Применение и развитие методов резонансной рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для изучения локальных электронных характеристик многокомпонентных функциональных материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием

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 23-72-00067

НазваниеПрименение и развитие методов резонансной рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для изучения локальных электронных характеристик многокомпонентных функциональных материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием

Руководитель Кузнецова Татьяна Владимировна, 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

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом

Ключевые слова резонансная фотоэмиссия, электронная структура, автоионизация, спин-орбитальное взаимодействие, многоэлектронные возбуждения, редкоземельные интерметаллиды, межатомные переходы, халькогениды, электронные свойства.

Код ГРНТИ29.19.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи физики конденсированного состояния - установления взаимосвязи электронной структуры и свойств многокомпонентных функциональных материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, включающей локализованный и коллективизированный аспекты поведения f- и d- электронов и их взаимодействие между собой, в результате которого формируется электронная и магнитная структура соединения. Кроме того, исследование направлено на совершенствование современных синхротронных методов резонансной фотоэмиссионной спектроскопии (RPES), в том числе межатомной и многоатомной фотоэмиссии, с целью развития описания многоэлектронных возбуждений при рентгеновском поглощении и фотоэмиссии. Будет получен ответ на фундаментальный вопрос: возможен ли фотоэффект с выбросом электронов из внутренних уровней соседних элементов, окружающих поглотивший квант атом. Предполагается, что такой межатомный фотоэффект существует и имеет значительную вероятность, особенно, в соединениях с элементами, содержащими сильно локализованные 4d-оболочки. Внутриатомное и межатомное спин-орбитальное взаимодействие, которое может усиливаться электрон-фононным взаимодействием, индуцирует расщепление спектра электронных возбуждений по спину. В проекте будут рассмотрены экспериментально верифицированы механизмы межатомных переходов. В результате будет получено описание возбужденных состояний, возникающих в веществе при поглощении рентгеновских квантов, их эволюция, характерное время жизни, вероятность различных каналов распада. Теоретическое и экспериментальное изучение таких состояний представляет фундаментальный интерес для физики взаимодействия излучения с веществом. Прикладное значение будет иметь измерение энергии двух-дырочного конечного состояния для экспериментального определения величины внутриатомного отталкивания электронов – основного параметра огромного большинства теоретических моделей, описывающих свойства твердых тел. Поставленная задача может быть решена только благодаря наличию и доступности синхротронного излучения в диапазоне до 1,3 кэВ. Наличие дополнительных методов исследования поверхности, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) непосредственно на синхротронной линии НАНОФЭС (КИСИ), позволяет одновременно изучать электронную структуру, морфологию поверхности, локальное химическое окружение атомов. В проекте предполагается разработка с последующей реализацией на синхротронах в РФ (КИСИ и СКИФ) нового перспективного метода изучения локальной проводимости полупроводниковых структур и тонких пленок с помощью рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии при включении / выключении лазерного воздействия (XPS+laser, Operando XPS). Наведенная лазером фотопроводимость обеспечивает быструю релаксацию возбужденных состояний в полупроводниковых структурах, проявляющуюся в сдвиге энергии связи внутренних уровней. Данный метод имеет огромный потенциал и используется в нескольких зарубежных лабораториях, в которых осуществляется синтез и исследования полупроводниковых структур и материалов для солнечных батарей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Корх Ю. В., Пономарева E. A., Дружинин А.В., Герасимов Е. Г., Мушников Н. В., Кузнецова Т.В. Температурные исследования интерметаллида LaMn2Si2 методами спектроскопии комбинационного рассеяния света и магнитно-силовой микроскопии Physics of Metals and Metallography (Физика Металлов и Металловедение), ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2024, том 125, № 3, с. 287–292; Physics of Metals and Metallography Volume 125, pages 261–266, (2024) (год публикации - 2024)
10.1134/S0031918X23603086

2. Лобанов А.Д., Сулимов М.А., Радзивончик Д.И., Сарычев М. Н., Иванов В. Ю. и Кузнецова Т. В. Photoluminescence of bulk α-In2Se3 crystals irradiated by high-energy electrons Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 123, 262106 (2023) (год публикации - 2023)
10.1063/5.0180807

3. Корх Ю. В., Пономарева E. A., Гребенников В.И., Герасимов Е. Г., Чумаков Р.Г., Мушников Н. В. и Кузнецова Т.В. Исследование редкоземельного интерметаллида La0.73Dy0.27Mn2Si2 методами рамановской спектроскопии, магнитно-силовой микроскопии и резонансной фотоэмиссионной спектроскопии Physics of Metals and Metallography (Физика металлов и металловедение), ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2024, том 125, № 5, с. 529–537, Physics of Metals and Metallography, 2024, Vol. 125, No. 5, pp. 470–477 (год публикации - 2024)
10.1134/S0031918X23603116

4. Корх Ю.В., Лобанов А.Д., Шишкин Д.А., Черкасова Н.А., Живулин В.Е., Гудкова С.А., Винник Д.А., Патраков Е.И., Ирхин В.Ю., Сарычев М.Н., Иванов В.Ю., Кузнецова Т.В. Effect of 10 MeV electron irradiation on structural and magnetic properties of Ti- and Al- substituted strontium hexaferrite SrFe11.3Ti0.4Al0.3O19 Journal of Alloys and Compounds, Elsevier, , Journal of Alloys and Compounds, V. 1008. — P. 176672—176683. (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.176672

5. Гребенников В. И., Кузнецова Т. В., Чумаков Р. Г. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В СПЕКТРАХ ФОТОЭМИССИИ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ “ПОВЕРХНОСТЬ. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования” “Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques”, Pleiades Publishing, USA (год публикации - 2025)

6. Кантур И., Ярмошенко Ю., Радзивончик Д., Титова С., Стерхов Е., Чумаков Р., Беляев Д., Кузнецова Т. Spin state of manganese ions in double manganite Nd0.9Sm0.1BaMn2O6 by X-ray photoemission and X-ray emission spectroscopy Materials Letters, Elsevier, Netherlands, Materials Letters 382 (2025) 137850 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matlet.2024.137850

7. Беляев Д.В., Коваленко Ю.Е., Титов А.А., Голяшов В.А., Терещенко О.Е., Чумаков Р.Г., Титов А.Н., Кузнецова Т.В. Электронная структура янусовских слоев на основе Ti1−yCry(Se1−xSx)2 Физика и техника полупроводников, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург Semiconductors, Физика и техника полупроводников, 2024, том 58, вып. 7 (год публикации - 2024)
10.61011/FTP.2024.07.59179.6333H

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Выполнены на ОИ синхротронные исследования резонансной фотоэмисии на R M4,5 и T L2,3 краях в R-T интерметаллидах, где R = La, Gd, Tb, Er; T= Co, Fe; Ni, Mn. Измерены эффекты квантовой интерференции (типа Фано) процессов прямой и резонансной фотоэмиссии (ФЭ) из валентной полосы на R и T атомах. Определена степень когерентности этих процессов и ее зависимость от величины атомных магнитных моментов. Показано, что интенсивность резонансной ФЭ пропорциональна абсолютной величине спинового магнитного момента РЗ атома, и не зависит от магнитного упорядочения вещества. Наблюдается общая закономерность: чем больше спиновый момент атома, тем больше резонансная фотоэмиссия. 2. Экспериментально изучены и теоретически проанализированы два типа многоэлектронных эффектов рентгеновской ФЭ в Cu2SnS3, Cu(In,Ga)Se2, CuGaTe2. Первый – это межатомные оже-переходы с выбросом электронов с внутренних уровней атомов, окружающих медь (Sn, In, Ga), которые возникают в результате процесса распада фотодырки, образующейся на атомах меди при поглощении синхротронного излучения. И второй – характерные потери кинетической энергии в процессе прямой фотоэмиссии с внутренних уровней атомов олова за счет динамического кулоновского поля фотодырки, включение которого приводит к встряхиванию Sn4d-электронов в незанятые состояния. Причиной обоих эффектов является крайне неравновесный характер процесса фотоионизации атома, порождающий практически мгновенное включение кулоновского поля фотодырки на одном из внутренних уровней атома. 3. Выполнено математическое описание кулоновских переходов в процессах, сопровождающих фотоэмиссию. Кулоновское взаимодействие имеет большую величину, и учет его в низшем порядке теории возмущений явно недостаточен. Возникает сильно неравновесный процесс динамической перестройки окружающих электронов, который существенно изменяет вероятность переходов. В межатомных переходах проявляются уникальная особенность 4d-состояний, связанная с большим центробежным барьером, вследствие которого их пространственная плотность распределена на периферии атома, на большом расстоянии от ядра. Наиболее благоприятные условия для проявления электронно-дырочных эффектов реализуются в соединениях с узкой валентной зоной d-типа, поскольку локализованные заряды взаимодействуют существенно сильнее, чем нелокализованные. 4. Исследовано влияние облучения электронами с энергией до 10 МэВ на магнитную доменную структуру, магнитные свойства и спектральные характеристики комбинационного рассеяния света гексаферритов М-типа BaFe12-xMnxO19, BaFe11.12Ti0.46Al0.42O19. Проведен сравнительный анализ магнитно-силовых изображений до и после облучения электронами с различными флюенсами. Обнаружено уменьшение остаточной намагниченности после облучения электронами с энергией 10 МэВ, при этом намагниченность насыщения практически не изменяется после облучения, что указывает на достаточную стабильность магнитных свойств гексаферритов данного типа. Определено влияние частичного замещения атомов железа на атомы титана и алюминия, а также добавление марганца на изменения типа и размеров, фрактальную размерность магнитной доменной структуры, а также динамику колебаний кристаллической решетки подобных многокомпонентных соединений. Обнаружено наличие спин-фононного взаимодействия в Ti- и Al-замещенном гексаферрите после облучения электронами энергией 10 МэВ с флюенсом 2•1017 см-2. Установлено, что наиболее сильные спин-фононные взаимодействия соответствуют модам колебаний в 2b тригонально-бипирамидальных, 2a октаэдрических, 4f1 тетраэдрических узлах кристаллической решетки в облученном гексаферрите, в то время как наиболее радиационно-устойчивой фононной модой является A1g мода колебаний связей Fe–O в октаэдрическом узле 4f2. Это объясняется ростом дефектности кристаллической структуры и увеличением одноосной магнитокристаллической анизотропии, вызванными облучением. 5. Соединение Cu2SnS3, легированное индием (CTS:In), было исследовано методами рентгеновской дифракции, атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии, РФЭС, фотолюминесцентной спектроскопии до и после облучения электронами с энергией 8 МэВ. В CTS:In методом порошковой рентгеновской дифракции обнаружены две кристаллические фазы: тетрагональная t-CTS и кубическая c-CTS. Обнаружена перегруппировка зёрен CTS:In и исчезновение поверхностных потенциалов на границах зёрен, увеличение интенсивности фотоэмиссии пиков для олова и индия после электронного облучения, что говорит об увеличении концентрации индия и олова на поверхности образца CTS:In. Полученные результаты могут свидетельствовать об уменьшении числа дефектов типа InCu, InSn, SnCu, а также об образовании вакансий серы после электронного облучения. 6. Для монокристаллов Ti0.85Cr0.15(Se0.8S0.2)2 и Ti0.9Cr0.1(Se0.8S0.2)2 были проведены ARPES измерения при hν = 21.22 эВ (Т= 80 К) в направлении Г-М. Определена дисперсионная зависимость, что свидетельствует о кристаллической квази-2D структуре и отсутствии самоинтеркалации металла в межслоевое пространство. Данные соединения являются непрямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны ~0.08 эВ. Наблюдается наличие смещенной зоны в валентной зоне в Г точке. Это смещенная зона может быть связана с формированием Янус-структур, содержащих Cr. 7. Решением обратной задачи выполнена реконструкция парциальных плотностей электронных состояний валентной полосы GaSe и CuGaSe2 на основе набора спектров XPS, полученных при различных энергиях падающего излучения в диапазоне 100 - 600 эВ. Для решения обратной задачи использовался метод статистического байесовского вывода. Реконструированные плотности электронных состояний GaSe и CuGaSe2 в целом согласуются формой и положением с соответствующими вкладами, рассчитанными с помощью теории функционала плотности. Использованный метод реконструкции может быть обобщен на другие многокомпонентные системы. 8. Методами XPS и XES изучены уровни Mn 2p в двойном манганите Nd0.9Sm0.1BaMn2O6. Анализ спектров XPS Mn 2p показал, что ионы Mn имеют неоднородное зарядовое состояние, в котором ионы Mn3+ и Mn4+ находятся приблизительно в соотношении 2 к 1. Спектр XES Mn Kβ1,3 показал наличие выраженного сателлитного пика Kβ’, который указывает на высокоспиновое состояние ионов Mn. Выполнено моделирование экспериментального спектра XES Mn Kβ с помощью мультиплетного подхода, в котором учитывалось влияния кристаллического поля и эффект переноса зарядов. Моделирование показало, что для воспроизведения экспериментального спектра эмиссии ионы Mn3+ и Mn4+ должны находиться в соотношении 1 к 1, что в целом является типичным для RBaMn2O6. Также из моделирования было установлено, что Mn3+ находится в высокоспиновом состоянии (S=2).

Публикации