Электронные, упругие и магнитные свойства новых кислородосодержащих материалов (MAOX) на основе магнитных MAX фаз и MXенов

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 23-22-10020

НазваниеЭлектронные, упругие и магнитные свойства новых кислородосодержащих материалов (MAOX) на основе магнитных MAX фаз и MXенов

Руководитель Замкова Наталья Геннадьевна, 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 №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова MAX фазы, Mxены, магнитные свойства, первопринципные расчеты, электронные свойства, магнитные полупроводники, спинтроника, магнитные полуметаллы

Код ГРНТИ29.19.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Перед физикой твердого тела стоит важная задача развития промышленности, в том числе полупроводниковой, путем поиска и дальнейшего синтеза новых функциональных материалов. МАОХ-фазы – новейший класс материалов, открытый в 2018 году [1]. Они представляют собой атомно-слоистые материалы, где М - переходный металл, A - элемент A-группы, О – кислород, а X - углерод и / или азот. МАОХ фазы обладают высокой термодинамической стабильностью и в зависимости от состава могут быть металлами, полуметаллами или полупроводниками. МАОХ-фазы – родственное семейство активно изучаемым и синтезируемым МАХ-фазам. В нулевых годах 21 века MAX-фазы начали активно синтезировать в виде объемных соединений и тонких пленок, и оказалось, что они обладают исключительными физическими, химическими, электрическими и механическими свойства из-за своей слоистой структуры и сочетанием сильных связей M-X и более слабых связей M-A. В 2013 г. появились первые экспериментальные сообщения о наличии магнитных MAX-фаз, и хотя эта область только недавно начала развиваться, результаты, представленные на сегодняшний день, указывают на огромный потенциал интересных для применения магнитных свойств в данных и родственных соединениях (от спинтроники до холодильного оборудования) и большое количество магнитных фаз в зависимости от состава. Однако большинство известных на данный момент МАХ-фаз являются металлами, в то время как внедрение слоев О-А-О в МАОХ-фазах позволяют наблюдать полупроводниковые свойства. Используя в качестве М-элемента магнитные атомы Mn, Fe, Cr и др. возможно добиться получения магнитных полупроводников, что сыграет существенную роль в развитии микроэлектроники и спинтроники. Магнитные полупроводники способны обеспечить новый тип контроля проводимости в устройствах за счет возможности управления направлением спина и достижения высокой спиновой поляризации, что важно для приложений спинтроники, например, в спиновых транзисторах. Сочетание магнитного упорядочения и полупроводниковых свойств в МАОХ-фазах открывают широкий спектр возможных применений, однако, учитывая высокую стоимость и низкую скорость высокотемпературных экспериментов, необходимо в первую очередь теоретически предсказать новые перспективные магнитные составы и объяснить наблюдаемые свойства с помощью микроскопического моделирования. Первопринципные методы исследования, основанные на теории функционала плотности (ТФП), дают с одной стороны возможность проводить предсказательные исследования, не прибегая к порой дорогостоящим экспериментам, а с другой стороны позволяют глубже понять физические механизмы, лежащие в основе того или иного явления. В рамках данного проекта планируется в рамках теории функционала плотности исследовать роль состава, давления и размерности в формировании привлекательных для применений магнитных, электронных, оптических и упругих свойств магнитных MAОX-фаз, проанализировать микроскопические механизмы, ответственные за возникновение данных свойств, а также спрогнозировать новые соединения, обладающие такими или новыми уникальными свойствами. [1] Zhenyu Wang. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 14240−14247

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В. Жандун, О.Драганюк, Н.Замкова Doping-induced changes in the electronic and magnetic properties of Mn- and Cr-based MAX phases Book of Abstracts (IBCM-2023), p.17 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение второго года выполнения проекта были исследованы новые 2D магнитные материалы из семейства MXенов. MXeны представляют собой большое семейство двумерных материалов с общей формулой Мn+1XnTx (M - переходной металл, Х – углерод или азот, Т – функциональная группа F, O, OH и т.п., n=1-3). В последнее время особое внимание уделяется магнитным МХенам, поскольку магнитный порядок, обеспечиваемый атомами переходных металлов, наряду с их упорядочением в разных плоскостях позволяет контролировать состав, структуру и магнитные свойства MXенов, что является уникальным в области дизайна магнитных 2D-материалов и предлагает новый путь для прикладного проектирования функциональных наноматериалов. Для поиска новых стабильных магнитных материалов было проведено исследование термодинамической стабильности МХенов второго порядка (n=2) с двумя переходными металлами (М11-xM2x)3C2 (М1=V, Ta, Hf, Cr; M2=Mn, Cr, Fe) в рамках в рамках теории функционала плотности и метода кластерного разложения. Построены карты структура-фазовая стабильность и показано, что наиболее стабильными оказываются полностью упорядоченные структуры с концентрацией атома M2 х=2/3. При этом атомы M2 занимают только поверхностные слои. Проведенный анализ показывает, что наиболее перспективным для синтеза является соединение (V1/3Mn2/3)3C2, представляющее собой ферромагнетик с большим значением магнитного момента ≈4.5μB/ф.е. Большинство MXенов получают селективным травлением A-слоя из соответствующей MAX-фазы, что делает возможным терминирование поверхности MXenes группами O или F. Показано, что использование фтора в качестве функциональной группы приводит к существенному увеличению намагниченности MXенов, и более того, рассчитанная энергия когезии голого и F-функционализированного MXена показывает, что поверхностная функционализация фтором приводит к более высокой стабильности MXенов. Одним из основных методов синтеза МХенов является выборочное вытравливание атомного слоя А из соответствующей МАХ-фазы (V1-xMnx)3АC2. Для анализа возможности экспериментального синтеза (V1/3Mn2/3)3C2 проведено исследование стабильности МAX-фаз (V1-xMnx)3АC2 с A = Al и Ga. Показано, что энтальпии образования (V1/3Mn2/3)3AlC2 и (V1/3Mn2/3)3GaC2 отрицательны, что говорит о стабильности данных МАХ-фаз и возможности их синтеза. Таким образом, теоретически предсказана возможность создания нового стабильного ферромагнитного 2D материала с привлекательными для приложений магнитными и упругими свойствами.

Публикации

1. Шинкоренко А.С., Жандун В.С., Замкова Н.Г. Исследование стабильности, структурного и магнитного упорядочения в магнитном МXене (Cr1-xFex)3C2 Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, том 121, вып. 1, с. 44 – 50 (2025) (год публикации - 2025)

2. Замкова Н.Г., Жандун В.С., Драганюк О.Н. Magnetic layered MAOX phases: DFT screening of the magnetic and electronic properties Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, V.38, p. 1-10 (2025) (год публикации - 2025)
10.1007/s10948-024-06835-1

3. Замкова Н.Г., Жандун В.С. 2D magnetic MXenes (M11-xM2x)3C2 (M1=V, Cr; M2=Mn, Cr): the stability, ordering, and magnetic properties Inorganic Chemistry, Inorg. Chem. 2024, 63, 51, 24295–24305 (год публикации - 2025)

4. Замкова Н.Г., Жандун В.С. Драганюк О.Н. Исследование упорядоченных конфигураций в сплавах MXенов, содержащих переходные металлы, в зависимости от состава Сборник трудов XXV Международной конференции "Новое в магнетизме и магнитных материалах", "Новое в магнетизме и магнитных материалах". Сборник трудов XXV Международной конференции 1 – 5 июля 2024 г. – Москва – 2024 – стр. 9-109. (год публикации - 2024)

5. Жандун В.С., Замкова Н.Г., Драганюк О.Н. The arising of ferromagnetism in Al-doped Mn2(Ga1− xAlx)C MAX phases Elsevier, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 601, 1 July 2024, 172193 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2024.172193

Возможность практического использования результатов
В рамках проекта предсказаны новые стабильные ферромагнитные материалы, обладающие высокой намагниченностью и температурой Кюри для использования в качестве элементов электроники и спинтроники, в качестве элементов памяти и датчиков, в том числе в космических аппаратах, а также даны рекомендации по успешному синтезу таких материалов и условий для получения привлекательных магнитных характеристик