Синтез новых наноматериалов на основе лантаноидов для электроники

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 проекта 22-13-00004

НазваниеСинтез новых наноматериалов на основе лантаноидов для электроники

Руководитель Токмачёв Андрей Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-201 - Синтез, строение и реакционная способность неорганических соединений

Ключевые слова синтез, наноматериалы, слоистые соединения, лантаноиды, европий, гадолиний, магнетизм, наноэлектроника, спинтроника

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Миниатюризация элементной базы электроники делает актуальной проблему дизайна и синтеза новых функциональных материалов, совместимых с развитыми полупроводниковыми платформами. В современной электронике востребованы материалы со специальными свойствами, такими как высокая подвижность и спиновая поляризация носителей заряда. Необходимо не только получить твердотельное соединение заданной полиморфной модификации, но и сделать его в виде монокристаллического тонкопленочного наноматериала, а также интегрировать материал с подложкой так, чтобы интерфейс был атомно-резким, а побочные фазы отсутствовали. Свойства многих соединений значительно меняются при переходе к наноразмерам и становятся чувствительными к неоднородностям в структуре, составе и морфологии материала. Поэтому возникают особые требования к методам их синтеза. Молекулярно-лучевая эпитаксия является развитой и широко используемой методикой роста и синтеза материалов и гетероструктур на различных подложках в режиме кинетического контроля за процессами. Стандартно, в этом подходе все реагенты поставляются извне на инертную подложку, не принимающую участия в химических процессах. В то же время, существует практически неисследованная возможность использования подложки в качестве реагента, а также проведения многостадийных химических синтезов в рамках молекулярно-лучевой эпитаксии. Именно это направление мы планируем развивать в данном проекте. Для осуществления таких синтезов монокристаллических материалов необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего нужно соответствие параметров решеток реагентов и продуктов. В данном проекте мы планируем синтез различных классов материалов на основе лантаноидов, частично заполненные f-оболочки которых обеспечат магнитные свойства и приложения в спинтронике. Будет исследован синтез материалов LnAlSi на кремнии, LnAl2Ge2 на германии, а также пниктидов лантаноидов на III-V полупроводниках. Актуальность создания и исследований этих материалов во многом обусловлена недавним обнаружением топологических свойств и высокой подвижности носителей заряда в родственных системах. Мы планируем исследовать различные варианты синтеза – непосредственное осаждение металлов, использование зародышевых слоев и смешанные стратегии. Для всех методик и материалов будут оптимизированы параметры синтеза. Атомная структура будет определена комбинацией методов дифракции (RHEED, XRD) и электронной микроскопии высокого разрешения. Будут проведены исследования магнитных свойств и электронного транспорта в этих материалах. Новизна проекта определяется разработкой новых методов синтеза наноматериалов, получением новых классов материалов для электроники в виде тонких пленок и исследованием их свойств. Выполнимость данного проекта обеспечивают 3 основные составляющие. Во-первых, у коллектива имеется все необходимое оборудование для выполнения работ по проекту. Во-вторых, создан значительный научный задел как в области методологии синтеза наноструктур, так и в синтезе и исследовании материалов на полупроводниковых платформах. В-третьих, коллектив сбалансирован с точки зрения различных направлений проекта (синтез, структура, свойства), его работы соответствуют мировому уровню – среди статей, опубликованных участниками коллектива за последние 5 лет, более 40 статей в журналах Q1, в том числе 12 в журналах с импакт-фактором выше 10. На работы по эпитаксиальному синтезу функциональных материалов на полупроводниках участникам проекта выдано 8 патентов РФ. Следует ожидать, что работы по проекту зададут мировой уровень исследований по синтезу тонкопленочных материалов электроники на полупроводниковых платформах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. 2D magnetic phases of Eu on Ge(110) Nanoscale, т. 14, с. 12377-12385 (год публикации - 2022)
10.1039/d2nr02777a

2. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Submonolayer Eu superstructures—A class of 2D magnets Nano Research, опубликована online до окончательных выходных данных по адресу https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4694-7 (год публикации - 2022)
10.1007/s12274-022-4694-7

3. Аверьянов Д.В., Соколов И.С.,Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Exchange bias state at the crossover to 2D ferromagnetism ACS Nano, т. 16, с. 19482-19490 (год публикации - 2022)
10.1021/acsnano.2c09452

4. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфёнов О.Е., Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Intrinsic exchange bias state in silicene and germanene materials EuX2 Nanoscale Horizons, т. 8, с. 803-811 (год публикации - 2023)
10.1039/d3nh00009e

5. Кац В.Н., Шелухин Л.А., Усачёв П.А., Аверьянов Д.В., Каратеев И.А., Парфёнов О.Е., Талденков А.Н., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г., Павлов В.В. Femtosecond optical orientation triggering magnetization precession in epitaxial EuO films Nanoscale, т. 15, с. 2828–2836 (год публикации - 2023)
10.1039/D2NR04872H

6. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфёнов О.Е., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. A class of high-mobility layered nanomaterials by design Journal of Materials Science & Technology, т. 164, с. 179-187 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jmst.2023.04.059

7. Соколов И.С., Аверьянов Д.В.. Парфёнов О.Е., Талденков А.Н., Рыбин М.Г., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Proximity coupling of graphene to a submonolayer 2D magnet Small, т. 19, No. 2301295 (год публикации - 2023)
10.1002/smll.202301295

8. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфёнов О.Е., Талденков А.Н.. Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Thickness-dependent superconductivity in a layered electride on silicon Small, т. 19, No. 2302065 (год публикации - 2023)
10.1002/smll.202302065

9. Назин В.Г., Лебедев А.М., Чумаков Р.Г., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфёнов О.Е., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. A silicene-based 4f magnet probed by X-ray photoemission spectroscopy Journal of Alloys and Compounds, т. 962, No. 171078 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2023.171078

10. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Парфёнов О.Е., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Interfacial bond engineering for direct integration of functional oxides with Si and Ge Journal of Materials Chemistry C, т. 11, с. 5481-5489 (год публикации - 2023)
10.1039/D3TC00400G

11. Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Кондратьев О.А., Борисов М.М., Якунин С.Н., Каратеев И.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Layer-controlled evolution of electron state in the silicene intercalation compound SrSi2 Materials Horizons, т. 9, с. 2854-2862 (год публикации - 2022)
10.1039/d2mh00640e

12. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфёнов О.Е., Ларионов К.В., Сорокин П.Б., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Engineering of a layered ferromagnet via graphitization: An overlooked polymorph of GdAlSi Journal of the American Chemical Society, т. 146, с. 15761-15770 (год публикации - 2024)
10.1021/jacs.4c01472

13. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфёнов О.Е., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Emerging 2D ferromagnetism in graphenized GdAlSi Small, т. 20, No. 2402189 (год публикации - 2024)
10.1002/smll.202402189

14. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Виниченко А.Н., Васильевский И.С., Парфёнов О.Е., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Direct epitaxial integration of the ferromagnetic oxide EuO with GaAs Journal of Alloys and Compounds, т. 1009, No. 176961 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.176961

15. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфёнов О.Е., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Charge imbalanced layered rare earth magnet GdAl2Ge2 Journal of Rare Earths (год публикации - 2024)
10.1016/j.jre.2024.12.003

16. Маттиат Х., Шнайдер Л., Райзер П., Поджио М., Сахафи П., Джордан А., Будакян Р., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфёнов О.Е., Кондратьев О.А., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Mapping the phase-separated state in a 2D magnet Nanoscale, т. 16, с. 5302-5312 (год публикации - 2024)
10.1039/D3NR06550B

17. Парфёнов О.Е., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Михалюк А.Н., Кондратьев О.А., Талденков А.Н., Токмачёв А.М., Сторчак В.Г. Monolayer magnetic metal with scalable conductivity Advanced Materials, No. 2412321 (год публикации - 2024)
10.1002/adma.202412321

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках проекта мы развиваем исследования по способу синтеза тонкопленочных материалов, использующем подложку в качестве одного из реагентов. В третий год выполнения проекта материалами для изучения были пниктиды гадолиния, европия и стронция на III-V полупроводниках. Идея синтеза состояла в том, что атомы активных металлов извлекают атомы мышьяка или сурьмы из подложки без ее разрушения, а с образованием анионных вакансий. Такой вариант синтеза возможен, поскольку пленки на несколько порядков тоньше, чем подложка. В соответствии с этим были проведены работы по синтезу материалов, изучению их атомной структуры, магнитных и транспортных свойств. Для синтеза был использован метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Для получения арсенидов Gd, Eu и Sr была взята подложка GaAs, тогда как для получения антимонидов Gd, Eu и Sr была взята подложка InSb. При этом синтезирован неизвестный ранее антимонид европия. Для всех 6 материалов были разработаны методики синтеза, подобраны оптимальные параметры синтеза, а именно условия подготовки поверхности III-V полупроводника, температура подложки, поток атомов металла, температура и время отжига. Кроме того, проведено исследование взаимодействия европия с поверхностью GaAs, и найдена неизвестная ранее поверхностная реконструкция 1 x 2 Eu/GaAs, которая может быть использована для синтеза оксидов на GaAs. Атомная структура материалов установлена с помощью методов дифракции. В ростовой камере исследования проводились с помощью дифракции быстрых электронов. Дальнейшее изучение структуры и свойств проходило вне ростовой камеры, используя методы рентгеновской дифракции. Для этого пленки были покрыты слоем защитного материала SiOx. По результатам исследований сделаны выводы о монофазности и эпитаксиальном характере пленок, определены параметры решетки. Полученные пленки эпитаксиальные, за исключением арсенидов европия и стронция. На основе толщинных осцилляций сделаны выводы о качестве пленок. Ключевыми свойствами наноматериалов на основе лантаноидов являются магнитные. Мы провели их исследование с помощью СКВИД-магнитометрии. Были получены температурные зависимости магнитного момента в различных магнитных полях и полевые зависимости для различных температур. Особое внимание уделено зависимости магнитных свойств от толщины пленки. В частности, в пленках GdAs обнаружен переход от антиферромагнетизма объемного материала к ферромагнетизму в ультратонких пленках. На основе измерений в малых магнитных полях продемонстрирован двумерный характер возникающего ферромагнетизма. Кроме того, найдено, что магнитные моменты насыщения значительно ниже значений, соответствующих полной спиновой поляризации ионов Gd. По аналогии с другими двумерными магнитами на основе лантаноидов, это может свидетельствовать о сосуществовании ферромагнитной и антиферромагнитной фаз в материале. Также мы исследовали латеральный электронный транспорт в полученных пленках пниктидов. Были измерены температурные и полевые зависимости сопротивления и эффекта Холла. Изучена зависимость транспортных свойств от толщины пленки. Продемонстрированы аномальный эффект Холла и отрицательное магнетосопротивление, связанные с магнетизмом пленок. Продолжены работы по изучению пленок тригональной и тетрагональной полиморфных модификаций GdAlSi, начавшиеся во второй год выполнения проекта. Акцент в этих работах сделан на переходе к ультратонким пленкам, вплоть до монослоя. В случае тригонального GdAlSi показано возникновение двумерного ферромагнетизма с немонотонной зависимостью магнитных свойств от количества монослоев. Также обнаружено, что тригональный GdAlSi остается металлическим вплоть до монослоя, и его проводимость шкалируется с количеством монослоев. На примере тетрагонального GdAlSi впервые экспериментально изучена зависимость магнитных и транспортных свойств альтермагнетика от толщины слоя вплоть до двумерного предела; продемонстрировано возникновение аномального эффекта Холла в двумерном пределе за счет нарушения симметрии.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта были созданы технологии синтеза новых материалов спинтроники, на которые получены патенты РФ. Также сформированы научный и технологический заделы по созданию магнитных наноматериалов, интегрированных с полупроводниковыми платформами.