Команда физиков из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ исследовала электронные и магнитные свойства нового соединения Fe2C. Рассчитанные значения обменных взаимодействий и температуры магнитного перехода этого вещества указывают на наличие у этого материала ряда особых свойств. Теоретическое исследование показывает актуальность синтеза указанного вещества, ставя новые задачи перед экспериментаторами и инженерами. Работа опубликована в журнале 2D Materials.
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.
Рисунок 1. КристаллическаяМ (a, b) и зонная (c) структура соединения Fe2C
Ученые рассмотрели кристаллическую структуру Fe2C (рисунок 1 a, b). После расчета зонной структуры (рис. 1 с) 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).
