31 January 2024, 17:00

Исследованы свойства нового ферромагнетика

Ферромагнетизм — это способность материалов намагничиваться при действии слабых магнитных полей. Такие вещества сохраняют свое магнитное поле и в отсутствие внешних источников. Объемные ферромагнетики используются, например, для сердечников трансформаторов, генераторов и электродвигателей. Ферромагнетики обладают различными физическими свойствами, и для разных применений нужно подбирать соответствующие материалы. Ожидается, что двумерные ферромагнетики являются подходящими материалами для спинтроники — области науки и техники, использующей спин электронов для передачи и обработки информации.

Андрей Катанин, профессор, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, рассказывает: «Открытие графена в 2005 году дало новый импульс изучению 2D-материалов. В то время как графен немагнитен, изучение ферромагнитных материалов весьма важно, поскольку они обеспечивают реализацию двумерного магнетизма. Это делает актуальными синтез и исследование новых перовскитных ферромагнитных соединений, в том числе с возможностью магнитного порядка, как, например, Fe2C. Эти материалы перспективны для возможного применения в новых областях науки».

Перспективным путем получения новых ферромагнитных материалов является использование так называемых MAX-фаз, представляющих собой слоистые 3D-материалы из переходного металла, элемента 13 или 14 группы таблицы Менделеева и углерода или азота. Из таких соединений иногда удается химически протравить (или отслоить) средний слой, чтобы получить соединение только металла и углерода / азота. Эти соединения обладают металлическими свойствами, уникальной электрической емкостью и возможностью проникновения в другие среды. Благодаря этим свойствам такие композиты востребованы в электронике. Это делает актуальными синтез и исследование новых слоистых материалов, в том числе с возможностью реализации в них магнитного порядка.

В своем новом исследовании физики из лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ изучили соединение Fe2C, которое в перспективе можно синтезировать из MAX-фаз Fe2AC (A = Al, Si, Ge). Они теоретически предсказали стабильность этого класса материалов на основе железа. Наличие железа позволило авторам утверждать, что эти соединения будут иметь значительные магнитные моменты, обеспечивающие возможность сильного магнетизма.

Ученые рассмотрели кристаллическую структуру Fe2C. После расчета зонной структуры с помощью программного пакета Wan2mb, разработанного в лаборатории компьютерного дизайна материалов, был произведен учет магнитных и электронных корреляций в указанном веществе в рамках современного метода — динамической теории среднего поля. Расчеты показали, что Fe2C обладает локальным магнитным моментом 3,3 магнетона Бора со временем жизни ≃ 350 фемтосекунд (1фс=10-15 секунды). Авторы получили также плотность состояний и собственную энергию электронов с учетом их взаимодействия. Вычисленные авторами значения обменных взаимодействий позволили предсказать температуру магнитного перехода указанного вещества. В силу магнитной анизотропии типа «легкая плоскость» в рассмотренном веществе ожидается так называемый переход Березинского — Костерлица — Таулеса (БКТ), связанный со спариванием магнитных вихрей и формированием аналога дальнего магнитного порядка ниже соответствующей температуры перехода. Оценки указанной температуры дают значение температуры перехода TБКТ порядка комнатной, что более чем на порядок превосходит температуру перехода ранее известных аналогичных материалов. Результатом работы стали также теоретические оценки других физических характеристик вещества.

«Соединение Fe2C является многообещающим кандидатом в класс двумерных магнетиков. Наше исследование показало, что этот материал, как ожидается, будет термодинамически стабильным и может обладать ферромагнитным порядком с высокой температурой Кюри. Модель показала, что монослой Fe2C будет обладать сильными электронными взаимодействиями, которые могут внести значительный вклад в его электронные и магнитные свойства. Полученные значения делают это соединение хорошим кандидатом на роль двумерного ферромагнетика и позволят использовать его во многих отраслях науки и техники», — подытожил Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ.

Работа поддержана Российским научным фондом (грант 19-72-30043). Работа опубликована в журнале 2D Materials.

Source:  Пресс-служба МФТИ

News article publications

Read also

Предложен новый способ соединения комплексов металлов в периодическую решетку
Магнитные свойства таких материалов можно настраивать и тем самым, например, кодировать информацию, что полезно в разработке устройств памяти с большей емкостью
Materials Science
Organometallic chemistry
Spintronics
29 June 2023
Химики повысили чувствительность сенсоров к сероводороду
Они придумали новый способ, позволяющий при относительно низкой температуре получать наночастицы на основе оксидов олова, бария и лантана, чувствительные к этому ядовитому газу
Inorganic chemistry
Materials Science
New techniques
Sensors
Synthesis
22 April 2023
Сверхтонкий магнит связал графен с кремниевой технологией
Новый материал представляет собой сэндвич из графена и субмонослойной магнитной пленки на кремнии. Такое «соседство» с европием привносит в графен новые свойства, связанные с магнетизмом
Magnetism
Materials Science
New techniques
Spintronics
19 April 2023
Предложен новый материал для сверхбыстрой терагерцевой связи
Им оказался феррит кобальта, способный эффективно взаимодействовать с высокочастотным терагерцевым электромагнитным излучением и при этом гораздо более доступный и дешевый, чем описываемые другими исследователями материалы для таких же применений
Materials Science
Spintronics
Superconductivity
7 March 2023
Органика повысила стабильность катализаторов для водородной энергетики
Они оказались способны ускорять реакцию разложения воды как минимум в течение 1000 циклов при непрерывной работе и были устойчивы даже при температурах 150-200°С.
Alternative energy
Catalysis
Materials Science
New techniques
Synthesis
3 February 2023
Чернила на основе оксида олова стали основой детекторов спирта
Интересно, что их чувствительность (минимально определяемое содержание спирта составило всего 0,04%) увеличивалась с ростом влажности, что не характерно для таких типов сенсоров
Materials Science
Sensors
Synthesis
13 January 2023