630 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S1070328420090043

8. Воробьёва А.А., Вольтер А., Ефремов Д., Морозов И.В., Асвартхам С., Врумель С., Бюхнер Б., Синтез и свойства монокристаллов LiFeAs с электронным и дырочным допированием в катионной подрешетке Тезисы XIX Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: материалы для генерации, преобразования и хранения энергии», online, Москва, с. 108 (год публикации - 2020)

9. Максутова А.И., Морозов И.В., Евтушинский Д. Синтез и свойства слоистых фосфидов Ba(A1-xBx)2P2 (A, B = Mn, Cr, Co, Ni) Тезисы XXVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2019», секция «Химия», Москва, с. 415 (год публикации - 2019)

10. Максутова А.И., Морозов И.В., Евтушинский Д., Хенрик М. Рённов, Багнон П., Магрез А., Би Вен Хуа Synthesis and properties of layered phosphides Ba(A1-xBx)2P2 (A, B=Cr, Mn, Co, Ni)– analogues of superonducting family 122 Book of abstracts. 5th EUCHEMS INORGANIC CHEMISTRTY CONFERENCE (EICC-5). Moscow, p. 282 (год публикации - 2019)

11. Максутова А.И., Морозов И.В., Евтушинский Д., Хенрик М. Рённов, Багнон П., Магрез А., Би Вен Хуа Synthesis and properties of layered phosphides Ba(A1-xBx)2P2 and germanides Y(A1-xBx)2Ge2 (A, B=Cr, Mn, Co, Ni) - analogues of superconducting family 122 XXI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Book of abstracts. Saint Petersburg, Volume 2b: Book of abstracts. Chemistry and technology of materials, p. 277 (год публикации - 2019)

12. Силкин И.Г., Чернявский И.О., Пресняков И.А., Морозов И.В. Магнитная структура и сверхтонкие взаимодействия в пниктидах FeAs1-xPx (0 ≤ x ≤ 0.5) Тезисы XIX Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: материалы для генерации, преобразования и хранения энергии», online, Москва, с. 205 (год публикации - 2020)

13. Шилов А.И., Морозов И.В., Перваков К.С. Single crystals of binary and ternary bismuthides: synthesis and properties XXI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Book of abstracts. Saint Petersburg, Volume 2b: Book of abstracts. Chemistry and technology of materials, p. 408 (год публикации - 2019)

14. Шилов А.И., Морозов И.В., Перваков К.С., Тафеенко В.А. Монокристаллы тройных висмутидов: синтез и свойства Тезисы XVIII Всероссийской конференции с международным участием "Актуальные проблемы неорганической химии К 150-летию Периодического закона Д.И.Менделеева", ООО "Адмирал принт" Москва, с. 74 (год публикации - 2019)


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
З1. Модификация свойств дираковских и вейлевских полуметаллов при помощи химического давления: интеркаляция и допирование в слоистых ДПМ и ВПМ. Впервые методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) был изучен переход дираковский полуметалл –тривиальный полупроводник на примере образцов монокристаллов дираковского полуметалла Cd3As2 с различным уровнем замещения кадмия на цинк. Полученные результаты наглядно демонстрируют динамику расхождения конусов Дирака по мере увеличения уровня замещения. Оказалось, что первый образец по уровню замещения находится близко к критической точке, однако, он уже соответствует состоянию полупроводника с шириной запрещённой зоны около 250 мэВ. Таким образом, критическую точку следует искать при меньшем уровне замещения. Новыми перспективными объектами – топологическими полуметаллами с возможностью подстройки функциональных свойств, могут оказаться висмутовые аналоги железосодержащих сверхпроводников семейств 111 и 122, которые были впервые получены в ходе выполнения данного проекта. Подтвержден металлический характер проводимости NaZnBi. монокристаллы NaCdBi подготовлены для проведения исследования методом ARPES.Подобраны условия кристаллизации и выращены монокристаллы NaZnSb1-xBix с частичным замещением сурьмы на висмут (x=0.08, 0.13) – перспективные с точки зрения проявления топологически обусловленных свойств. Впервые получены новые висмутсодержащие аналоги железных сверхпроводников семейства 122 RbCd2Bi2, KZn2Bi2 и RbZn2Bi2, в виде монокристаллов с размерами до 5-7 мм. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, все полученные соединения относятся к структурному типу ThCr2Si2 (пр.гр. I4/mmm) и состоят из антифлюоритоподобных слоёв [TBi], разделенных слоями катионов A. Слои [TBi] образованы плоской квадратной сеткой из атомов T= Zn, Cd, а атомы висмута размещаются в шахматном порядке над и под центрами этих квадратов. Тетраэдры [TBi4] вытянуты вдоль оси C4i, проходящей через два ребра этого тетраэдра, атомы щелочного металла заполняют пространство между антифлюоритоподобными слоями так, что образуют прямоугольные тетрагональные призмы [ABi8]. Указанные соединения не подчиняются формализму Цинтля и являются электрон-дефицитными. Для известных в литературе аналогов (например, CsMn2P2 и RbFe2As2), баланс по зарядам выполняется за счет частичного повышения степени окисления d-металла до +3. Однако для полученных нами соединений подобное распределение формальных зарядов неприменимо из-за недоступности степени окисления +3 для d10-металлов. Для соединения RbCd2Bi2 наблюдаемая проблема, по-видимому, решается за счет образования связей Bi-Bi с участием атомов висмута из разных слоёв, что сопровождается сильным сближением слоёв друг к другу. Действительно, в структуре RbCd2Bi2 расстояние между атомами Bi составляет 3.84 Å, что заметно меньше суммы эффективных ионных радиусов Bi3-. Образование межслоевых димеров [Pn2]4- известно для структурного типа ThCr2Si2. Оно приводит к так называемому эффекту схлопывания слоёв (the layered structure "collapses"): значительному уменьшению отношения параметров c/a, при этом формальная степень окисления пниктогена меняется от -3 до -2. Замена кадмия на цинк ведёт к существенному удлинению ячейки вдоль оси с, в результате расстояние Bi- -Bi увеличивается до 4.30-4.54 Å, таким образом, эффект схлопывания слоёв для соединений RbZnBi и KZnBi не наблюдается. При этом вопрос о том, как решается проблема электронного дефицита в структурах AZn2Bi2 остаётся открытым. Необычное электронное строение полученных висмутидов семейства 122 может приводить к интересным магнитным и электронным свойствам, о чём свидетельствуют предварительные данные ARPES. Так, проведенные измерения на трех монокристаллах показали воспроизводимую картину зон Бриллюэна, напоминающую сверхпроводящие купраты, что может свидетельствовать о возможном проявлении важных квантовых кооперативных состояний, включая волны зарядовой плотности, топологически обусловленные свойства и сверхпроводимость. Богатые возможности по дырочному и электронному допированию соединений семейства 122, а также воздействию химического сжатия путем изо- и гетеровалентного замещения делает полученные соединения перспективными объектами, сочетающими свойства топологических полуметаллов с другими интересными функциональными свойствами, которые можно менять в широких пределах путем химического модифицирования. С использованием оптимизированной методики ХТР (транспортер – Hg2Br2) удалось получить кристаллы Bi4Br4 порядка 0.8-0.9 см. Также была разработана методика ХТР для получения кристаллов тройных соединений Bi4I4-xBrx (транспортеры HgI2 и Hg2Br2), в результате были получены кристаллы <1 мм. Методика нуждается в совершенствовании. На самом современном уровне проведен анализ деталей зонной структуры Bi4Br4 и Bi4I4-xBrx, определены эффективные массы и подвижность носителей заряда, ширина и тип запрещенной зоны, особенности транспортных свойств. Показано, что наиболее перспективными с точки зрения проявления топологических свойств являются Bi4Br4 и Bi4Br3I. Разработана методика твердофазного синтеза с длительной (~60 мин.) механохимической активацией, с применением которой впервые получены однофазные образцы Bi2TeI0,95Br0,05 и Bi3TeI0,95Br0,05. С использованием разработанной методики роста кристаллов собирательной рекристаллизацией удалось получить кристаллы состава, близкого к Bi2TeI0.4Br0.1¬. Детальный анализ зонной структуры Bi2TeBr и смешанных теллуробромид-иодидов указывает на высокую перспективность проявления нетривиальных топологических свойств составами между Bi2TeBr и Bi2TeBr0.5I0.5. Осуществлен синтез монокристаллических образцов LiFe1TMxAs с частичным замещением железа на 3- и 4d-металлы, включая дырочное (TM = V), электронное (TM = Co, Rh, Pd) и изоэлектронное (TM = Ru) допирование. с целью достижения перехода в топологически обусловленное состояние. Ввиду высокой гигроскопичности как исходных веществ (Li, Li3As), так и продуктов (LiFe1-xTMxAs), все стадии приготовления реакционной смеси, отделения полученных кристаллов от флюса, а также подготовки монокристаллов для последующих исследований были проведены в перчаточном боксе в атмосфере сухого аргона с содержанием O2 и H2O не более 0.1 ppm. В результате оптимизации условий синтеза были получены образцы монокристаллов с размерами до 10× 6 ×0,3 мм3 . Уровень замещения x в монокристаллах LiFe1-xTMxAs установлен методом РСМА и подтвержден изменением параметра c кристаллической ячейки, а именно, его уменьшением в случае TM = Co, Rh, Pd и увеличением в случае TM = V. Путем измерения температурной зависимости магнитной восприимчивости было показано, что с увеличением уровня замещения критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние (Tc) понижается. Скорость уменьшения Tc зависит от металла. Для проверки существования нематического состояния и изучения его характеристик были проведены эксперименты по эласторезистивному эффекту на образцах недопированного LiFeAs, а также образцах с электронным (5,2% Co) и дырочным (2,8% V) допированием. Показано, что в образцах LiFeAs и Li(Fe0.948Co0.052)As не наблюдается устойчивого нематического состояния, в то время как образец с замещением на ванадий Li(Fe0.972V0.028)As проявляет нематические колебания при низких температурах. Таким образом, дырочное допирование приводит к увеличению амплитуды колебания. Действительно, замещение на ванадий способствовало возникновению нематического состояния, однако при таком уровне допирования сверхпроводимость оказалась полностью подавлена. З3. Синтез и исследования новых ДПМ с многократно-вырожденными точками пересечения. С использованием индия в качестве флюса и стеклографитовых тиглей показана возможность выращивания тугоплавких монокристаллов Дираковских полуметаллов с многократно-вырожденными точками пересечения: Ln4Bi3 (Ln=La, Ce). Получить Ba4Bi3, используя индиевый флюс, не удалось, однако из этого расплава были получены относительно крупные кристаллы Ba5In4Bi5, проявляющие топологические свойства, и представляющие интерес для дальнейших исследований зонной структуры. Методом кристаллизации из висмутового флюса синтезирован ранее неизветсный висмутид бария -золота. Пластинчатые кристаллы с металлическим блеском были исследованы методами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. По результатам РСМА (Ba0.96(1)Au1.87(2)Bi2.17(2)) состав полученных кристаллов близок к BaAu2Bi2. Однако проведенный РСА показал, что полученное вещество не изоструктурно ни с одной из двух близких по составу известных фаз: ВaAu2Sb2 и BaAg1.837Bi2. Расшифровка результатов рентгеноструктурного анализа оказалась осложнена значительной степенью разупорядочения атомов в ячейке и склонностью кристаллов к двойникованию. Опробована методика сольвотермального синтеза в изопропиловом спирте для роста кристаллов Pd3Bi2S2 и Pt3Bi2Se2. Полученные кристаллы тройных соединений недостаточно велики для проведения физических измерений. Расчеты зонной структуры и изучение поверхности Ферми для Pd3Bi2S2 и Pt3Bi2Se2 показывают малую вероятность проявления ими нетривиальных топологических свойств.

 

Публикации

1. Майкл Виссманн, Федерико Кальерис, Сяочэнь Хонг, Сайчаран Асвартам, Анна Воробьева, Игорь Морозов, Бернд Бюхнер и Кристиан Гесс Absence of nematic instability in LiFeAs Physical Review B, V.106, P. 054508 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.054508

2. Найдюк Ю.Г., Башлаков Д.Л., Квитницкая О.Е., Асвартхам С., Морозов И.В., Чернявский И.О., Шипунов Г., Фукс Г., Дрехслер С. -Л. , Хюнэ Р., Нильш К., Бюхнер Б., Ефремов Д.В. Yanson point-contact spectroscopy of Weyl semimetal WTe2 2D Materials, - (год публикации - )

3. Сикора С., Скуп Й., Граф Л., Шипунов Г., Морозов И., Асвартхам С., Бюхнер Б., Гесс Х., Жиру Р., Дюфолер Дж. Disorder-induced coupling of Weyl nodes in WTe2 Physical Review Research, 2, 3, 033041 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033041

4. Шилов А.И., Перваков К.С., Лысенко К.А., Власенко В.А., Ефремов Д.В., Бюхнер Б., Асвартхам С., Морозов И.В. Synthesis and crystal growth of novel layered bismuthides ATM2Bi2, (A = K, Rb; TM = Zn, Cd) with significant electron-deficient structure Arxiv, - (год публикации - 2021)

5. Заверткина М.В., Строганова Е.А., Кузнецов А.Н. Низкоразмерные субгалогениды и халькогенгалогениды висмута типа Bi4BrxI4-x, Bi2TeBr1-xIx, Bi3TeBr1-xIx Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021., с. 386 (год публикации - 2021)

6. Рахманов Е.О., Шилов А.И., Лысенко К.А., Морозов И.В. Синтез монокристаллов висмутидов: BaAu2Bi2, KZn2Bi2 и RbZn2Bi2 Сборник тезисов XX Конференции молодых учёных "Актуальные проблемы неорганической химии: материалы с функционально активной поверхностью", OOO «Адмирал Принт», Москва, с. 193 (год публикации - 2021)

7. Силкин И.Г., Пресняков И.А., Морозов И.В. Структура и магнитные свойства бинарных пниктидов переходных металлов Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021., с. 477 (год публикации - 2021)

8. Шилов А.И., Перваков К.С., Власенко В.С., Лысенко К.А., Морозов И.В. Новые тернарные соединения тяжелых пниктидов: RbCd2Bi2 и Rb2Cd5Sb4. Синтез и кристаллическая структура. Сборник тезисов международной конференции молодых ученых "Кристаллохимические аспекты создания новых материалов: теория и практика", М.: “КДУ”, “Добросвет”, Кафедра кристаллографии и кристаллохимии Геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, с. 87 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31453/kdu.ru.978-5-7913-1192-4-2021-90


Возможность практического использования результатов
на данном этапе не очевидна