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 25-23-00341
НазваниеЭлектрены: поиск и исследование новых ультратонких материалов методами квантово-механического моделирования
РуководительНовоселов Дмитрий Юрьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2025 г. - 2026 г. |
Конкурс№102 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов
Ключевые словаэлектриды, электрены, электронная структура, теория функционала плотности, низкоразмерные матриалы
Код ГРНТИ31.15.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Как графен, являясь монослоем кристаллического графита, проявляет широчайший спектр новых свойств, так и электрены, представляющие собой отдельные слои кристаллических электридов, имеют выдающийся потенциал для открытия новых эффектов и применений. К этому стоит добавить уникальность самих электридов - нового класса необычных материалов, имеющих одну яркую особенность – они содержат избыточные электроны, локализованные в междоузлиях кристаллической решётки и не принадлежащие конкретным атомам. Волновые функции межузельных электронов проявляют двойственность, сочетая сильную локализацию и значительную пространственную протяжённость, обусловленную конкуренцией между кинетической энергией и кулоновским взаимодействием. Такое соперничество приводит к реализации сложного многочастичного основного состояния, обеспечивающего богатство физических явлений и химических свойств, наблюдаемых в электридах, включая сверхпроводимость, межузельный магнетизм, топологические фазы и др. Благодаря этим особенностям электриды привлекли к себе значительное внимание в связи с их многообещающими перспективами как в фундаментальных исследованиях, так и во многих технологических приложениях в качестве катализаторов, анодных материалов, хранилищ ионов, а также в качестве ультратонкой элементной базы для микроэлектроники и спинтроники.
Низкоразмерные электриды вызывают особый интерес в силу того, что с уменьшением размерности электридного подпространства, резко усиливаются квантовые эффекты, вызванные дополнительными пространственными ограничениями. Так в двумерных электридах атомные слои разделены слоями избыточных анионных электронов, что приводит к сильной анизотропии их свойств. Благодаря тому, что атомные слои слабо связаны между собой, можно отделять наборы из нескольких слоёв и даже отдельные слои. Такие тонокслойные материалы и получили название электренов.
Эта область исследований чрезвычайно молодая – методы только формируются, а системы для изучения открываются. Настоящий проект сфокусирован на исследовании тонкослойных электренов и предусматривает выработку подхода, поиск и конструирование одно- и двуслойных систем, включая создание новых гетероструктурных электренов, которые могут быть получены из двумерных электридов путём отделения слоёв.
С целью установления взаимосвязи между кристаллической, электронной и магнитной структурами рассматриваемых соединений будут проводиться первопринципные расчёты с помощью современных численных методов квантово-механического моделирования. Для этого будет выработан подход, позволяющий корректно описывать межузельные электронные состояния электренов с учётом многочастичных корреляционных эффектов, играющих важную роль в физике низкоразмерных электридов. Кроме того, будут рассмотрены различные способы воздействия на рассматриваемые системы, включая электронное и дырочное легирование, одноосное и двухосное сжатие и растяжение. Это позволит выявить потенциальные механизмы управления свойствами электренов, понимание которых будет способствовать развитию их применения в качестве новых ультратонких материалов в прикладной сфере.
Ожидаемые результаты
Результаты настоящего проекта позволят существенно углубить понимание свойств и поведения электренов, что откроет новые горизонты в исследовании ультратонких материалов. В рамках проекта планируется:
1. Поиск и конструирование новых одно-, двуслойных и гетерослойных электренов на основе двумерных электридов. В результате ожидается создание новых ультратонких систем с ценными физическими свойствами. Это обеспечит расширение базы данных материалов с потенциальными применениям в наноэлектронике, спинтронике и магнетоэлектрических устройствах.
2. Выработка подхода для квантово-механического моделирования электренов, позволяющего корректно учитывать межэлектронное взаимодействие как на атомных, так и на межузельных состояниях. Это позволит корректно описывать сложные многочастичные корреляционные эффекты, что является ключевым аспектом в понимании фундаментальных свойств электренов. Такой подход повысит общее качество теоретических предсказаний в области квантового материаловедения.
3. Исследование влияния внешних воздействий на свойства рассматриваемых электренов. Предполагается, что такие воздействия, как электронное и дырочное легирование, одноосное и двухосное сжатие и растяжение, могут существенно изменять свойства материалов, предоставляя инструменты для их управления. Это откроет путь к разработке материалов с заданными характеристиками для различных технологических приложений.
Значимость результатов:
1. Научная значимость. Полученные результаты значительно обогатят фундаментальные знания о природе межузельных электронов и их влиянии на свойства низкоразмерных материалов. Это будет способствовать развитию теории конденсированного состояния и квантовой химии материалов. Исследование гетероструктурных электренов может создать предпосылки для формирования нового научного направления.
2. Технологическая значимость. Материалы на основе новых электренов могут найти применение в разработке передовых сверхкомпактных электронных и спинтронных устройств. Высокая поляризация, магнетизм и возможность управлять этими свойствами открывают перспективы для создания высокоэффективных элементов памяти, сенсоров и транзисторов.
3. Междисциплинарное влияние. Полученные знания будут полезны не только в области материаловедения, но и в смежных науках, таких как физика твёрдого тела, химия материалов и нанотехнологии. Это обеспечит широкий интерес к результатам проекта со стороны научного сообщества и индустрии.
Таким образом, обобщение результатов работы над проектом по исследованию электренов послужит основой для развития научного направления и обогатит теоретические знания в области квантового материаловедения низкоразмерных систем, а также создаст предпосылки для развития новых технологий на основе ультратонкой элементной базы, что подчёркивает его значимость как для фундаментальных исследований, так и для практических приложений.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ