Полупроводниковые и магнитные MXene на основе лантаноидов: прорыв в материаловедении

Ученые из Университета Дрекселя впервые синтезировали MXene-материалы на основе лантаноидов, обладающие одновременно полупроводниковыми и магнитными свойствами. Это открытие, опубликованное в журнале Nature, может привести к созданию новых устройств для электроники, спинтроники и квантовых вычислени

Синтез новых MXene из интеркалированных галогенидов

Группа ученых под руководством Юрия Гогоци разработала метод синтеза MXene из слоистых прекурсоров — галогенидов лантаноидов, интеркалированных между слоями карбида или нитрида. В качестве исходных соединений использовались, например, LaCl3 и CeCl3, внедренные в структуру Ti3C2Tx. После обработки фтороводородной кислотой или другими реагентами происходило селективное удаление лантаноидных слоев, что приводило к формированию двумерных MXene. Полученные материалы содержат остаточные лантаноиды, которые придают им уникальные электронные и магнитные свойства.

Почему это важно для науки и технологий?

MXene — класс двумерных материалов, открытый в 2011 году группой Гогоци. Обычно их получают из MAX-фаз (слоистых карбидов и нитридов переходных металлов). Однако до сих пор не удавалось создать MXene с встроенными магнитными ионами, такими как лантаноиды. Лантаноиды обладают сильным спин-орбитальным взаимодействием и могут обеспечивать магнитное упорядочение при комнатной температуре. Новый метод позволяет вводить эти элементы в структуру MXene, открывая путь к материалам с контролируемыми магнитными и полупроводниковыми свойствами.

Как это работает?

Ключевая идея — использование интеркалированных галогенидов лантаноидов в качестве прекурсоров. При интеркаляции ионы лантаноидов располагаются между слоями MXene, а затем частично удаляются, оставляя атомы лантаноидов, внедренные в решетку. Эти атомы создают локальные магнитные моменты и изменяют электронную структуру, превращая материал из металла в полупроводник. Метод позволяет варьировать тип и концентрацию лантаноида, что дает возможность настраивать свойства.

Технические подробности и анализ

Ученые синтезировали несколько образцов с различными лантаноидами (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb) и изучили их структуру методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. Измерения магнетизма показали, что некоторые образцы (с Gd, Dy, Er) обладают ферромагнитным или антиферромагнитным упорядочением при температурах до 10 К. Электронные измерения выявили полупроводниковый характер проводимости с шириной запрещенной зоны около 0.5–1.0 эВ, в зависимости от лантаноида. Теоретические расчеты подтвердили, что магнитные моменты локализованы на f-орбиталях лантаноидов, а полупроводниковые свойства обусловлены модификацией зонной структуры.

Кого затронет и как

Это открытие важно для физиков и материаловедов, работающих над новыми функциональными материалами. Разработчики спинтронных устройств получат возможность создавать двумерные полупроводники с магнитным упорядочением, что необходимо для спиновых транзисторов и устройств магнитной памяти. Также это может стимулировать исследования в области квантовых вычислений, где требуются материалы с контролируемыми спиновыми состояниями. Для индустрии это пока фундаментальный результат, но в перспективе он может привести к созданию новых типов сенсоров и логических элементов. Российские научные группы, занимающиеся MXene и магнитными материалами, могут присоединиться к исследованиям в этом направлении.

Что будет дальше

Следующие шаги включают оптимизацию синтеза для получения более однородных образцов с высокой концентрацией лантаноидов. Ученые планируют изучить возможность управления магнитными свойствами с помощью электрического поля, что важно для практических приложений. Также ожидается исследование других интеркалированных соединений, например, с актиноидами, для расширения класса материалов. В ближайшие годы можно ожидать появления первых прототипов устройств на основе лантаноидных MXene.

Итог

Синтез полупроводниковых и магнитных MXene на основе лантаноидов представляет собой значительный прорыв в материаловедении. Этот новый класс двумерных материалов сочетает в себе магнитное упорядочение и полупроводниковые свойства, что открывает путь к созданию спинтронных и квантовых устройств нового поколения. Следите за развитием этой области — она может изменить представления о возможностях двумерных материалов.