Аннотация результатов, полученных в 2019 году
При достижении слоистым материалом толщин порядка одного монослоя возникают новые электронные состояния и свойства. Недавно удалось получить несколько двумерных материалов, обладающих ферромагнитными свойствами. Они демонстрируют гигантское туннельное магнитосопротивление, геликоидальную фотолюминесценцию, контроль над магнитным состоянием с помощью электрических полей и электростатического допирования. В то же время, эти материалы имеют мало общего между собой с точки зрения состава и атомной структуры. Мы поставили себе задачу найти целый класс двумерных ферромагнетиков. В качестве такого класса мы предложили металлоксены - соединения, образованные чередующимися слоями металла и ксена, элементного аналога графена. В первый год проекта мы исследовали синтез, атомную структуру, магнитные и транспортные свойства двумерных материалов на основе германена. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии мы синтезировали пленки EuGe2 и GdGe2. В этих материалах ионы европия и гадолиния обладают полузаполненной f-оболочкой, приводящей к значительным локальным магнитным моментам. Для сравнения мы рассмотрели также изоструктурный материал SrGe2, в котором локальные магнитные моменты отсутствуют. Синтез мы осуществили путем взаимодействия атомов металла с подложкой Ge(111). Выбор грани (111) позволил добиться стабилизации слоистых полиморфных модификаций материалов и ориентации германеновых слоев вдоль поверхности пленки. Нами подобраны параметры синтеза и получены пленки MGe2 различной толщины, от десятков до нескольких монослоев, вплоть до одного монослоя. Превосходное структурное качество образцов установлено различными методами. В ростовой камере контроль за состоянием поверхности осуществлялся методом дифракции быстрых электронов. Вне ростовой камеры проведены исследования методом рентгеновской дифракции. Микроструктура пленок определена исследованием поперечных сечений методами аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. В результате были установлены фазовая чистота образцов, атомная резкость границ пленок, степень гофрированности германеновых слоев, параметры решетки. Тщательно исследованы магнитные свойства полученных структур методами СКВИД-магнитометрии. Мы определили, что толстые пленки EuGe2 и GdGe2 проявляют выраженный трехмерный антиферромагнетизм. Двумерные пленки EuGe2 и GdGe2 обнаруживают значительный ферромагнетизм, проявляемый как в полевых, так и температурных зависимостях магнитного момента. Двумерная природа ферромагнетизма подтверждена значительной зависимостью эффективной температуры Кюри от малых магнитных полей. В EuGe2 ферромагнитные свойства выражены сильнее, чем в GdGe2, что проявляется в большем моменте насыщения. Мы тщательно исследовали переход от 3D антиферромагнетизма толстых пленок к 2D ферромагнетизму в нескольких слоях, нашли переходную область, где сосуществование магнитных порядков приводит к обменному смещению. Спиновая природа магнетизма и его локализация на слоях металла установлены с помощью рентгеновского магнитного кругового дихроизма. Изменения в магнитной структуре находят отражение и в транспортных свойствах: мы обнаружили смену положительного магнитосопротивления на отрицательное и возникновение аномального эффекта Холла при переходе к двумерным пленкам. Полученные результаты важны для дизайна новых двумерных ферромагнитных материалов для приложений в спинтронике и квантовых вычислениях.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Двумерные материалы обладают целым рядом замечательных свойств, к которым недавно добавились магнитные. Двумерные ферромагнетики представляют особенный интерес, но количество таких материалов по прежнему невелико. Во второй год проекта мы изучили стехиометрические соединения, образованные чередованием слоя силицена и металла, с формулой MSi2. В случае, когда металлом M является европий или гадолиний, такие материалы проявляют выраженные магнитные свойства. Что особенно важно, удалось синтезировать соединения MSi2 с заранее заданным числом монослоев, начиная от одного монослоя. В таких материалах обнаружены необычные свойства, качественно зависящие от количества монослоев. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии синтезированы пленки EuSi2, GdSi2 и SrSi2 со структурой на основе силицена. В первых двух материалах полузаполненные f-оболочки обеспечивают наличие магнитных моментов, тогда как изоструктурные соединения на основе стронция позволяют оценить влияние магнетизма на транспортные свойства. Синтез осуществлен на подложках Si(111), чья поверхность не только служит источником атомов Si в синтезе MSi2, но и обеспечивает стабилизацию необходимой полиморфной модификации с силиценовыми слоями, ориентированными вдоль поверхности подложки. Для каждого металла подобраны оптимальные параметры синтеза. Получены пленки с различным целым количеством монослоев – 1, 2, 3 и 4. Структура, толщина, резкость границ и эпитаксиальное качество пленок подтверждены исследованиями различными методами. В ростовой камере методом контроля за атомной структурой служила дифракция быстрых электронов. Вне ростовой камеры ряд пленок изучен методами рентгеновской дифракции. Микроструктура пленок определена с помощью аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. Исследования подтверждают формирование пленок MSi2 с заданным количеством монослоев на площади с макроскопическими латеральными размерами, что облегчает изучение их свойств. Магнитные свойства пленок на основе Eu и Gd изучены с помощью СКВИД-магнитометрии. В отличие от антиферромагнитных объемных образцов, ультратонкие пленки демонстрируют двумерный ферромагнетизм, зависящий от количества монослоев. Особенно ярко двумерный характер магнетизма проявляется в контроле эффективной температуры Кюри малыми магнитными полями. Для изучения магнитной микроструктуры пленок были проведены исследования MSi2 и их германеновых аналогов MGe2 элемент-селективным методом магнитного кругового дихроизма. Получены сигналы XAS и XMCD для K краев поглощения Si и Ge, L и M краев поглощения Eu и Gd. На основе этих данных подтвержден магнетизм MSi2 и MGe2, определены отдельно магнитные моменты на металле и ксене, проведено разделение моментов на спиновые и орбитальные составляющие, найдены остатки объемного антиферромагнетизма в двумерных ферромагнетиках. Проведены исследования латерального электронного транспорта в материалах MSi2 и MGe2 в зависимости от числа монослоев. Получены данные по температурным и полевым зависимостям сопротивления и эффекта Холла. Выявлены качественно различные законы транспорта для материалов с различным количеством монослоев - от 1 до 4. Найден переход металл-изолятор по толщине MSi2. Обнаружено и исследовано колоссальное магнетосопротивление в монослоях MSi2. Выявлены квазичастицы со значительным эффективным магнитным моментом. Полученные результаты расширяют список свойств двумерных ферромагнетиков. Многослойные структуры таких материалов также оказались интересны, так как проявляют в зарядовом транспорте высокую подвижность носителей с малой эффективной массой и свойства, ассоциированные с нетривиальной топологией электронной структуры. Все запланированные работы за отчетный период выполнены. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговых научных журналах (6 статей), включая 3 статьи в журналах с импакт-фактором выше 12.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на создание двумерных магнитных материалов, совмещая ковалентно связанные двумерные решетки с магнитными атомами металлов, образуя при этом стехиометрические соединения. В предыдущие годы проекта исследованы материалы на основе силицена и германена. В третий год проекта изучены двумерные магниты на основе их родоначальника - графена. Эти магниты комбинируют однослойный или двухслойный графен с редкоземельным элементом - европием или гадолинием. Для сравнения использованы аналогичные системы со стронцием. Работы и результаты третьего года проекта отвечают 3 основным направлениям - синтезу материалов, их структурной характеризации, исследованию и анализу свойств. В отличие от производных силицена и германена, производные графена получаются не взаимодействием металлов с химически активной подложкой Si или Ge, а осаждением металла на уже готовые слои графена. Поэтому количество слоев материала определяется не временем осаждения, а фиксировано количеством слоев исходного графена. Мы синтезировали производные графена с Eu, Gd и Sr методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Нами изучены 2 основных типа синтеза - интеркаляция атомов металла под верхний слой графена и их адсорбция на поверхности графена. Тип синтеза определяется в основном температурой подложки, интеркаляция происходит при более высокой температуре. Для всех материалов оптимизированы параметры синтеза. Пленки покрыты защитным слоем для последующих ex situ экспериментов. Структура всех материалов изучена комбинацией методов. В ростовой камере использована дифракция быстрых электронов. С помощью этого метода установлены структура двумерной решетки атомов металла на графене, качество полученных материалов. Дальнейшее изучение материалов выполнено вне ростовой камеры с помощью электронной микроскопии. Нами приготовлены поперечные сечения материалов и исследованы с высоким разрешением в режимах темного и светлого полей. Этим способом подтверждено расположение атомов металла и отсутствие побочных продуктов. Мы исследовали магнитные свойства соединений на основе европия и гадолиния с помощью СКВИД-магнитометрии. Эти исследования показали установление ферромагнетизма, в отличие от антиферромагнетизма многослойных структур. Магнитные моменты ориентированы в плоскости. Температура магнитного перехода управляется слабыми магнитными полями, что свидетельствует о двумерном характере ферромагнетизма. В то же время, магнитные моменты оказались значительно меньше ожидаемых при полной поляризации наполовину заполненных f-оболочек ионов европия и гадолиния. Для того, чтобы найти причину, мы провели дополнительное исследование с помощью рентгеновского магнитного кругового дихроизма. Спектры, снятые в высоких полях, свидетельствуют о сосуществовании ферромагнитного и антиферромагнитного порядков. В полученных материалах проведены исследования латерального транспорта. Для измерений использован четырехконтактный метод со специально подобранными и протестированными металлическими контактами. Исследования показали, что материалы сохраняют свойства исходного графена - низкую эффективную массу и высокую подвижность носителей. В то же время, магнитные монослойные материалы демонстрируют аномальный эффект Холла и отрицательное магнетосопротивление - типичные характеристики, ассоциированные с магнетизмом. По результатам исследований опубликовано 8 статей в ведущих журналах, относящихся к первому квартилю, представлены 3 приглашенных доклада и 5 устных докладов на международных конференциях.