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 22-23-01189

НазваниеКомпьютерный дизайн новых магнитных наноматериалов на основе 2D графеноподобных материалов для устройств магнитной записи и спинтроники.

РуководительКарцев Алексей Иванович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук, Хабаровский край

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словаДвумерные материалы, низкоразмерный магнетизм, теория функционала электронной плотности, магнитный адатом, первые принципы,

Код ГРНТИ31.15.25

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Стремительное развитие цифровых технологий и сопутствующий ему рост объёма передаваемой и обрабатываемой информации ставит новые вызовы перед микроэлектронной промышленностью, предъявляя все большие требования к быстродействию устройств обработки данных и объёму запоминающих устройств. К сожалению, в настоящее время практически достигнуты физические пределы плотности записи информации в запоминающих устройствах и плотности расположения элементов в полупроводниковых чипах и микросхемах. Ввиду этого, современная микроэлектронная индустрии опирающаяся на классические принципы микроэлектроники не способна ответить на поставленные перед ней вызовы так как в ее распоряжении находится компонентная база не обладающая необходимыми характеристиками. Таким образом, встает фундаментальный вопрос о еще большей миниатюризации и оптимизации устройств магнитной записи и спинтроники. Одним из перспективных подходов для решения задачи по созданию устройств нового поколения является разработка новых систем на основе наноматериалов, где возможно манипулирование информацией на уровне единичных атомов, а на выходе имеется приемлемое соотношения сигнала к шуму. Уже сейчас в условиях гелиевых температур получены первые образцы материалов с возможностью записи информации, где одному биту соответствует одиночный магнитный атом на поверхности изолятора [1]. Тем не менее, для развития данного направления и выявления новых систем обладающих большей устойчивостью по отношению к внешней среде и применимых для реального промышленного производства устройств на их основе, необходимо провести дальнейшие систематические исследования по выявлению и созданию наноматериалов данного класса обладающих наилучшими характеристиками. Используя передовые методы компьютерного дизайна материалов, предполагается разработать новые двумерные графеноподобные структуры [2,3], сочетающие в себе уникальные электронные свойства и обладающие высокой магнитной анизотропией [4], и на основе сравнительного анализа их магнитных и электронных свойств выбрать наиболее технологически пригодные для применения в различных отраслях электронной промышленности, ориентированных на изготовление устройств магнитной записи и обработки информации. Поскольку возможность регулирования свойств данных двухмерных соединений путем допирования и изменения подложки, на которой они выращиваются, позволяет производить материалы с требуемыми для потребителей свойствами, то актуальным является проведение теоретических комплексных исследований их электронных и магнитных структур с выявлением трендов их изменений. Такие исследования позволят на основе первопринципного моделирования различных чистых и допированных двумерных материалов с графеноподобной структурой, выращенных на различных подложках, обосновать требования к магнитным и электронным свойствам этих материалов для применения в спинтронике и электронике. Эти результаты будут методологической основой для разработки научно обоснованных технологий получения широкой номенклатуры новых двумерных магнитных материалов, а также изучения и определения влияния примесей и дефектов на их конечные магнитные и электронные свойства. Это, в свою очередь, расширит область применения данных материалов в технике и производстве наноустройств, например, таких как элементы памяти спинтроники и поверхностей с высокой плотностью магнитной записи. Также важно отметить, что в данных материалах можно реализовать структурные состояния, которые трудно или невозможно получать в обычных (массивных или объемных) магнитных образцах. Это существенно увеличивает возможности исследования связи между структурными характеристиками и физическими свойствами двумерных магнитных материалов. Литература: [1] Natterer, Fabian D., Kai Yang, William Paul, Philip Willke, Taeyoung Choi, Thomas Greber, Andreas J. Heinrich, and Christopher P. Lutz. "Reading and writing single-atom magnets." Nature 543, no. 7644 (2017): 226-228. [2] 2D magnetism gets hot. Nature Nanotech 13, 269 (2018). https://doi.org/10.1038/s41565-018-0128-9 [3] Gibertini, M., Koperski, M., Morpurgo, A. F., & Novoselov, K. S. (2019). Magnetic 2D materials and heterostructures. Nature nanotechnology, 14(5), 408-419. [4] Burch, K. S., Mandrus, D., & Park, J. G. (2018). Magnetism in two-dimensional van der Waals materials. Nature, 563(7729), 47-52.

Ожидаемые результаты
По окончанию данного исследования будет проведен последовательный теоретический анализ в рамках современных первопринципных методов, таких как метод функционала плотности, свойств новых двумерных графеноподобных материалов, а так же влияния на них примесей. Наш анализ данных будет опираться на кокретные полученные научные результаты, такие как наиболее стабильные позиции для магнитных атомов и возможное изменение структуры двумерного материала вблизи примеси, спектры зонных структур, распределение плотности электронных состояний, некоторые характеристики механических и магнитных свойств ряда перспективных двумерных материалов с магнитными адатомами на их поверхности. Где, учитывая влияние подложки и внешних полей, планируется прояснить основные физические причины отличий в свойствах данных двумерных и объемных магнитных системах. А исследование влияния вакансий и адатомов на электронные и магнитные структуры данных систем, даст возможность описать их свойства при различной концентрации и кристаллографическом расположении дефектов. Касаемо современного состояния данной области физики конденсированного состояния, было показано, что достаточно широкий класс двумерных материалов с графеноподобной решёткой обладает динамической стабильностью [1-3]. Благодаря sp-d гибридизации и низкому координационному числу в данных бинарных соединениях с магнитными адатомами возможно получение уникальных магнитных и электронных свойств. Предлагаемое нами исследование планируется начать с изучения свойств магнитных 3d адатомов на поверхности двумерных оксидов и нитридов. В частности, поиск перспективных систем планируется начать с оценки магнитной анизотропии динамически стабильных двумерных соединений AlN и ВеO допированных магнитными атомами Mn, Fe, Ni, Co. После проведения расчетов данных систем, область поисковых исследований будет расширена на двумерные магнетики и динамически стабильные оксиды и нитриды той же группы элементов и другие адатомы. Все предполагаемые результаты будут получены впервые. На сегодняшний день масштабные исследования по поиску систем с высокой магнитной анизотропией в основном были проведены для объёмных материалов, однако для двумерных материалов было проведено изучение достаточно узкого класса соединений в обсуждаемом контексте. В основном, усилия были сосредоточены на изучении свойств магнитных адатомов на поверхности графена и его производных [4,5]. В некоторых других хорошо известных двумерных системах, таких как монослои MgO [6-9] и MoS2 [10], так же получены высокие значения магнитной анизотропии. Но в целом, можно утверждать, что данная область физики конденсированного состояния остается достаточно неисследованной, ввиду отсутствия глобального теоретического подхода к магнитным примесям и адатомам в двумерных графеноподобных материалах. Касаемо изучения магнитных свойств 2D магнетиков, в данном направлении были предприняты довольно примитивные усилия [11-13] (базирующиеся на простейшем понимании и не представившие модельного и глубокого физического описания физики магнетизма соединений), что дает основание утверждать, что эта область физики конденсированного состояния остается малоизученной из-за отсутствия глобальной теоретического подхода к изучению магнитных примесей, пьезоэлектричества и свойств адатомам в двумерных графеноподобных материалах. С помощью современных экспериментальных методов, в первую очередь сканирующей туннельной микроскопии, возможно создание и исследование отдельных атомов и атомных кластеров на поверхности металлов и других материалов. К примеру, с помощью манипулирования адатомами на поверхности были получены искусственные нано-структуры, такие как квантовые кораллы и "фантомы". Данные методы сканирующей туннельной микроскопии, позволят понять электронную структуру и магнетизм отдельных адатомов на поверхности двумерных материалов для реализации на их основе перспективной технологии устройств магнитной записи, а также для изучения пределов объема памяти создаваемых магнитных носителей. Таким образом, можно заключить, что сочетание современных экспериментальных методов и предлагаемого глобального теоретического подхода позволит провести поисковые исследования новых магнитных графеноподобных материалов на мировом уровне с дальнейшей перспективой их технологического применения. Результаты предлагаемой работы могут быть использованы в производстве продукции электронной, радиоэлектронной и радиотехнической промышленности, электротехники, приборостроения, медицины и медицинской техники, для существующих и/или проектируемых образцов новой техники и т.п. Также результаты работы могут быть использованы при проведении опытно-технологических работ, направленных на создание инновационных нанотехнологий получения материалов для нового поколения устройств спинтронники с приемлемыми технико-экономическими характеристиками. Таким образом, данное направление исследований органично вписывается в стратегию научно-технологического развития Российской Федерации, удолетворяя существующие вызовы и научно-производственные потребности на базе радиоэлектронной промышленности и производств электротехнических компонентов. Выполнение проекта позволит привлечь молодых ученых и сформировать научный коллектив высокой квалификации в области изучения структуры и свойств магнитных 2D материалов. На основе полученных научных результатов будут подготовлены статьи публикации в высокорейтинговых журналах, входящих в базы данных Web of Science и Scopus. Участники проекта представят полученные результаты в виде докладов на российских и международных конференциях. Для выполнения проекта будут привлечены молодые ученые. Полученные результаты в рамках данного проекта будут использованы в учебном процессе для подготовки кадров высшей квалификации. [1] Şahin, H., Cahangirov, S., Topsakal, M., Bekaroglu, E., Akturk, E., Senger, R.T. and Ciraci, S., 2009. Monolayer honeycomb structures of group-IV elements and III-V binary compounds: First-principles calculations. Physical Review B, 80(15), p.155453. [2] Ma, S., He, C., Sun, L.Z., Lin, H., Li, Y. and Zhang, K.W., 2015. Stability of two-dimensional PN monolayer sheets and their electronic properties. Physical Chemistry Chemical Physics, 17(47), pp.32009-32015. [3] Xi, X., Zhao, L., Wang, Z., Berger, H., Forró, L., Shan, J. and Mak, K.F., 2015. Strongly enhanced charge-density-wave order in monolayer NbSe2. Nature nanotechnology, 10(9), pp.765-769. [4] He, J., Ma, S.Y., Zhou, P., Zhang, C.X., He, C. and Sun, L.Z., 2012. Magnetic properties of single transition-metal atom absorbed graphdiyne and graphyne sheet from DFT+ U calculations. The Journal of Physical Chemistry C, 116(50), pp.26313-26321. [5] Torun E, Sahin H, Bacaksiz C, Senger RT, Peeters FM. Tuning the magnetic anisotropy in single-layer crystal structures. Physical Review B. 2015 Sep 10;92(10):104407 [6] Donati, F., Rusponi, S., Stepanow, S., Wackerlin, C., Singha, A., Persichetti, L., Baltic, R., Diller, K., Patthey, F., Fernandes, E. and Dreiser, J., 2016. Magnetic remanence in single atoms. Science, 352(6283), pp.318-321. [7] Donati, F., Rusponi, S., Stepanow, S., Wackerlin, C., Singha, A., Persichetti, L., Baltic, R., Diller, K., Patthey, F., Fernandes, E. and Dreiser, J., 2016. Magnetic remanence in single atoms. Science, 352(6283), pp.318-321. [8] Baumann, S., Donati, F., Stepanow, S., Rusponi, S., Paul, W., Gangopadhyay, S., Rau, I.G., Pacchioni, G.E., Gragnaniello, L., Pivetta, M. and Dreiser, J., 2015. Origin of perpendicular magnetic anisotropy and large orbital moment in Fe atoms on MgO. Physical review letters, 115(23), p.237202. [9] Ou, X., Wang, H., Fan, F., Li, Z. and Wu, H., 2015. Giant magnetic anisotropy of Co, Ru, and Os adatoms on MgO (001) surface. Physical review letters, 115(25), p.257201. [10] Cong, W.T., Tang, Z., Zhao, X.G. and Chu, J.H., 2015. Enhanced magnetic anisotropies of single transition-metal adatoms on a defective MoS2 monolayer. Scientific reports, 5, p.9361. [11]Martínez-Olguín A. C. et al. Theoretical investigation of the AlN (0 0 0 1)-(2× 2) surface doped with nickel: Structural, electronic and magnetic properties //Journal of Crystal Growth. – 2020. – Т. 551. – С. 125907. [12]Chen, G. X., Li, H. F., Yang, X., Wen, J. Q., Pang, Q., & Zhang, J. M. (2018). Adsorption of 3d transition metal atoms on graphene-like gallium nitride monolayer: a first-principles study. Superlattices and Microstructures, 115, 108-115. [13]Yang, J., Wang, A., Zhang, S., Liu, J., Zhong, Z., & Chen, L. (2019). Coexistence of piezoelectricity and magnetism in two-dimensional vanadium dichalcogenides. Physical Chemistry Chemical Physics, 21(1), 132-136.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---