Естественные нанослойные материалы, перспективные для преобразования энергии ВТОРОЙ ЭТАП ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

Объект исследования – тонкие плёнки на основе компонент MAX материалов Mn, Cr, Ge и С. Цель работы – Разработка, исследование и тестирование новых магнитных и сверхпроводящих высокостойких к окислению фаз MAX материалов для применения в магнитной записи, постоянных магнитах, магнитном охлаждении и спинтронике. Общими задачами научного исследования на весь срок является: 1) Синтез тонких пленок новых магнитных MAX-фаз на основе 3d-элементов. 2) Синтез тонких пленок новых магнитных MAX-фаз, включающих редкоземельные элементы. 3) Синтез тонких пленок сверхпроводящих МАКС-фаз. 4) Химическая, структурная и магнитная характеризация синтезированных пленок. 5) Изменение и достижение необходимых полевых и температурных зависимостей магнитных свойств (магнитная анизотропия, намагниченность, температура магнитного упорядочения) путем легирования и комбинированного роста пленки с использованием градиентного латерального синтеза. 6) Рост многослойных пленок МАКС-фаз с различными послойными составами. 7) Расслоение пленок MAX-фаз для получения двумерных материалов (Максены) для использования в качестве химических датчиков. 8) Исследования спинового, электронного и термодиффузионного транспорта в двумерных Максенах. В отчете за второй этап по Соглашению о предоставлении субсидии от 03.12.2019 г. № 075-15-2019-1886 представлены результаты магнитной, структурной и химической характеризации четырёх компонентных плёнок MAX-фаз на основе A = Ge и Ga. Представлены результаты исследований калибровочных плёнок с вариацией состава M = Mn, Cr, а также исследований их тепловых и электрических (магнито-) транспортных свойств. Отчёт содержит информацию о закупленном оборудования, материалов и комплектующих, об организации 1-го Международного семинара по функциональным MAX-материалам (1st FunMax), о подготовленных публикациях в журналах, индексируемых в базе данных Web of Science, о подготовленных заявок на гранты, о повышении квалификации членов научного коллектива лаборатории. Также приведены сведения об участие членов научного коллектива лаборатории МММ в конференциях, научных семинарах, симпозиумах. Описаны работы по модернизации имеющегося оборудования лаборатории, текущему ремонту лаборатории и организации рабочих мест. Представлены основные положения подготовленной членом научного коллектива кандидатской диссертации. При анализе образования вторичных фаз в течении синтеза четырёх компонентных плёнок MAX-фаз на основе A = Ge и Ga, было рассмотрено три различных типа реакций формирования и рассчитаны энтальпии всех возможных реакций. Было установлено, что при формировании магнитных тонких плёнок MAX-фаз существуют только три термодинамически наиболее выгодные фазы: CrGa, Cr3Ga, Cr3C2. Хотя энтальпия образования CrGa наиболее отрицательна, в соответствии с методом решёток совпадающих узлов более вероятно образование фазы Cr3Ga, имеющей меньше атомов в элементарной ячейке, что подтверждено экспериментально. Для тестирования синтеза фазы Cr2GeC был применен простой двухэтапный процесс, а именно термическое распыление наноразмерных трёхслойных структур Cr-C-Ge и последующий термический отжиг in situ. Химический состав плёнок был определён с помощью метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Кроме того, были проведены измерения диэлектрической проницаемости, оптической проводимости и магнитного кругового дихроизма (МКД) эпитаксиальной тонкой пленки Mn2GaC MAX-фазы. Из анализа спектрограммы оптической проводимости было обнаружено, что при нагреве Mn2GaC от 140 до 296 K происходит значительное ослабление некоторых пиков поглощения. Происходит также незначительное смещение максимумов в видимой области и ближнего УФ в сторону низких энергий. В результате нагрева обнаружено резкое расширение решетки слоев Mn-C-Mn, которое приводит к значительному изменению спектральных оптических свойств. Полученные результаты согласуются с предположением, что Ga влияет на межполосные электронные переходы в Mn и C, а неколлинеарные (нескомпенсированные) магнитные моменты в чередующихся слоях Mn-C-Mn приводят к ферримагнитным свойствам при комнатной температуре. Кроме того, из температурной зависимости петель гистерезиса Керра установлен вклад поверхности Mn2GaC в объемные магнитные свойства образца. При Исследование пленок с вариацией состава M = Mn, Cr в калибровочных плёнках) был определен перечень составов четырёх компонентных плёнок MAX-фаз на основе A = Ge, Al и Ga, и разработаны технологические процессы их получения с указанием материала подложки, толщин и порядка нанесения составных элементов, один из которых заключается в следующем. Пленки осаждаются методом магнетронного распыления с использованием трех элементарных мишеней: углерода (чистота 99,99%), сплава Cr/Mn с соотношением 50:50 Ат.% (99,95% чистоты) и галлия (99,9999% чистоты). Другой подход основан на методе импульсно-лазерного осаждения (PLD), который позволяет стабилизировать метастабильные фазы и дает определенную аморфизацию во время осаждения из-за высокоэнергетического воздействия входящих атомов и ионов (до 100 эВ), что дает дополнительные возможности для выращивания новых MAX-фаз. Кроме того, стехиометрия пленок может быть точно отрегулирована и даже изменена во время роста путем выбора параметров лазерного импульса. Был проведен анализ экспериментальных данных структурных исследований (XRD), а также рассчитаны рентгенограммы для фазы (Cr1-xMnx)2GeC с различным количеством вакансий в атомных позициях по М, А и С- элементам. Совместными усилиями немецкими коллегами Михаэля Фарле - доктора Ульфа Видвальда и студента-магистра Марка Стивенса были впервые изготовлены пленки Cr2AlC методом импульсного лазерного осаждения. Кроме того, было проведены эксперименты по легированию пленок Cr2AlC атомами Fe для контролируемого изменения магнитных свойств. Пленки (Cr1-xFex)2AlC с содержанием Fe x = 0,2 на MgO(111) и Al2O (0001), полученные в тех же условиях абляции, также демонстрируют квазиидентичную зависимость роста, что и Cr2AlC, но с наличием вторичных фаз, которые обнаруживаются с помощью полюсных фигур. Это также заметно на температурной зависимости намагниченности. Такие и родственные им пленки будут синтезированы в Институте Физики им. Л.В. Киренского, как только система импульсного лазерного напыления будет поставлена и введена в эксплуатацию. Для экспериментального обнаружения связи между спином, решеткой и электронной структурой в гетероэпитаксиальных пленках Mn2GaC, были исследованы магнитные фазовые переходы, структурные превращения, электрический транспорт и магнитные свойства. Были идентифицированы два магнитных фазовых перехода при 214 K и 507 K. Проведенные исследования позволили классифицировать пленки Mn2GaC как квазидвумерные ферромагнетики с сильной ФМ-связью в слоях М2С и более слабой АФМ или ФМ-связью через А-слои. Таким образом, исследования транспортных свойств образцов позволили сделать вывод о том, что замещение марганца хромом приводит к увеличению концентрации носителей заряда, без какого-либо существенного влияния на их подвижность.