ИСТИНА

Как исследование физических свойств двумерных структур, так и исследование физики сверхпроводимости, в частности, до сих пор остаются одними из самых актуальных научных проблем материаловедения, ввиду невероятно широкого спектра их возможных применений. Одним из самых ожидаемых является открытие сверхпроводников с достаточно высокой критической температурой для их применения в быту в качестве проводников, передающих электричество без потерь энергии. Недавно в ряде публикаций появились сообщения о том, что в некоторых случаях понижение размерности сверхпроводника с 3D до 2D приводит к существенному увеличению критической температуры – с 8 до 100 К для сверхпроводника на основе железа FeSe. Однако фундаментальные причины, которые приводят к такому изменению, так и не выявлены, что не позволяет применять полученные экспериментальные данные для поиска новых высокотемпературных сверхпроводников. В данной работе предлагается решение этой проблемы путем установления общих закономерностей изменения сверхпроводящих свойств в зависимости от других физико-химических параметров, которые также изменяются при понижении размерности, в частности, зонной структуры. Сочетание теоретического и экспериментального подходов позволит наиболее полно охарактеризовать изменения, происходящие со сверхпроводниками на основе селенида железа при понижении их размерности.

Investigation of physical properties of low dimensional structures and, in particular, superconductors are still remain one of the most actual scientific problems due to extremely wide range of possible applications. One of the most expected results is the discovery of superconductors with high critical temperature that would be sufficient for using as conductors without energy loss. Recently it was reported that in some instances, reduction of dimensionality of a superconductor from 3D to 2D leads to a substantial increase of the critical temperature from - 8 to 100 K for FeSe. However, the fundamental principles that lead to such a change and not identified, which does not allow using of current experimental data for searching of new high-temperature superconductors. This project proposes a solution to this problem by establishing the general reasons of the superconducting properties change depending on other physical and chemical parameters that are also changed with decreasing dimension, in particular, the band structure. The combination of theoretical and experimental approaches will allow describing the changes that occur with superconductors based on iron selenide because of decreasing their dimensions from bulk to single layer.

В рамках проекта ожидается получение следующих результатов: 1) Будут установлены закономерности изменения зонной структуры в низкоразмерных сверхпроводниках на основе селенида железа, а также их связь (или её отсутствие) с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Полученные результаты позволят установить один из критериев, который может влиять на критические параметры низкоразмерных сверхпроводников, и заложить основы для поиска и дизайна сверхпроводников с высокой критической температурой. 2) Будут получены новые экспериментальные и теоретические знания о зонной структуре и сверхпроводящих свойствах низкоразмерных сверхпроводников на основе халькогенидов железа. 3) Впервые будет исследовано изменение зонной структуры при переходе от объемного материала к монослою в сверхпроводниках на основе селенида железа. 4) Впервые будут синтезированы и охарактеризованы монослоевые структуры на основе FeSe с частичным замещением селена на серу. 5) Полученные результаты будут представлены на международных и российских конференциях, а также опубликованы в международных журналах.

Руководитель проекта, являющийся аспирантом, уже 4 года работает в области получения железо-содержащих сверхпроводников и определения их физико-химических характеристик. В ходе этой работы был создан новый метод получения монокристаллов халькогенидов железа, наилучшего качества среди всех остальных используемых для этой цели методов. Руководитель является соавтором патента на изобретение RU 2538740 «Способ синтеза монокристаллических тетрагональных теллуридов железа и теллуридов железа, легированных серой и/или селеном». Синтезированные этим методом монокристаллы исследуются в ведущих лабораториях мира. Кроме того, руководитель имеет 5 публикаций в международных и отечественных журналах по схожей с заявленной теме, более 10 выступлений (в том числе устных) на российских и международных конференциях, неоднократно получал премии и награды, в том числе награжден дипломами победителя конференции «Ломоносов» в секции "Сверхпроводящие свойства твердых тел", как бакалаврский, так и магистерский дипломы руководителя были особо отмечены аттестационной комиссией Факультета наук о материалах МГУ. Кафедра физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета, Центр коллективного пользования факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова, на базе которых планируется выполнение экспериментальных работ по заявленному проекту, обладают самыми современными методами получения и исследования наноразмерных материалов, а Суперкомпьютерный центр МГУ позволяют проводить высокопроизводительные вычисления современными методами решения электронной структуры.

Работа над проектом делится на теоретическую (расчетную) и экспериментальную части. В рамках теоретической части были уточнены кристаллические структуры, а также проведены расчеты зонной структуры и плотности состояний методом теории функционала плотности (DFT) в PAW-PBE приближении для объемных и низкоразмерных соединений FeSe, FeTe без и с учетом нестехиометрии, магнитного упорядочения, кулоновского уточнения состояния локализованных электронов. Были предприняты попытки получения аналогичных данных для образцов на подложках SrTiO3, что, однако, оказалось затруднено высокими требованиями к вычислительным ресурсам. В рамках экспериментальной части работы над проектом были получены и охарактеризованы образцы монокристаллов халькогенидов железа различного состава FeSe, Fe1+yTe, а также серии смешанных халькогенидов Fe1+y(Se1-xTex) с х = 0.1-0.6, Fe1+y(Te1-xSx) с x = 0 – 0.1, Fe1+y(Se1-xSx) с х = 0 – 0.2 и Fe1+y(Te1-x-zSexSz) с z = 0 - 0,1, x = 0,4 - 0.5. Полученные кристаллы далее исследовались с целью изучения их сверхпроводящих свойств, а также использовались для получения низкоразмерных структур методом механического расслаивания. Выбор метода механического расслаивания для получения низкоразмерных структур обусловлен результатами экспериментальной работы, проведенной на начальных этапах реализации Проекта. Главные результаты данной работы относятся к группе соединений Fe1+y(Te1-xSx) с x = 0 – 0.1. Было установлено, что наличие даже небольшого количества серы (x<0.02) в структуре несверхпроводящего Fe1+yTe приводит к подавлению как структурного, так и магнитного фазовых переходов, что в конечном итоге приводит к сверхпроводимости. Совокупность экспериментальных и расчетных результатов указывает на корреляцию между сверхпроводящими свойствами и структурными особенностями в данных соединениях, оказывающими прямое влияние на зонную структуру. Дальнейшее сопоставление сверхпроводящих параметров и зонных структур, основанных на экспериментальных данных о реальной кристаллической структуре высококачественных монокристаллов, позволит сделать вывод о движущей силе для возникновения сверхпроводимости в соединениях на базе несверхпроводящего теллурида Fe1+yTe. Кроме того, нами был проведен подробный анализ сверхпроводящих свойств смешанного халькогенида Fe1+y(Se1-xTex) с x≈0.5, определены его критическая температура сверхпроводящего перехода (Tc ≈ 14 K.), количество и величины сверхпроводящей щели и их зависимость от температуры. Было показано, что двухщелевое теоретическое описание наилучшим образом соответствует полученным экспериментальным данным. Были определены величины двух сверхпроводящих щелей 3.3-3.4 мэВ и 1 мэВ, а также их зависимости от температуры.