Сведения о фактическом выполнении плана работы в отчетный период:
1. Проведены теоретические расчеты электронной структуры и ее модификации, а также соответствующих изменений объемной запрещенной зоны и энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ) в точке Дирака для серии объемных магнитно-упорядоченных топологических изоляторов (ТИ) со стехиометрией MnBi2Te4-x(Se,S)x) при частичном замещении атомов Te (c большим атомным спин-орбитальным (СО) взаимодействием) на атомы Se и S (с меньшим атомным СО взаимодействием) в объеме ТИ при изменении концентрации атомов Se и S. В результате расчетов были получены детальные дисперсионные зависимости топологических поверхностных состояний и ближайших состояний зоны проводимости и валентной зоны в направлении KΓZ для антиферромагнитного (АФМ) ТИ MnBi2Te4−xSex при значениях концентраций по отношению к концентрации атомов Mn 0% (x = 0), 25% (x = 1), 50% (x = 2), 75% (x = 3) и 100% (x = 4). Проанализированы изменения величины энергетической запрещенной зоны и возможность топологического фазового перехода (ТФП) в системе при вариации концентрации атомов Se. Расчеты показывают, что увеличение концентрации атомов Se до 50% приводит к существенному уменьшению объемной запрещенной зоны от 110 мэВ до 10 мэВ, в зависимости от уровня допирования атомами Se. При этом при дальнейшем увеличении концентрации атомов Se величина объемной запрещенной зоны опять увеличивается. В результате расчетов показана эволюция вкладов Te pz и Bi pz в состояния на краях объемной запрещенной зоны при изменении концентрации атомов Se. Показано, что когда величина запрещенной зоны переходит через минимум (при дальнейшем увеличении концентрации атомов Se) имеет место обратная инверсия вкладов Te pz и Bi pz состояний на краях запрещенной зоны, что свидетельствует о ТФП из топологического в тривиальное состояние, который происходит при концентрации атомов Se x ≈ 2, т.е. для системы со стехиометрией, близкой к MnBi2Te2Se2. Чтобы достичь более реального минимума величины запрещенной зоны, ввиду дискретного изменения концентрации атомов Se при расчетах, мы дополнительно ввели небольшую вариацию величины СО-взаимодействия (сдвиг на величину 0.1 от значения СО-взаимодействия, соответствующего минимальной величине запрещенной зоны), что привело к дополнительному уменьшению величины запрещенной зоны до 4 мэВ. При этом инверсия вкладов Te pz и Bi pz состояний на краях запрещенной зоны, свидетельствующая о топологическом фазовом переходе, как раз и происходит в области данной минимальной величины запрещенной зоны. Были проведены также расчеты для систем при частичной замене атомов Te на атомы S, которые показывают аналогичные изменения электронной структуры.
2. Проведен теоретический анализ возможности формирования синтетических слоистых магнитных топологических систем, созданных на основе MnBi2Te4, при частичной замене атомов Te на атомы Se и S в первом поверхностном семислойнике. Проведены теоретические расчеты модификации электронной структуры данных систем при изменении концентрации атомов Se и S в первом поверхностном семислойнике и анализ возможности реализации соответствующего ТФП. Проанализированы проявления ТФП в изменениях электронной структуры в данных системах. Показана модуляция величины ЭЗЗ в точке Дирака в структуре топологических поверхностных состояний (ТПС), при сохранении уникальных топологических характеристик системы. Показано, что замещение атомов Mn на атомы Se только в первом семислойном блоке (СБ) приводит к существенному уменьшению величины ЭЗЗ в точке Дирака в структуре ТПС, начиная от 58 мэВ и вплоть до 4 мэВ. Величина объемной запрещенной зоны между состояниями валентной зоны и зоны проводимости уменьшается при этом существенно в меньшей степени. Данные результаты показывают возможность модификации электронной структуры ТПС и соответствующей ЭЗЗ в точке Дирака при замещении атомов Mn на атомы Se только в первом семислойном блоке, без существенного нарушения объемных топологических свойств образца.
Проведено сравнительное теоретическое исследование новых топологических синтетических слоистых систем на основе собственного антиферромагнитного АФМ ТИ MnBi2Te4 с частичной заменой атомов магнитных металлов (Mn) на атомы немагнитных элементов (Si, Sn, Pb) в первом семислойном блоке (СБ) с целью модификации электронной структуры исходной системы. Проведены ab initio расчеты для систем вида Mn1−xAxBi2Te4/MnBi2Te4, где A = Si, Sn, Pb; x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, а также проведен детальный анализ возможностей нового метода модуляции величины ЭЗЗ в точке Дирака при сохранении уникальных объемных топологических свойств. Изученные системы показали высокую эффективность с точки зрения возможности модуляции ЭЗЗ в точке Дирака. При этом было показано, что при низких значениях параметра x (вплоть до х=0.5) основное влияние на электронную структуру системы происходит за счет разбавления магнитных моментов на Mn в первом СБ и перераспределения вкладов Bi pz и Tepz в состояния на краю ЭЗЗ. При x> 0.5 был обнаружен новый фактор, отвечающий за модуляцию ЭЗЗ – изменение орбитального состава ТПС. При этом при больших значениях параметра (x) замещение Mn такими элементами, как Sn и Pb, приводит к увеличению ЭЗЗ, в то время как замещение на Si приводит к уменьшению ЭЗЗ. Таким образом, было показано, что при низких концентрациях существенное влияние оказывает изменение магнитного момента системы, а выбор замещающего элемента не играет решающей роли. При высоких концентрациях замещающих элементов вклады состояний замещающих атомов в ТПС начинают играть уже существенную роль.
Изменение величины ЭЗЗ путем замены поверхностных магнитных атомов Mn на атомы немагнитных элементов может быть использовано для создания синтетических слоистых топологических структур с целенаправленно измененной электронной структурой ТПС и величиной ЭЗЗ в точке Дирака. При этом процесс замещения не сопровождается топологическим фазовым переходом, а ТПС сохраняются при любых значениях концентрации Si, Sn или Pb в системе.
3. Методом теории функционала плотности проведены расчеты, показывающие возможность реализации топологического фазового перехода из топологического в тривиальное состояние в АФМ ТИ MnBi2Te4 путем анализа изменений в электронной и спиновой структуре топологических поверхностных состояний и величины энергетической запрещенной зоны в точке Дирака при вариации величины СО-взаимодействия. Анализ показал, что данный ТФП соответствует минимуму ЭЗЗ, открываемой в точке Дирака, и характеризуется инверсией Te pz и Bi pz состояний с различной четностью на краях формируемой ЭЗЗ, что соответствует изменению знака ЭЗЗ области ТФП между топологической и тривиальной фазой. Проведен сравнительный анализ влияния толщины слэба на величину ЭЗЗ в точке Дирака в области ТФП. Полученные результаты показывают, что при уменьшении величины СО-взаимодействия (λSOC) величина ЭЗЗ в точке Дирака также уменьшается и доходит до минимума. После прохождения точки минимума величина ЭЗЗ опять начинает возрастать. Именно этот минимум в величине ЭЗЗ с инверсией вкладов инверсию вкладов Тe pz (Bi pz) на краях ЭЗЗ соответствует области ТФП между тривиальным и топологическим состоянием системы. Тривиальному состоянию системы соответствует ЭЗЗ положительного знака, а топологической фазе – ЭЗЗ отрицательного знака.
Проведены соответствующие расчеты изменения спиновой структуры с ориентацией спина параллельно (Sx) и перпендикулярно поверхности (Sz) при вариации величины λSOC в области значений, соответствующих ТФП. Анализ показывает, что во всех случаях (Sx) спиновая структура характеризуется геликоидальной структурой (противоположный знак спиновой ориентации для +kII and -kII, симметрично относительно точки Г (kII=0)), что типично для ТИ. Подобный характер спиновой структуры сохраняется как для топологической, так и тривиальной фазы вблизи точки Дирака. При этом (Sz) спиновая структура характеризуется явной инверсией спиновой ориентации в точке Г для состояния топологической фазы ((λSOC > λ0) и отсутствием спиновой инверсии в тривиальном состоянии (λSOC < λ0). Данные изменения (Sz) спиновой поляризации свидетельствуют о модуляции АФМ порядка при вариации λSOC в области ТФП. Показано, что когда система находится в состоянии ТИ, поверхностные ТПС локализованы вблизи поверхности, а для λSOC ниже точки ТФП, когда система находится в состоянии тривиального изолятора, данные состояния уже распределены по всему объему. Их локализация в этом случае соответствует локализации объемных состояний. Эти изменения также соответствуют переходу системы из топологического в тривиальное состояние. При этом показано, что максимальная степень Sz спиновой поляризации достигается именно в области ТФП (при подходе со стороны топологического состояния). При этом появление Sz спиновой поляризации в области ТФП свидетельствует о возможности реализации топологического магнитоэлектрического (МЭ) эффекта в области ТФП.
Приложение электрического поля перпендикулярно поверхности к системе, находящейся в состоянии ТФП, приводит к изменению электронной и спиновой структуры и переходу из топологического в тривиальное состояние системы и наоборот при смене направленности приложенного поля и показывает возможность реализации топологического МЭ эффекта в области ТФП. Результаты расчетов показали, что при приложении поля положительной полярности внеплоскостная спиновая Sz компонента в точке Дирака показывает явно увеличивающуюся степень спиновой Sz поляризации, что соответствует переходу системы в топологическое состояние (причем с величиной спиновой Sz поляризации даже большей, чем для топологической фазы без приложенного электрического поля). С другой стороны, при приложении поля отрицательной полярности система переходит в тривиальное состояние, уже без соответствующей инверсии спиновых состояний на краях ЭЗЗ в точке Дирака.
Результаты данных расчетов показывают, что с одной стороны, для системы, находящейся по параметрам в области ТФП, можно легко переводить систему из топологического в тривиальное состояние и наоборот, прикладывая перпендикулярно поверхности электрическое поле противоположной направленности, т.е. управлять ТФП. С другой стороны, электрическое поле, приложенное перпендикулярно поверхности, вызывает внеплоскостную (Sz) спиновую поляризацию, свидетельствующую о формировании локального магнитного поля, перпендикулярно поверхности, что соответствует возможности реализации топологического МЭ эффекта в области ТФП.
4. Методом теории функционала плотности проведены теоретические расчеты особенностей электронной структуры и ее изменений при частичном замещении атомов магнитного металла Mn на атомы немагнитного элемента Ge для объемных магнитных ТИ изоляторов со стехиометрией Mn1-xGexBi2Te4 при постепенном изменении концентрации атомов Ge (х) от 0 до 1. Проведен анализ возможности реализации объемного ТФП (с переходом между топологическими фазами, характеризующимися различными топологическими инвариантами) и связи ТФП в таких системах с изменениями электронной структуры. Проведенные расчеты, с одной стороны, показывают явное уменьшение величины, как объемной запрещенной зоны, так и ЭЗЗ в точке Дирака при увеличении концентрации атомов Ge, что показывает возможность модуляции электронной структуры ТПС, а также величины ЭЗЗ в точке Дирака в структуре ТПС при постепенном замещении атомов Mn на атомы Ge. С другой стороны, расчеты показывают, что при концентрации атомов Ge выше 50% наблюдается инверсия вкладов Te pz и Bi pz состояний как на краях объемной запрещенной зоны, так и на краях ЭЗЗ в точке Дирака в структуре ТПС. При этом происходит значительное пространственное перераспределение топологических поверхностных состояний, что свидетельствует о топологическом фазовом переходе в системе. Полученные результаты показывают возможность модуляции величины как объемной запрещенной зоны, так и ЭЗЗ в точке Дирака при увеличении концентрации атомов Ge при постепенном замещении атомов Mn на атомы Ge, что может быть использовано для целенаправленной модуляции топологических свойств новых конструируемых спиновых и наноэлектронных устройств на основе данных материалов.
5. Проведен практический синтез объемных магнитно-упорядоченных АФМ ТИ со стехиометрией Mn1-xGexBi2Te4, полученных путем постепенного замещение атомов магнитных металлов (Mn) на атомы элементовe IV группы (Ge) с варьированием концентрации примесных атомов Ge (х) от 0 и до 1. Методом РФЭС измерены спектры внутренних уровней (и их детальная структура) и определены реальные стехиометрии синтезированных образцов. Методами ФЭС с угловым разрешением (ФЭСУР) проведены экспериментальные исследования электронной структуры ТПС и ее изменений при частичном замещении атомов магнитного металла Mn на атомы немагнитного Ge в синтезированных объемных магнито-упорядоченных ТИ со стехиометрией Mn1-xGexBi2Te4 при вариации концентрации атомов Ge. Методом ФЭСУР измерены дисперсии топологических поверхностных состояний, а также ближайших состояний валентной зоны и зоны проводимости. Детально измерены изменения величины ЭЗЗ в точке Дирака в структуре ТПС при увеличении концентрации атомов Ge. Экспериментально измерены и проанализированы дисперсионные зависимости для объемных состояний на краях валентной зоны и зоны проводимости, показывающие изменения величины объемной запрещенной зоны, а также величины ЭЗЗ в точке Дирака в структуре ТПС при увеличении концентрации атомов Ge в соединениях Mn1-xGexBi2Te4, измеренные как при фотовозбуждении гелиевой лампой (hv=21.2эВ), так и при фотовозбуждении лазерным излучением (hv=6.3 эВ), которые характеризуются, соответственно, большей объемной и поверхностной чувствительностью. Показано постепенное уменьшение величины запрещенной зоны вплоть до нулевых значений при концентрации атомов Ge до 50-60% (по отношению к концентрации атомов Mn) с постепенным переходом к структуре, характерной для Mn-допированного ТИ GeBi2Te4, при концентрациях атомов Ge выше 90%. Измеренные экспериментальные спектры, соответствующие дисперсии ТПС и ближайших состояний зоны проводимости и валентных состояний, а также изменения в величинах Дираковской ЭЗЗ и объемной запрещенной зоны коррелируют с результатами теоретических расчетов для АФМ ТИ Mn1-xGexBi2Te4.
6. Проведены экспериментальные исследования магнитных свойств для серии магнитно-упорядоченных ТИ со стехиометрией Mn1-xGexBi2Te4 при изменении концентрации атомов Ge методом сверхпроводящей магнитометрии (СКВИД) и проанализированы изменения магнитной структуры при реализации объемного ТФП в данных системах. Проведены исследования атомной структуры и ее изменений при вариации концентрации атомов Ge методами АСМ и СТМ (атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии). Результаты исследований показали, что для всех исследуемых концентраций замещающего элемента (Ge) тип магнитного упорядочения остается АФМ, а температура Нееля (TN) и поле спин-флоп перехода (HSF) уменьшаются с ростом концентрации Ge. Такое поведение объясняется совместным влиянием на магнитные свойства как магнитного разбавления, так и увеличения параметров кристаллической решетки при замещении Mn на Ge. Выявлено отклонение магнитных характеристик материала от монотонного характера при малых концентрациях (<10%). В диапазоне концентраций около 40–60%, где, согласно расчетам по теории функционала плотности, ожидается топологический фазовый переход в Mn1-xGexBi2Te4, особых изменений в магнитных свойствах не выявлено. Анализ поверхности с использованием атомно-силовой микроскопии выявил наличие ступенек, высота которых соответствует семислойным пакетам, подтверждая присутствие фазы Mn1-xGexBi2Te4 на поверхности. Изменения высоты ступенек при изменении концентрации Ge в пределах погрешности не обнаружено (около 0.3 нм), что согласуется с данными рентгеновской дифракции, показывающими изменение высоты ступеньки между MnBi2Te4 и GeBi2Te4 около 0.1 нм.
В рамках работы по проекту проведены исследования поверхностного магнетизма в системах на основе MnBi2Te4 с использованием магнитооптического эффекта Керра (МОЭК). Магнитные свойства вблизи поверхности могут претерпевать изменения по сравнению с объемными магнитными свойствами, связанные с уменьшением коэрцитивной силы поверхностного блока. Было проведено сравнительное исследование магнитных свойств материалов MnBi2Te4 и MnBi4Te7 и исследована зависимость сигнала МОЭК от температуры. Было показано, что можно оценивать температуру магнитного перехода, используя МОЭК при направлении внешнего поля перпендикулярно к направлению магнитного момента в образце. Были измерены спектры ФЭСУР, РФЭС, СКВИД И МОЭК для образцов MnBi2Te4, MnBi4Te7. Полученные результаты показывают, что для образцов MnBi2Te4 температура АФМ перехода на поверхности соответствует объемной, в то время как температура ФМ перехода ниже объемной. В то же время на поверхности MnBi4Te7 наблюдаются два магнитных перехода: один при температуре, соответствующей объемному магнитному переходу в MnBi4Te7, а другой при температуре, соответствующей объемному магнитному переходу в MnBi2Te4. При этом температуры магнитных переходов на поверхности MnBi4Te7 ниже объемных.
7. Проведен теоретический анализ возможности формирования синтетических слоистых магнитных топологических систем, созданных на основе MnBi2Te4, путем частичного замещения в первом поверхностном семислойнике (семислойном блоке) атомов магнитного металла (Mn) на атомы немагнитного элемента (Ge). С целью анализа контролируемой модификации электронной структуры ТПС в системах на основе MnBi2Te4 методом теории функционала плотности были проведены теоретические расчеты модификации дисперсионных зависимостей ТПС и ближайших состояний зоны проводимости и валентной зоны в системе Mn1−xGexBi2Te4/MnBi2Te4 при изменении концентрации атомов Ge только в первом семислойном блоке (СБ) и проанализированы изменения величины ЭЗЗ в точке Дирака как для ТПС, так и соответствующих изменений объемной запрещенной зоны. Проведен анализ возможности реализации ТФП в таких системах. Проведены расчеты дисперсионных зависимостей ТПС и соответствующих изменений величины ЭЗЗ в точке Дирака для системы вида Mn1−xGexBi2Te4/MnBi2Te4, где x = 0.25, 0.5, 0.75 и 1.0. Расчеты показывают, что при увеличении концентрации атомов Ge (при замещении атомов Mn на атомы Ge только в первом СБ) наблюдается постепенное уменьшение величины ЭЗЗ в очке Дирака в структуре ТПС от 58 мэВ (для чистого MnBi2Te4) и практически до нуля при 100% замещении атомов Mn на атомы Ge. Величина объемной запрещенной зоны в такой системе при вариации концентрации атомов Ge только в поверхностном СБ при этом практически не изменяется. Тем самым была показана возможность создания нового типа топологических синтетических систем с возможностью контролируемой модуляции величины ЭЗЗ в точке Дирака при сохранении уникальных объемных топологических свойств системы. Анализ вкладов Tepz и Bi pz состояний на краях объемной запрещенной зоны показал, что объемного ТФП в данной системе не происходит, что свидетельствует о сохранении уникальных объемных топологических свойств системы Mn1−xGexBi2Te4/MnBi2Te4 при замене Mn на Ge только в первом поверхностном СБ.
8. В рамках проекта отработаны методики CVD-синтеза графена на монокристаллах Pt(111) и Ir(111). Отличительной особенностью методики синтеза является формирование только одного домена, не повернутого относительно поверхности монокристалла Ir(111). Наличие только однодоменного графена на поверхности повышает качество экспериментальных данных и облегчает их интерпретацию, в том числе и для систем, полученных последующей интеркаляцией графена атомами благородных и магнитных металлов. Проведены экспериментальные исследования электронной и кристаллической структуры синтезированных систем методом дифракции медленных электронов (ДМЭ) и ФЭСУР с подробным анализом карт интенсивности вблизи К-точки зоны Бриллюэна.
В рамках работ по проекту проведены экспериментальные и теоретические исследования электронной структуры систем Pt(111) и графен/Pt(111). В ходе работы была проведена очистка монокристалла Pt(111) с использованием ионного травления и высокотемпературных отжигов, в том числе в атмосфере кислорода, а также последующий синтез графена. Проведено комплексное экспериментальное исследование с использованием методов фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) электронной структуры Pt(111) и графена, сформированного на подложке Pt(111). В ходе работы, были изучены и применены подходы по модификации электронной структуры графена, приводящие к его функционализации для эффективного применения в устройствах спинтроники. Эксперимент включал в себя синтез систем с последующим исследованием электронной структуры графена методами ФЭСУР и РФЭС. Синтез системы проводился в несколько этапов: 1) Чистый монокристалл Pt(111) был получен повторными циклами отжига в атмосфере аргона при 1300 K. Упорядоченность образцов и чистота поверхности были проверены с использованием метода ДМЭ и РФЭС; 2) Монослой графена был синтезирован на поверхности Pt(111) методом химического осаждения из газовой фазы путём крекинга пропилена в течение 60 минут при давлении 1 · 10-7 мбар и при температуре образца 1200 K; 3) Качество синтезированной структуры было проверено с помощью ДМЭ и РФЭС. В результате исследований выявлено формирование спин-поляризованных состояний в области точки M(Pt) поверхностной зоны Бриллюэна Pt(111). Теоретические исследования данных поверхностных состояний обнаружили Sz (внеплоскостную) спиновую поляризацию, которая максимальна в области объемных запрещенных зон платины и уменьшается вблизи их краев. Данное поведение связано с изменением локализации волновых функций состояний вблизи поверхности и их смещением в глубину кристалла, то есть происходит переход от поверхностных состояний к поверхностным резонансам. Выявленная внеплоскостная (Sz) спиновая поляризация состояний дает новые возможности для манипуляции электронной структурой и спиновой текстурой вблизи уровня Ферми.

Публикации по проекту в 2023 году
1. Estyunina T. P., Shikin A. M., Estyunin D. A., Eryzhenkov A. V., Klimovskikh I. I., Bokai K. A., Golyashov V. A., Kokh K. A., Tereshchenko O. E., Kumar S., Shimada K., Tarasov A. V. Evolution of Mn1-xGexBi2Te4 electronic structure under variation of Ge content // Nanomaterials. – 2023. – Vol. 13(14). – N. 2151.
2. Гогина А. А., Рыбкина А. А., Тарасов А. В., Шикин А. М. и Рыбкин А. Г. Спин-поляризованные состояния в электронной структуре Pt(111) и графен/Pt(111) // Кристаллография (Crystallography Reports). – 2024. – N. 1. Принята в печать.
3. Глазкова Д. А., Естюнин Д. А., Тарасов А. С., Косырев Н. Н., Комаров В. А., Патрин Г. С., Голяшов В. А., Терещенко О. Е., Кох К. А., Королёва А. В., Шикин А. М. Исследование поверхностного магнетизма в системах на основе MnBi2Te4 с использованием магнитооптического эффекта Керра // Кристаллография (Crystallography Reports). – 2024. – N. 1. Принята в печать.
4. Шикин А. М., Естюнина Т. П., Ерыженков А. В., Зайцев Н. Л., Тарасов А. В. Исследование взаимосвязи топологического фазового перехода, аксионо-подобного состояния и магнитоэлектрического эффекта в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4 // ЖЭТФ. – 2024. – Т. 165. – N. 4-5. Принята в печать.
5. Естюнина Т. П., Тарасов А. В., Ерыженков А. В., Шикин А. М., Новые синтетические топологические системы Mn1−xAxBi2Te4/MnBi2Te4 (A=Si, Ge, Sn, Pb), направлена в журнал Письма в ЖЭТФ.