ИСТИНА

Объектами исследования в данной работе являются бинарные пниктиды ряда d-элементов с нетривиальными электронными и магнитными свойствами. К ним относятся Дираковский полуметалл Cd3As2, семейство полуметаллов Вейля на основе пниктидов ниобия и тантала, а также фосфид железа обладающий необычной геликоидальной магнитной структурой. Перечисленные выше соединения будут синтезированы в виде монокристаллов, кроме того, планируется синез ряда их производных – продуктов изо- и гетеровалентного замещения в катионной и анионной подрешетках, большинство из которых будут синтезированы впервые. Полученные монокристаллы будут идентифицироваться методами рентгеновской дифракции, и рентгеноспектрального микроанализа. Будут исследованы магнитные и транспортные свойства, удельная теплоемкость. Особенности локальной электронной и магнитной структуры будут определяться с помощью спектроскопии ЯМР на ядрах 31P и As. Для установления электроннного строения будет применяться метод ARPES, для изучения магнитных свойств в ряде случаев будет применяться метод неупругого рассеяния нейтронов. Планируемое исследование послужит развитию методов синтеза монокристаллов с различным уровнем замещения, изучение кристаллического строения и физических свойств полученных пниктидов d-элементов с нетривиальными электронным и магнитным поведением позволит выявить взаимосвязь между их составом, строением и свойствами, что внесет фундаментальный вклад в современную химию и физику твердого тела.

The objects of investigation in this work are binary pnictides of a number of d-elements with nontrivial electronic and magnetic properties. These substances include the Dirac semimetal Cd3As2, a family of Weyl semimetals based on niobium and tantalum pnictides, as well as iron phosphide with an unusual helicoidal magnetic structure. The above mentioned compounds will be synthesized in the form of single crystals and in addition it is planned to synthesize a number of their derivatives – iso- and heterovalent substitution products in the cation and anion sublattices, most of which will be synthesized for the first time. The single crystals obtained will be identified by X-ray diffraction methods and X-ray spectral microanalysis. Magnetic and transport properties, specific heat capacity will be investigated. The features of the local electronic and magnetic structure will be determined by NMR spectroscopy on 31P and As nuclei. To establish the electronic structure the ARPES method will be used, in order to study the magnetic properties a method of inelastic neutron scattering will be used in a number of cases. The planned study will serve to develop methods for the synthesis of single crystals with different levels of substitution, the study of the crystal structure and physical properties of the obtained pnictides of d-elements with nontrivial electronic and magnetic behavior. This will reveal the relationship between their composition, structure and properties, which will make a fundamental contribution to modern chemistry and solid state physics.

1. Изучение фазовых соотношений в системе Cd3As2 – Cd3P2 путем синтеза поликристаллических образцов Cd3(As1-xPx)2 с различной степенью замещения x. Определение зависимости параметров кристаллической ячейки от состава и на основании полученных данных установление границ твердых растворов на основе арсенида кадмия Cd3As2 (пространственная группа I41/acd) и фосфида кадмия Cd3P2, (пр. гр. P42/nmc). 2. Оптимизация условий выращивания монокристаллов Cd3(As1-xPx)2 из раствора в жидком кадмии с различным уровнем замещения. Установление зависимости состава образующихся кристаллов от состава исходной смеси (Cd + As + P). Первичная физическая характеризация свойств полученных образцов. Проведение рентгеноструктуного анализа некоторых образцов. 3. Синтез монокристаллов Cd3-xZnxAs2 из раствора в расплавленном кадмии для проведения исследований методом ARPES. Изучение возможности получения монокристаллов Cd3-xMxAs2 (пр.гр. I41/acd) с другими вариантами замещения (M=3d-элемент, РЗЭ). 4. Синтез бинарных пниктидов ниобия и тантала MPn (M=Nb, Ta, Pn=P, As) в виде поликристаллических образцов (необходимы для дальнейшего использования в качестве прекурсоров) и монокристаллов. Получение поликристаллических образцов смешанных по катиону или аниону пниктидов ниобия-тантала - продуктов изовалентного замещения: Nb(1-x)TaxPn (Pn=As, P), MAs(1-x)Px (M=Nb, Ta). Установление зависимости параметров элементарной ячейки твердых растворов от состава. 5. Поиск экспериментально реализуемых вариантов гетеровалентного замещения в катионной подрешетке бинарных пниктидов ниобия (тантала) путем твердофазного синтеза. Будут рассмотрены варианты замещения Nb (Ta) на металлы, стоящие в таблице Менделеева правее (Mo, W) или левее (Ti, Zr). При обнаружении реализуемых вариантов – синтез монокристаллов методом химического транспорта и их первичная характеризация. 6. Синтез поликристаллического образца Ti1-xWxP – гетерометаллического аналога NbP. Установление пределов существования (x) фазы, изоструктурной с NbP. Поиск способа синтеза фазы указанного состава в виде монокристалла. Будут опробованы такие методы синтеза, как газовый транспорт, а также синтез с использованием флюса. 7. Синтез монокристаллов фосфида железа с размерами до 1 см и массой 0.1 – 0.5 г для проведения исследований физических свойств рядом методов, включая неупругое рассеяние нейтронов и твердотельный ЯМР на ядрах 31P. (Масса монокристалла должна составлять не менее 50-100 мг, это позволит использовать для эксперимента пакет из нескольких соосно сориентированных монокристаллов). 8. Синтез поликристаллических образцов фосфида железа с частичным замещением фосфора на мышьяк. Изучение влияния такого замещения на особенности магнитной и электронной структуры FeP1-xAsx. Оптимизация условий выращивания монокристаллов FeP1-xAsx методом газового транспорта. 9) Систематизация и обобщение полученного материала, представление полученных данных на научных конференциях, написание статей.

Отработана методика получения монокристаллов фосфида железа FeP, подобраны оптимальные условия синтеза, получены однофазные образцы и установлены особенности геликоидальной магнитной структуры фосфида железа с использованием методов мессбауэровской спектроскопии, а также 31P ЯМР. Нашим коллективом был успешно синтезирован однофазный поликристаллический образец TaAs, а также подобраны оптимальные условия для роста монокристаллов этого соединения. Интересен тот факт, что попытки использовать условия для роста кристаллов, ранее известные из литературы, приводили к росту монокристаллов другого состава (TaAs2). Монокристальные образцы Cd3As2 с частичным замещением на фосфор были получены методом сублимации. Кроме того, были проведены и первые эксперименты по получению монокристаллов Cd3As2 из раствора в расплаве кадмия, которые показали, что этот метод синтеза предпочтителен. Из полученных образцов удалось выделить монокристаллы и определить их строение методом РСА. В результате было впервые установлено, что устойчивость кристаллической модификации I41/acd ограничивается весьма небольшим содержанием фосфора (приблизительно 5-10 ат.%), при этом фосфор заселяет кристаллографические позиции атомов As избирательно. Авторы проекта обладают большим опытом транспортных и магнетотранспортных измерений в системах с пониженной размерностью, а также опытом анализа возникающих эффектов (эффект Холла, монотонное магнетосопротивление, слабая локализация, осцилляции Шубникова-де Гааза, влияние квантовых поправок от электрон-электронного взаимодействия и многие др.) [8, 9, 10]. Такого рода измерения необходимы для правильной характеризации топологически нетривиальных систем.

Получены крупные монокристаллы фосфида железа методом иодидного газового транспорта с массой достаточной для проведения исследований физических свойств методами неупругого рассеяния нейтронов и ЯМР на ядрах 31P. Полученные результаты были представлены на XXV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2018», Секция «Физика», конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» НМММ-XXIII.