Премия Правительства Москвы молодым учёным учреждена десять лет назад для поддержки молодых талантливых исследователей.

Представляем работы нескольких лауреатов за исследования и разработки, выполненные в номинациях: математика, механика и информатика; химия и науки о материалах; медицинские науки; передовые промышленные технологии; приборостроение.

Слоистые кристаллы для спинтроники

Необычные свойства двумерных материалов привлекают внимание исследователей во всём мире. Вслед за открытием графена в 2004 году стали появляться многочисленные сообщения о других 2D-материалах. Но лишь в 2016 году вышли первые научные публикации о магнитных 2D-материалах с необычными магнитными и транспортными свойствами. Причём, как и графен, их можно получать простым отслаиванием, что вызвало к ним особый интерес. Ведь другие методы получения однослойных плёнок, например эпитаксия, сложны и дороги.

Магнитные двумерные материалы считают весьма перспективными для спинтроники — быстро развивающегося направления, которое существенно может продвинуть развитие электроники и информационных технологий. В настоящее время электроника основана на использовании процесса переноса заряда электрона. Но у электрона есть и собственный магнитный момент — «спин». Использование этой второй фундаментальной характеристики электрона сулит создание принципиально новых устройств микро- и наноразмеров — высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов хранения информации с более высокой плотностью записи и большей скоростью переключений, новых методов вычислений и кодировки информации, использующих квантовые когерентные эффекты и т. д.

Магнитные 2D-материалы относят к так называемым ван-дер-ваальсовым материалам. Они представляют собой кристаллы, состоящие из атомарно-тонких слоёв, связанных слабыми (по сравнению, например, с валентной связью) силами Ван-дер-Ваальса, что и позволяет получать 2D-слои простым отщеплением, а также комбинировать их со слоями других материалов и формировать на их основе магнитные ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, в которых возможны эффекты спинтроники.

На сегодняшний день свойства магнитных 2D-материалов ещё недостаточно изучены, и многие научные группы в мире активно их исследуют, открывая новые соединения с нужными характеристиками. Проблема в том, что постоянные магнитные свойства (ферромагнетизм, антиферромагнетизм) двумерные материалы теряют выше некоторой критической температуры, которая у них крайне низкая. Но, как уже известно, двумерные материалы значительно отличаются от своих объёмных аналогов в некоторых аспектах. Например, магнитные свойства объёмного материала никак не изменяются во внешнем электрическом поле. Для двумерного материала магнитный порядок может быть стимулирован с помощью электрического потенциала, что открывает новые возможности управления магнетизмом двумерных устройств. При этом поиск материалов, у которых магнитные свойства могут быть стабилизированы при достаточно высоких температурах, вплоть до комнатной, в том числе и с помощью внешних воздействий, очень важен.

Подобными исследованиями занимаются на химическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова. Группа под руководством кандидата химических наук Валерия Верченко изучила фундаментальные свойства (магнетизм, электронную структуру, транспортные свойства) соединений железа и марганца — теллуридов, селенидов, сульфидов, на основе которых разработала новые двумерные материалы для квантовых магнитоэлектронных устройств. В этих соединениях переходные металлы содержатся в ван-дер-ваальсовых слоях, подобно графену. Для примечательного соединения Fe₃GeTe₂ с помощью порошковой нейтронографии удалось впервые экспериментально обнаружить ферромагнитную структуру. Это соединение — великолепный материал для спинтроники, оно показывает рекордную спин-поляризацию тока электронов в простом спинэлектронном устройстве. (Степень спин-поляризации характеризует электрический ток, при котором одновременно с переносом электрического заряда переносится и спин.) И интересно тем, что ферромагнетизм для него может быть стабилизирован в двумерном материале при комнатной температуре.

Обнаружив ферромагнетизм для Fe₃GeTe₂, московские химики изучили родственные ему соединения и получили аналогичные по структуре соединения (такие как Fe₃AsTe₂) и более сложные ферромагнитные материалы, содержащие в ван-дер-ваальсовых слоях до пяти атомов железа (Fe5AsTe2). Такие богатые железом слоистые теллуриды, благодаря сохранению свойств при комнатной температуре, весьма близки к практическому применению для будущих ван-дер-ваальсовых гетероструктур и новых спинтронных архитектур.

Дальнейший поиск интересных соединений среди различных теллуридов увенчался успехом: исследователи обнаружили соединение NbFe_1,5Te₃, обладающее не только слоистым строением, но и легко управляемыми магнитными свойствами, включая индуцированный ферромагнетизм, что весьма интересно для практического применения.

Материаловеды МГУ изучили также поведение тройных халькогенидов — селенидов и сульфидов железа и марганца, образующих ван-дер-ваальсовы слои, то есть их объёмные кристаллы можно расщеплять и получать двумерные наноматериалы для спинтронных устройств. В результате исследований удалось открыть целое семейство соединений с многообещающими функциональными свойствами. Были получены несколько двумерных материалов со стабильной поверхностью (FeAl₂Se₄, MnAl₂S₄ и MnAl₂Se₄), для которых наблюдается уникальное квантовое взаимодействие электронных и магнитных свойств, индуцирующее ферромагнитное поведение, требуемое для спинэлек-тронных устройств. Исследования Валерия Верченко и его коллег поддержаны грантом Российского научного фонда № 21-73-10019.

За работу «Исследование соединений железа и марганца для создания двумерных магнитных материалов» Валерий Юрьевич Верченко удостоен премии Правительства Москвы молодым учёным за 2023 год в номинации «Химия и науки о материалах».

№4, 2024