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 22-42-02021
НазваниеПоиск новых топологических материалов - совместное теоретическое и экспериментальное исследование
РуководительЛукоянов Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры
Ключевые словатопологические материалы, сплавы Гейслера, электронная структура, дираковские полуметаллы, вейлевские полуметаллы
Код ГРНТИ29.19.24
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Топологические материалы - один из наиболее важных классов квантовых материалов, которые сегодня активно исследуются во всем мире в области физики конденсированного состояния. Такие материалы имеют очень яркие особенности зонной структуры, которые приводят к формированию необычных физических свойств данных соединений, важных как с точки зрения фундаментальной физики, так и приложений. Целью данного проекта является совместный теоретико-экспериментальный поиск и исследование новых материалов с топологическими особенностями из семейства сплавов Гейслера и других топологических материалов для поликристаллических, монокристаллических и тонкопленочных образцов. Выбранные для изучения классы топологических полуметаллов и изоляторов, а также сплавов Гейслера различного состава, уже показали огромный потенциал открытия новых топологических соединений: топологических изоляторов, дираковских и вейлевских полуметаллов. Все они имеют особенности зонной структуры, которые отличают их от обычных изоляторов или полуметаллов благодаря сильной спин-орбитальной связи и необычной зонной структуре. В ходе выполнения проекта будут определены новые потенциальные материалы из различных классов сплавов Гейслера различных типов с помощью подробных расчетов методами на базе DFT с использованием наиболее современных вычислительных пакетов с учетом спин-орбитальной связи и других взаимодействий, а также аппарата функций Ванье. Будут проведены синтез и всестороннее экспериментальное исследование монокристаллов топологического изолятора Bi2Te3 (чистого и допированного примесями ферромагнетика (железо) и антиферромагнетика (хром)), топологических полуметаллов WTe2 и MoTe2, допированных примесями ферромагнетика (железо) и антиферромагнетика (хром), монокристаллов топологических полуметаллов WTe2 и MoTe2. Для всех новых материалов будут выполнены теоретические расчеты зонной структуры, ARPES спектров, других физических свойств. В результате проведенных исследований будут получены новые данных об электронных, магнитных, магнитотранспортных и спинполяризационных характеристиках новых синтезированных топологических материалов, на базе проведенных теоретических расчетов будет изучена корреляция между их кристаллической структурой-зонной структурой-топологическими свойствами.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут определены новые потенциальные материалы из различных классов сплавов Гейслера различных типов с помощью подробных расчетов методами на базе DFT с использованием наиболее современных вычислительных пакетов. Будут проведены синтез и всестороннее экспериментальное исследование монокристаллов топологического изолятора Bi2Te3 (чистого и допированного примесями ферромагнетика (железо) и антиферромагнетика (хром)), топологических полуметаллов WTe2 и MoTe2, допированных примесями ферромагнетика (железо) и антиферромагнетика (хром), монокристаллов топологических полуметаллов WTe2 и MoTe2. Для всех новых материалов будут выполнены теоретические расчеты зонной структуры, ARPES спектров, других физических свойств. Определение потенциальных топологических материалы из различных классов сплавов Гейслера (половинные, полные, обратные и эквиатомные составы на основе различных 3d и 4d элементов, таких как Mn, Cr, Rh и др.) будет выполняться с помощью расчетов методами на основе DFT с учетом спин-орбитальной связи и на основе аппарата функций Ванье. Экспериментальное подтверждение топологических особенностей будет выполнено с помощью метода фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), полученные экспериментальные спектры будут сравнены с рассчитанным теоретически. Будут получены результаты теоретических исследований влияния различных расчетных приближений DFT на стабильность структуры, спектральные, магнитные и оптические характеристики сплавов Гейслера и других исследуемых топологических материалов. В результате проведенных исследований будут получены новые данных об электронных, магнитных, магнитотранспортных и спинполяризационных характеристиках новых синтезированных топологических материалов, на базе проведенных теоретических расчетов будет изучена корреляция между их кристаллической структурой - зонной структурой - топологическими свойствами. Полученные результаты будут опубликованы в ведущих международных журналах, представлены на крупнейших международных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год выполнения проекта были проведены теоретические расчеты электронной структуры, магнитных и других свойств новых составов сплавов Гейслера для поиска новых перспективных соединений. Выполнены теоретические расчеты и синтез нового состава MnNi0.7Fe0.3Ge сплава Гейслера MnNi1-xFexGe. Получены данные измерений его магнитных, калорических и транспортных свойств. Рассчитана электронная структура бинарных полуметаллов GdSb и TbSb. Расчеты спин-поляризованной зонной структуры выполнены в рамках метода с учетом сильных электронных корреляций в редкоземельных ионах. Исследовано влияние спин-орбитального взаимодействия на зонную структуру. Характеристики зон вблизи энергии Ферми находятся в хорошем согласии с предыдущими экспериментальными данными ARPES. Расчеты из первых принципов показали, что изоструктурные соединения GdSb и TbSb представляют собой полуметаллы с электронно-дырочной компенсацией и качественно близким электронным строением. Методом Бриджмена-Стокбаргера выращены объемные монокристаллы топологического изолятора теллурида висмута - чистого Bi2Te3 и допированных примесями ферромагнетика (Bi0.97Fe0.03)2Te3 и антиферромагнетика (Bi0.97Cr0.03)2Te3. Структурная аттестация синтезированных кристаллов выполнена методами рентгеноструктурного анализа, рентгеноспектрального микроанализа и сканирующей электронной микроскопии. Проведены измерения электросопротивления, магнитных и гальваномагнитных свойств выращенных монокристаллов в интервале температур от 4.2 до 300 K и в магнитных полях до 100 кЭ. Дополнительно выращен монокристалл топологического изолятора селенида висмута Bi2Se3, проведена его структурная аттестация, а также измерения его электронных свойств. Экспериментально исследованы оптические свойства GdSb и TbSb. Аномальное поведение оптических характеристик в инфракрасной области связано с полуметаллическими свойствами этих материалов. Дополнительно проведены расчеты электронной структуры и магнитных свойств соединений ErNiSb и ErSb теоретическим методом с учетом электронных корреляций. Выявлены топологические особенности зонной структуры, проявляющиеся в зонной структуре как узкозонного полупроводника ErNiSb, так и полуметалла ErSb. Участники проекта представили научные результаты на ведущих международных и российских конференциях и симпозиумах, в том числе, на одной международной конференции, проводившейся в Индии. Был выполнен один визит руководителя российского проекта в группу индийских коллег. Результаты работы опубликованы в нескольких статьях в рецензируемых научных журналах.
Публикации
1. Князев Ю.В., Кузьмин Ю.И., Байдак С.Т., Лукоянов А.В. Investigation of semimetallic properties of GdSb and TbSb compounds: A first-principle and optical study Solid State Sciences, 107085 (2022) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.107085
2. Лукоянов А.В., Байдак С.Т. Ab initio investigation of electronic structure and topological features in ErNiSb and ErSb compounds IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1263, 012026 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1757-899X/1263/1/012026
3. Перевалова А.Н., Наумов С.В., Подгорных С.М., Чистяков В.В., Марченкова Е.Б., Фоминых Б.М., Марченков В.В. Кинетические свойства монокристалла топологического полуметалла WTe2 Физика Металлов и Металловедение, 123, 1131-1137 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0015323022601155
4. Саматам С.С., Патель А.К., Мишра А.К., Лукоянов А.В., Граматеева Л.Н., Лахани А., Ведачалайер Г., Суреш К.Г. Experimental and Theoretical Investigations of Fe-Doped Hexagonal MnNiGe ACS Omega, 7, 18110-18121 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsomega.2c01571
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Методом химического газового транспорта, с использованием брома в качестве транспортного агента, выращены объемные монокристаллы топологического полуметалла MoTe2. Методами рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, а также электронной сканирующей микроскопии выполнена структурная аттестация синтезированных кристаллов MoTe2. Измерены электросопротивление и эффект Холла монокристаллов топологического полуметалла MoTe2 и монокристаллов топологических изоляторов Bi2Te3 и Bi2Se3. Были выполнены теоретические исследования электронной структуры новых сплавов Гейслера для поиска новых перспективных материалов, в том числе четверных сплавов в кубической решетке на основе Fe и Mn. Выполнены синтез и теоретические расчеты сплава Mn2PtAl с гексагональной структурой, в котором обнаружено почти компенсированное ферримагнитное состояние ниже 90 К, подтверждающееся теоретическими расчетами, а также гигантское обменное смещение. Электронная и зонная структуры интерметаллидов на основе Gd и Sb (GdSb, GdNiSb, Gd4Sb3, GdSbS2O и GdSb2) исследованы с использованием теоретических методов, учитывающих сильные электронные корреляции электронов Gd-4f, а также спин-орбитальное взаимодействие. Изучение свойств данных соединений выявило разнообразие полуметаллических (half-metallic и semimetallic), полупроводниковых или металлических состояний, а также топологические особенности в некоторых из них. Экспериментально исследованы оптические свойства соединения GdNiSb. Обнаружено аномальное для металлов поведение оптической проводимости в инфракрасной области спектра, подтверждающее наличие энергетической щели на уровне Ферми в электронном спектре, предсказываемое в расчете. Получено отличное согласие экспериментальных и теоретических данных по оптической проводимости данного соединения. Дополнительно проведены расчеты электронной структуры и зон GdNiSb при сжатых объемах ячеек, соответствующих приложенному давлению. Обнаружено, что в узкозонном полупроводнике GdNiSb при определенном давлении может быть реализован бесщелевой полупроводник, а при больших давлениях происходит закрытие щели с появлением особенности зонной структуры типа точки Дирака. Результаты исследований по проекту опубликованы в нескольких статьях в рецензируемых научных журналах. Участники научного коллектива представили научные результаты по проекту на 13 ведущих международных и российских конференциях и семинарах, в том числе, на международной конференции в Индии, в ходе которой прошли научные встречи и представлены приглашенные доклады руководителей российской и индийской научных групп данного международного проекта.
Публикации
1. Байдак С.Т., Лукоянов А.В. Common topological features in band structure of RNiSb and RSb compounds for R = Tb, Dy, Ho Materials, 16, 242 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16010242
2. Байдак С.Т., Лукоянов А.В. Semimetallic, half-metallic, semiconducting, and metallic states in Gd-Sb compounds International Journal of Molecular Sciences, 24,8778 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms24108778
3. Марченков В.В., Лукоянов А.В., Байдак С.Т., Перевалова А.Н., Фоминых Б.М., Наумов С.В. Electronic structure and transport properties of Bi2Te3 and Bi2Se3 single crystals Micromachines, 4, 1888 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/mi14101888
4. Патель А.К., Саматам С.С., Лукоянов А.В., Бабу П.Д., Суреш К.Г. Nearly compensated ferrimagnetic behaviour and giant exchange bias of hexagonal Mn2PtAl: experimental and theoretical studies Physical Chemistry Chemical Physics, 2022, 24, 29539 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/d2cp02643k
5. Перевалова А.Н., Наумов С.В., Марченков В.В. Peculiarities of the electro- and magnetotransport in semimetal MoTe2 Metals, 2022, 12, 2089 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/met12122089
6. - Ученые обнаружили новые свойства в материалах на основе сурьмы Новости Уральского федерального университета, - (год публикации - )