Естественные нанослойные материалы, перспективные для преобразования энергии ТРЕТИЙ 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 третий этап по Соглашению о предоставлении субсидии от 03.12.2019 г. № 075-15-2019-1886 представлены результаты о способах и развитии технологии синтеза тонких пленок MAX-фаз с помощью метода импульсно-лазерного напыления (PLD), росте калиброванных и многослойных пленок MAX-фаз, росте составов Cr2AlC, (Cr0.9Fe0.1)2AlC и (Cr0.9Fe0.1)2AlC, теоретических исследованиях МАХ материалов и настройки взаимодействий в магнитных MAX фазах путем объединения легирования Fe, Ni, Co и редкоземельными элементами, синтезе максенов на основе марганца. Представлены результаты исследования структурных, транспортных, магнитных и теплофизических свойств новых материалов. Отчёт содержит информацию о закупленном оборудовании, материалах и комплектующих, об организации 2-го Международного семинара по функциональным MAXматериалам (2st 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. Представлены основные положения подготовленной членом научного коллектива (Ф.Н. Томилин) докторской диссертации, а также основные положения защищенных кандидатских диссертаций двух членов научного коллектива (М.А. Высотин и А.В. Лукьяненко). При исследовании пленок с вариацией состава M = Mn, Cr был определен перечень составов четырёх компонентных 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 импульснолазерного 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. Исследована стабильность Mn- и Fe-содержащих МАХ фаз. Установлено, что семь соединений: Mn2GeC, Mn2AlC, Mn2GaN, Mn2GeN, Mn2SiC, Fe2GaC и Fe2AlC метастабильны и очень близки к термодинамической стабильности с энтальпиями образования Hcp в пределах 0,1 эВ на атом. Можно предположить, что эти МАХ-фазы могут быть реализованы при небольшом приложенном давлении. Соединения Mn2AlC, Fe2GaC, Mn2GeC и Mn2GeN становятся стабильными при давлениях ~1,5 ГПа, ~5 ГПа, ~7 ГПа и ~2,5 Гпа, соответственно. Однако Fe2AlC, Mn2SiC и Mn2GaN остаются нестабильными до давления 20 ГПа. Был выполнен поиск ориентационных соотношений для роста i-MAX фаз. i-MAX фазы являются недавно обнаруженным семейством химически упорядоченных материалов, связанных с MAX-фазой, с химическим упорядочением в плоскости. Такие структуры могут служить базовой структурой для замещения атомами ранних переходных металлов Fe, Ni, Co и редкоземельных элементов. Тонкие плёнки позволяют стабилизировать структуры невозможные для синтеза в объёмном виде. В ходе исследований установлено, что формирование эпитаксиальных плёнок i-MAX фазы возможно на подножках сапфира ориентаций (001) и (0-14). Совместными усилиями с немецкими коллегами Михаэля Фарле - профессора Ульфа Видвальда были впервые изготовлены пленки Cr2AlC методом импульсного лазерного осаждения. Кроме того, было проведены успешные 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. Проведены синтез и исследования структурно-морфологических характеристик максенов (MXenes) на основе марганца. Исследования показывают, что функционализация двумерного материала на основе марганца, кислорода и углерода позволяет регулировать расстояния между слоями содержащими марганец, что дает возможность контролировать обменное взаимодействие между ними, воздействовать контролируемо на электронную структуру и настраивать магнитный порядок в двумерном материале. Проведены систематические исследования транспортных, магнитных и теплофизических свойств синтезированных материалов. В ходе исследований транспортных и магнитотранспортных свойств эпитаксиальных пленок (Cr0,5Mn0,5)2GaC разных толщин установлено, что пленки обладают металлическим типом проводимости, при низких температурах (ниже температуры Нееля) обнаружено, что вид полевых зависимостей магнитосопротивления чувствителен к ориентации внешнего магнитного поля, что может свидетельствовать о наличии сложной магнитной структуры в образце. Кроме того, для образцов эпитаксиальных пленок (Cr0,5Mn0,5)2GaC получены данные об удельной проводимости, концентрации и подвижности носителей заряда.