Новая форма оксида железа (FeO) представляет собой металлический кристалл практически без дефектов, уникальный конгломерат электрических и магнитных характеристик и атомов, которые колеблются, как будто количество измерений уменьшилось. Этот замечательный материал был подготовлен, смоделирован и испытан физиками в Ведущем национальном исследовательском центре (KNOW) в Кракове, Польша, который включает, среди прочего, Институт ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN), Институт катализа и химии поверхности PAS (IKiFP PAN) и факультета физики и прикладной информатики Университета науки и технологий (WFiIS AGH).
Группа IFJ PAN отвечала за компьютерное моделирование материала. Команда из IKiFP PAN и WFiIS AGH, инициировавшая исследование, провела эксперименты, определяющие образование новых слоев оксида железа и его свойства. В работе также приняли участие физики Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Сорбоннского университета в Париже и Краковского педагогического университета.
"Мы много лет работали с материалами для моделирования, в том числе с оксидом железа. «Наши модели, построенные на основе фундаментальных принципов квантовой механики и статистической физики, позволили нам определять положения атомов в кристаллической решетке и предсказывать электрические, магнитные и термодинамические свойства материалов», – объясняет доктор Др.
Пшемыслав Пекарц, руководитель отдела вычислительного материаловедения IFJ PAN.
Краковские теоретики специализируются на изучении динамики решетки, что позволяет им определять, как атомы в кристалле материала колеблются.
Одним из основных инструментов, которые они используют, является программа PHONON, созданная и разработанная профессором. Кшиштоф Парлински (IFJ PAN).
Для оптимизации модели использовалось программное обеспечение VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package).
«Наша модель содержит слой кислорода и железа толщиной в один атом, нанесенный на подложку из платины. Атомы в монослое расположены в гексагональной структуре, подобной сотам, структуре, подобной знаменитым гексагональным двумерным слоям графена », – описывает Dr.
Piekarz. Он подчеркивает, что графен создает идеально плоскую поверхность, полностью состоящую из атомов углерода. Однако смоделированный слой оксида железа оказался гофрированным: каждый атом железа здесь был окружен тремя атомами кислорода, расположенными немного дальше от подложки, чем было железо.
Расчеты, проведенные для одного монослоя, установили, какие типы колебаний совершают атомы в кристаллической решетке при разных энергиях. Теоретические предсказания были подтверждены измерениями благодаря группе, возглавляемой проф.
Юзеф Корецкий (IKiFP PAN и AGH). Они не только разработали процедуру приготовления образцов с несколькими монослоями оксида железа на платиновой подложке, но в последние несколько лет они также провели серию измерений их свойств с использованием синхротрона ESRF в Гренобле.
«В нашей лаборатории ключом к стабилизации материалов неестественного происхождения является нанесение монокристаллических слоев на подложку – в данном случае это была правильно ориентированная монокристаллическая платина, – что усиливает структуру слоя растущей среды. В лабораториях ученым удалось получить структуру стехиометрического FeO, состоящую не более чем из двух монослоев оксида.
При добавлении последовательных слоев все автоматически превращается в магнетит Fe3O4. Мы смогли выбрать параметры процесса так, чтобы структура FeO оставалась стабильной при толщине в несколько атомных слоев », – говорит проф. Корецкий.
Эксперименты на синхротроне в Гренобле показали, что данные измерений, касающиеся колебаний атомов в кристаллической решетке новой формы оксида железа, полностью согласуются с теоретической моделью.
Анализ результатов для образцов с различным количеством слоев не просто подтвердил точность теоретического описания.
Оксид железа обычно образует кристаллические решетки, в которых атомы расположены по углам куба (это структура вюстита и, среди прочего, поваренной соли). Ожидалось, что после нанесения последовательных слоев FeO такая кубическая структура возникнет автоматически. Но анализ колебаний атомов в кристаллической решетке образцов показал, что системы, насчитывающие до десятка монослоев, все еще сохраняют гексагональную структуру.
Это означает, что исследователи из Кракова смогли получить новую разновидность оксида железа, отличающуюся от существующих кристаллических структур.
Последующие измерения показали, что для числа монослоев от шести до десяти атомы железа в кристалле имеют дальний магнитный порядок. Это необычная особенность, поскольку основной вариант оксида железа представляет собой антиферромагнетик, в котором магнитные моменты атомов железа в разных местах ориентированы в противоположных направлениях, и поэтому вещество в целом не намагничивается. Между тем, магнитные свойства новой фазы FeO видны даже при комнатной температуре.
«Материалы Spintronic для строительной техники востребованы уже много лет. Эти инструменты используют не только электрический ток, но и проводимость спина электрона, который отвечает за его магнитные свойства », – говорит Dr. Piekarz. «Наш новый материал – не изолятор, как большинство оксидов, а металл.
Таким образом, такое редкое для оксидов сочетание электрических и магнитных свойств может быть интересным для спинтроники, а также для построения различных типов датчиков и детекторов."
Однако особый интерес представлял анализ колебаний атомов в зависимости от количества слоев FeO на платиновой подложке.
Для одного или двух слоев движение атомов носит двумерный характер. Когда количество слоев достигает шести и более, атомы колеблются, как в типичном трехмерном кристалле. В изученных к настоящему времени материалах характер вибрации тесно связан с размерностью системы. Между тем, новый вариант оксида железа в трех, четырех и пяти слоях атомов оказался промежуточным, соответствующим дробным числам размеров.
«Мы имеем дело с первым материалом, в котором природа вибрации атомов постепенно переходит из двухмерной в трехмерную. Подобный эффект, хотя и ожидаемый теоретически, никогда ранее не наблюдался ни в одном другом веществе », – утверждает доктор.
Piekarz.
Исследования новой формы оксида железа, финансируемые за счет грантов Польского национального научного центра, описаны в журнале Physical Review Letters.