Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течение отчетного периода были проведены работы по синтезу, структурной характеризации и исследованию магнитных и транспортных свойств пленок MAl2Ge2, имеющих слоистую тригональную структуру, а именно EuAl2Ge2, GdAl2Ge2 и SrAl2Ge2. Для синтеза была использована подложка Ge(111), служащая также реагентом, из-за структурной и симметрийной близости к материалам MAl2Ge2. Мы рассмотрели четыре варианта синтеза пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии. I вариант – прямой синтез соосаждением M и Al. Его общей проблемой является образование кристаллитов со слоями, не параллельными поверхности, что связано со значительным расхождением параметров решеток Ge(111) и MAl2Ge2. II вариант – двухстадийный синтез, в котором сначала действием металла M образуется пленка MGe2 на Ge(111), а затем действием Al она переводится в MAl2Ge2. Основной проблемой такого синтеза является значительное замедление диффузии Al с толщиной, что позволяет получать эпитаксиально только очень тонкие пленки MAl2Ge2. III вариант – сочетание предыдущих двух: сначала двухстадийным синтезом получается зародышевый слой MAl2Ge2, а затем основная пленка доращивается соосаждением M и Al. Такой вариант синтеза оказался предпочтительным для EuAl2Ge2 и GdAl2Ge2. IV вариант – модификация предыдущего, при котором выделения зародышевого слоя MAl2Ge2 не происходит, а пленка синтезируется соосаждением М и Al на зародышевом слое MGe2. Такой вариант синтеза лучше всего подошел для SrAl2Ge2. Во всех случаях параметры роста пленок, такие как температура подложки и потоки реагентов, были оптимизированы. Атомная структура пленок была изучена комбинацией 3 методов. В ростовой камере, непосредственно во время синтеза, применялся метод дифракции быстрых электронов. С его помощью осуществлялся контроль за структурой и морфологией поверхности пленок. Также на его основе были определены латеральные параметры решеток MAl2Ge2. Полученные пленки далее были исследованы методом рентгеновской дифракции, которым контролировалась фазовая чистота материалов и определялись параметры решеток MAl2Ge2 перпендикулярные слоям. Микроструктура пленок была определена методами электронной микроскопии. В случаях EuAl2Ge2 и GdAl2Ge2 наполовину заполненные f-оболочки ионов Eu и Gd определяют магнитные свойства материалов. Их анализ был осуществлен с помощью СКВИД-магнитометрии. Были измерены температурные и полевые зависимости намагниченности в зависимости от ориентации магнитного поля. На их основании были сделаны выводы о возникновении антиферромагнитного упорядочения моментов в EuAl2Ge2 и GdAl2Ge2, построены соответствующие фазовые диаграммы. Любопытно, что характерные магнитные поля, необходимые для параллельного выстраивания моментов в EuAl2Ge2 и GdAl2Ge2 сильно различаются. Также был исследован электронный транспорт во всех системах, определены сопротивление, магнетосопротивление и эффект Холла в зависимости от температуры, величины и направления магнитного поля. Для магнитных материалов EuAl2Ge2 и GdAl2Ge2 получены фазовые диаграммы, описывающие магнитные переходы. Интересно, что зависимость сопротивления GdAl2Ge2 от магнитного поля имеет явно выраженный гистерезис, наблюдаемый между двумя магнитными переходами в материале. Для материалов на основе двухзарядных катионов, SrAl2Ge2 и EuAl2Ge2, обнаружена аномально высокая подвижность носителей заряда, как электронов, так и дырок.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный период были проведены работы по синтезу тонких пленок MAlSi на кремнии, анализу их атомной структуры, исследованию их магнитных свойств и изучению латерального электронного транспорта в полученных материалах. Были исследованы 4 вида материалов MAlSi – тригональные полиморфные модификации EuAlSi, GdAlSi и SrAlSi, а также тетрагональная полиморфная модификация EuAlSi. Методом синтеза служила молекулярно-лучевая эпитаксия, позволяющая проводить реакции с кинетическим контролем на уровне монослоев. Это важно, так как не все материалы MAlSi термодинамически стабильны. Более того, тригональная полиморфная модификация GdAlSi и тетрагональная полиморфная модификация EuAlSi не были ранее известны. Для стабилизации материалов использовались подходящие по структуре и симметрии поверхности – Si(111) для тригональных и Si(001) для тетрагональной полиморфной модификации. Кроме того, подложка кремния служила одним из реагентов в синтезе MAlSi. Мы использовали различные варианты синтеза, простейшим из которых было соосаждение металла М и алюминия на поверхность кремния. Этот вариант не всегда оптимален, так как рассогласование решеток материала MAlSi и кремния может приводить к срыву эпитаксии. Для решения этой проблемы мы провели более сложные синтезы, в которых перед стадией получения MAlSi на кремнии синтезировался тонкий подслой материала, стабилизирующего эпитаксиальный рост. Были исследованы различные варианты таких подслоев, прежде всего дисилициды соответствующих металлов MSi2. Альтернативой служили соединения MAl2Si2, получаемые топохимической реакцией MSi2 с алюминием. В случае тригональной полиморфной модификации EuAlSi был также осуществлен синтез на подслое изоструктурного SrAlSi. Как результат, для каждого из заявленных соединений MAlSi получены эпитаксиальные пленки. Были оптимизированы параметры синтеза пленок, такие как температура подложки и потоки атомов металлов. Необходимо отметить, что стабилизация материалов обусловлена как методом синтеза, так и связью с подложкой. Это хорошо видно на примере пленок тригональной полиморфной модификации GdAlSi – при росте пленки до толщин, превышающих 20 монослоев, происходит спонтанная перекристаллизация материала в стабильную тетрагональную полиморфную модификацию GdAlSi. Атомная структура пленок была изучена методами дифракции. Во время синтеза структурные превращения контролировались с помощью дифракции быстрых электронов. Этот метод чувствителен к состоянию поверхности образца. Такие исследования позволили определить латеральные параметры решеток и получить информацию о типе роста материала, его морфологии и кристалличности, ориентации материала пленки по отношению к подложке, фазовой чистоте продукта реакции. Дальнейшее исследование структуры, уже вне ростовой камеры, осуществлялось методом рентгеновской дифракции. Полученные данные позволили рассчитать параметры решетки в направлении нормальном к поверхности подложки, сделать выводы о кристаллическом совершенстве пленок, фазовом составе и эпитаксиальном характере пленок MAlSi. Были проведены исследования магнитных свойств пленок с помощью СКВИД-магнитометрии. Измерены температурные зависимости магнитной восприимчивости в разных полях, а также полевые зависимости для разных температур. Исследовано ферромагнитное состояние в тригональном EuAlSi, а также антиферромагнитное состояние в тетрагональном EuAlSi. В GdAlSi найдено ферромагнитное состояние при температурах ниже 40 K; в области низких температур обнаружен значительный эффект обменного смещения. Измерения AC магнитной восприимчивости в пленках SrAlSi позволили исследовать сверхпроводящие свойства материала и найти зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины пленки. Во всех материалах был исследован латеральный электронный транспорт, определены сопротивление, магнетосопротивление и эффект Холла в зависимости от температуры и магнитного поля. Установлено, что все материалы являются металлами. Для GdAlSi удалось получить фазовую H-T диаграмму. Температурные зависимости сопротивления, отрицательное магнетосопротивление и гистерезисные явления подтверждают магнитные переходы в EuAlSi и GdAlSi. Для SrAlSi определены сверхпроводящие свойства. Выявлены два режима зависимости температуры сверхпроводящего перехода от толщины пленки, границей между которыми служит длина когерентности сверхпроводника.