Исследования электронных эффектов в системах с пониженной размерностью стали передовым направлением науки из-за экзотического и легко настраиваемого характера квантовых явлений.

Недавно был открыт новый класс 2D-ультратонких металлоксенов LnX₂, состоящий из треугольной решётки ионов лантаноидов (Ln) в сочетании с 2D-ксенами — силиценом или германеном. До настоящего времени исследования этих материалов ограничивались изучением их магнитных и транспортных свойств, тогда как электронные свойства и их эффективная функционализация оставались в основном неизученными.

Группа исследователей из России, Италии и Китая, в том числе из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), провели исследование с использованием экспериментальных и теоретических методов семейства магнитных металлоксенов LnX₂ (Ln = Eu, Gd, Dy; X = Ge, Si) в пределе 1-2 монослоя. Структура плёнок, выращенных in-situ, была найдена путем сравнения расчётов методом ab initio поиска случайной структуры (AIRSS) с данными LEED и ранее опубликованными исследованиями HAADF-TEM для плёнок LnX₂, покрытых аморфным слоем SiO_x.

Исследователи обнаружили, что в зависимости от Ln и X элемента покрывающий слой способен инициировать изменение атомной структуры X₂/Ln интерфейса из стабильной в метастабильную.

В частности, металлоксены на основе двухвалентного Eu и трёхвалентного Gd(Dy) обычно демонстрируют три отличительные особенности атомной структуры: (1) различное положение атома Ln относительно подложки; (2) изогнутые соты по сравнению с плоскими промежуточными слоями Ge(Si) с вакансиями; 3) отсутствие каких-либо изменений интерфейса X₂/Ln в сравнении с изменением структуры под воздействием покрывающего слоя. Подобные структурные модификации способны привести к существенным изменениям электронных свойств и магнитной анизотропии. Рассчитанные электронные спектры стабильных плёнок, зависящие от элементов Ln и X, а также от толщины плёнки, полностью согласуются с наблюдениями ARPES для плёнок LnX₂ в парамагнитном и магнитном состояниях.

Таким образом, исследование даёт представление об электронных свойствах 2D-ультратонких LnX₂ со стабильными и метастабильными (реализуемыми в условиях покрытия) атомными структурами и предлагает способы управления ими путем изменения элементного состава, толщины плёнки и электрического поля для их эффективной функционализации.

Равновесная атомная структура монослоя GdSi₂, формирующаяся на Si(111), полученная как модель с минимальной энергией с использованием AIRSS метода и метастабильная структура плёнки с покрытием SiO_x измеренная HAADF-TEM. Рассчитанные электронные зонные спектры равновесной (вставка показывает ARPES спектр) и метастабильной структур.

Работа частично выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема № FWRW-2022-0001.

Результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Источник: ИФПМ СО РАН.