Функциональные тонкие пленки атомно-слоистых MAX-фаз на основе углерода: синтез, теоретические и экспериментальные исследования

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 25-12-20012

НазваниеФункциональные тонкие пленки атомно-слоистых MAX-фаз на основе углерода: синтез, теоретические и экспериментальные исследования

Руководитель Варнаков Сергей Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

Конкурс №101 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые слова Тройные и четверные карбиды переходных металлов; MAX-фазы; тонкие эпитаксиальные пленки; структура атомно-упорядоченных и неупорядоченных пленок; магнитные, оптические и транспортные свойства.

Код ГРНТИ29.19.16

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Впервые будет разработана технология синтеза новых тройных и четверных тонких Cr-, Mn-, Sc-, Al- и Ga-содержащих MAX-пленок на основе углерода с частичным замещением скандием хрома и марганца. Будут выполнены подробные исследования фундаментального характера данных соединений по установлению кристаллической структуры, магнитных, электронных, оптических и транспортных свойств как теоретическими, так и экспериментальными методами. Будет установлена взаимосвязь между технологическими параметрами синтеза, химическим составом, стехиометрией и такими характеристиками образцов как: шероховатость пленок, форма, размеры и концентрации кристаллитов; спектр оптического поглощения и коэффициента преломления; температура и тип магнитного упорядочения; величины удельного сопротивления и магнитосопротивления, подвижности носителей заряда и холловской проводимости. Для оценки возможного применения синтезированных в проекте пленок в качестве материалов для электрических и тепловых контактов, конструкционных и оптических материалов, работающих в высокотемпературных окислительных средах, впервые будут получены данные о стабильности Cr-, Sc-содержащих MAX-пленок при нагреве и их способности противостоять окислению на воздухе, сохраняя электрические и оптические характеристики. Впервые будет использована низкотемпературная технология синтеза тонких плёнок атомно-слоистых карбидов, сочетающая магнетронное осаждение и импульсный лазерный отжиг. Предварять экспериментальные работы будут расчеты, выполненные в рамках функционала плотности для анализа электронных свойств и связанных с ними явлений. В результате теоретических расчетов и проведённых измерений будут определены закономерности между электронной структурой материалов и стехиометрическими характеристиками, что позволит в дальнейшем проводить целенаправленный синтез материала с заданной температурой магнитного упорядочения, требуемой удельной намагниченностью и типом магнитного упорядочения в сочетании со стабильностью свойств плёнок после их нагрева на воздухе. Атомно-слоистые Cr-, Mn-, Sc-, Al- и Ga-содержащие MAX-фазы на основе углерода могут применяться при изготовлении чувствительных сенсоров механических напряжений, магнитных полей в условиях высоких температур и агрессивных сред, что востребовано в реальном производстве на наукоемких предприятиях Красноярского края и РФ. Ожидаемые результаты тесно связаны с наиболее актуальными направлениями в области квазидвумерных и слоистых материалов. Развитие технологических приемов синтеза новых магнитных и высокопроводящих MAX-фаз на основе углерода имеет научную значимость мирового уровня и способствует развитию физического материаловедения. Ожидается, что частичное замещение хрома и марганца скандием приведет к улучшению термодинамической стабильности, увеличению проводимости и/или появлению дальнего магнитного порядка. Разработанные в ходе выполнения проекта лабораторные методы синтеза Cr-, Mn-, Sc-, Al- и Ga-содержащих MAX-фаз могут обеспечить в будущем появление технологий новых функциональных материалов для конструирования эффективных спиновых вентилей, чувствительных датчиков магнитного поля, тензодатчиков, термометров, био- и газовых сенсоров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На первом этапе проекта была создана и отработана технология синтеза четырехкомпонентных тонких пленок состава (Cr1−xScx)2AlC толщиной 12, 21, 40 и 120 нм с параметром x равным 0.00, 1/3, 0.50 и 1.00, а также тонких пленок состава (Mn1−xScx)2AlC толщиной 10 и 40 нм с технологическим параметром x равным 0.00, 1/6, 1/3 и 0.50. Синтез проводился методом магнетронного соосаждения из элементарных мишеней на нагретые до 800 °С монокристаллические подложки MgO(111) и Al2O3(0001). Отработка технологии синтеза заключалась в калибровке всех четырех магнетронных источников в различных режимах работы, а также определении стабильных границ мощности распыления при одновременной работе всех испарителей. В процессе отработки технологии синтеза были получены 40 нм эпитаксиальные MAX-пленки Cr2AlC на подложке MgO(111), (Cr2/3Sc1/3)2AlC и (Cr0.5Sc0.5)2AlC на подложках Al2O3(0001) и 21 нм эпитаксиальная MAX-пленка Sc2AlC на MgO(111). Синтезированные образцы были исследованы методами дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), дифракции медленных электронов (ДМЭ), Оже-электронной спектроскопии (ОЭС), атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеноструктурного анализа (РСА), спектральной эллипсометрии, магнитооптического эффекта Керра. Также проводились транспортные измерения при комнатной температуре. Было установлено, что замещение марганца скандием для структур (Mn1−xScx)2AlC на подложках Al2O3(0001) приводит к образованию разупорядоченной нанокристаллической структуры и формированию небольшой доли текстурированных кристаллитов. В спектрах Оже-электронов всех Cr-содержащих образцов форма пиков углерода соответствует карбиду, характерному для атомно-слоистых MAX-фаз. Но для Mn-содержащих образцов, карбидная форма углерода выявлена только на поверхности пленок состава (Mn0.5Sc0.5)2AlC. В остальных случаях наблюдается графитная форма углерода или смесь графит/карбид, указывающая на слабую связь углерода с марганцем. Анализ данных спектральной отражательной эллипсометрии 40 нм MAX-пленки Cr2AlC на MgO(111) показал характерное для металлического хрома поведение спектра коэффициента поглощения материала пленки и сниженный, в сравнении с чистым Cr, коэффициент отражения по всему спектру в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Анализ транспортных свойств образцов серии (Cr1−xScx)2AlC указывает на нелинейную зависимость сопротивления материала пленок от степени замещения хрома скандием. Был проведён теоретический анализ структурных свойств объемных MAX-фаз (Cr1-xScx)2AlC и (Mn1-xScx)2AlC для x = 0.00, 0.25, 0.33, 0.67, 0.75 и 1.00. Для (Mn1-xScx)2GaC были рассчитаны крайние значения замещения x = 0.00 и 1.00. Для анализа применялись квантовохимические расчёты в рамках теории функционала плотности (DFT). В результате оптимизации кристаллографических параметров a и c в гексагональной ячейке P63/mmc был обнаружен набор замещений x, дающий минимальное расхождение с параметрами решетки подложек MgO(111) и Al2O3(0001) для базальной плоскости MAX-пленки. В частности, показана возможность эпитаксиального роста всех классов MAX-фаз (Mn1-xScx)2GaC, (Cr1-xScx)2AlC и (Mn1-xScx)2AlC на подложке MgO(111) кроме (Mn1-xScx)2AlC с x<<1. На подложке Al2O3(0001) базальную текстуру (00L) гексагональной MAX-пленки для всех составов можно ожидать только для стехиометрического параметра x близкого к нулю. При отработке режимов импульсного лазерного отжига тонкой аморфной пленки стехиометрического состава Cr2AlC были определены минимальная плотность энергии лазерного излучения и минимальное количество импульсов, при которых происходят как химическая активация, так и последующая кристаллизация плёнки. Для этого применялись методы магнетронного осаждения пленки при комнатной температуре, а также методы ДОБЭ, ОЭС и сканирующая лазерная эллипсометрия. Для импульсного лазерного воздействия применялся эксимерный лазер на KrF газовой смеси, с длиной волны излучения 248 нм и длительностью отдельного импульса около 20 нс. Было обнаружено, что химическая активация поверхности 10 нм аморфной пленки Cr2AlC происходит уже при плотности мощности лазерного излучения 190 кДж/м2. А минимальное количество импульсов с плотностью 400 кДж/м2 для начала кристаллизации такой пленки составляет от 2х до 5ти на частоте 5 Гц.

Публикации

1. Андрющенко Т.А., Лященко С.А., Яковлев И.А., Крюков Р.Н., Лукьяненко А.В., Соловьев Л.А., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Electron spectroscopy of MAX phase (Cr1-xMnx)2GeC and Cr2(Ge1-xSix)C thin films The Seventh Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings. – Vladivostok, Dalnauka, Стр. 182-183 (год публикации - 2025)

2. Тарасов А.С., Лященко С.А., Рауцкий М.В., Федорова Н.А., Андрющенко Т.А., Лукьяненко А.В., Яковлев И.А., Бондарев М.А., Бондарев И.А., Соловьев Л.А., Максимова О.А., Томилин Ф.Н., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Synthesis, structure and electronic properties of epitaxial thin films of MAX phases The Seventh Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings. – Vladivostok, Dalnauka, Стр. 172-173 (год публикации - 2025)

3. Лященко С.А., Андрющенко Т.А., Яковлев И.А., Лукьяненко А.В., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Structure and optical properties of epitaxial Cr2AC MAX-films (A - Ge, Si, Al and Ga) The Seventh Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings. – Vladivostok, Dalnauka, Стр. 190 (год публикации - 2025)

4. Максимова О.А., Лященко С.А., Яковлев И.А., Шевцов Д.В., Тарасов А.С., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Magneto-optical ellipsometry for experimental studies of functional thin films of atomic-layered carbon-based MAX phases The Seventh Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings. – Vladivostok, Dalnauka, Стр. 223 (год публикации - 2025)

5. Андрющенко Т.А., Тарасов А.С., Лященко С.А., Лукьяненко А.В., Яковлев И.А., Федорова Н.А., Томилин Ф.Н., Соловьев Л.А., Жарков С.М., Крюков Р.Н., Рауцкий М.В., Максимова О.А., Овчинников С.Г., Варнаков С.Н. Structure, electronic and optical properties of (Cr1-xMnx)2GeC MAX phase: DFT calculations and epitaxial film synthesis Materials Today Communications, Выпуск 49, 114184 (год публикации - 2025)
10.1016/j.mtcomm.2025.114184

6. Андрющенко Т.А., Лященко С.А., Максимова О.А., Яковлев И.А., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Electron and optical spectroscopy of (Cr1-xMnx)2AC MAX films (A = Ga, Ge) IX Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" (EASTMAG-2025): Abstracts. – Yuzhno-Sakhalinsk, Editorial and publishing center, Sakhalin State University, Стр. 126-127 (год публикации - 2025)

7. Максимова О.А., Лященко С.А., Шевцов Д.В., Яковлев И.А., Андрющенко Т.А., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г. Magneto-optical ellipsometry taking into account optical uniaxial anisotropy IX Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" (EASTMAG-2025): Abstracts. – Yuzhno-Sakhalinsk, Editorial and publishing center, Sakhalin State University, Стр. 282-283 (год публикации - 2025)

8. Федорова Н.А., Шубин А.А., Тарасов А.С., Лященко С.А., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г., Томилин Ф.Н. MAX-phase Sc2AlC as a basis for doping with magnetic metals IX Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" (EASTMAG-2025): Abstracts. – Yuzhno-Sakhalinsk, Editorial and publishing center, Sakhalin State University, Стр. 290 (год публикации - 2025)