Лаборатория физики магнитных явлений характеризуется сочетанием нескольких взаимопроникающих направлений: рост магнитных наноструктур и монокристаллов сопровождается экспериментальным исследованием магнитных и транспортных свойств таких материалов и наночастиц методами магнитооптики и спектроскопии, а также теоретическим расчетом их свойств.

Основные направления исследований

• Лучевая эпитаксия магнитных пленок и наноструктур в сверхвысоком вакууме.
• Рост магнитных монокристаллов и поликристаллов.
• Магнитооптические, транспортные и магнитные исследования, а также спектроскопия магнитных материалов.
• Синхротронные методики рентгеновской спектроскопии.
• Исследования магнитных наночастиц и биомолекул для биомедицинских применений.
• Расчеты методами теории функционала плотности свойств твердотельных материалов и биомолекул.
• Создание новых методов расчета материалов с сильными электронными корреляциями.

Основные достижения

• Разработан ростовой сверхвысоковакуумный магнитоэллипсометрический комплекс, объединяющий в себе возможности синтеза и in situ исследований различных полупроводниковых и ферромагнитных наноструктур эллипсометрическими и магнитоэллипсометрическими методами в широком диапазоне температур. Данный комплекс оборудован ступенчатой системой откачки, имеет три термических испарительных ячейки, что позволяет реализовать сверхвысоковакуумную (P = 10-8 Па) технологию молекулярно-лучевой эпитаксии и синтезировать сверхтонкие (единицы нанометров) планарные и многослойные структуры. Наличие управляемой, с помощью ЭВМ, магнитной системы оригинальной конструкции (Нвнеш до 6 кЭ) и встроенного спектрального эллипсометра обеспечивает возможность проведения как ex situ, так и in situ спектральных исследований (в диапазоне 360–1000 нм) магнитоэллипсометрическими методами. Для реализации возможности in situ измерений в температурном диапазоне 85–900 K был разработан и изготовлен специальный держатель образца, оригинальная конструкция которого позволяет охлаждать образец парами азота, а нагревание до высоких температур происходит как за счет прямого пропускания тока через проводящую подложку, так и за счет нагрева всего держателя до 700 K. Аналогов данного комплекса, позволяющих обеспечить эллипсометрический и магнитооптический контроль всех стадий технологического процесса в режиме реального времени и в широком диапазоне температур, в мире не существует.
• Впервые синтезированы и изучены ансамбли нано-кристаллов CuCr2Se4 в форме пластин, ориентированных в плоскости (111), в сопоставлении с тонкими пленками такого же состава и кристаллографической ориентации. Обнаружено формирование сборок, состоящих из ориентированных плоскостями друг к другу пластин. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты соседних нано-пластинок направлены противоположно друг другу и суммарный магнитный момент всех частиц близок к нулю. При приложении поля все моменты выстраиваются по его направлению, что позволяет с помощью магнитного поля перемещать всю стопку в нужном направлении. Показано, что магнитные, резонансные, транспортные и магнитооптические свойства как частиц, так и пленок обусловлены особенностями структуры и магнитной анизотропии. Данные наночастицы актуальны для применения в медицине в качестве биосенсоров. Результаты представлены в СМИ  и описаны в научных публикациях (I.S. Edelman, M. Esters, D.C. Johnson, G. Yurkin, A. Tarasov, M. Rautsky, M. Volochaev, S. Lyashchenko, R. Ivantsov, D. Petrov, L.A. Solovyov The competition between magnetocrystalline and shape anisotropy on the magnetic and magneto-transport properties of crystallographically aligned CuCr2Se4 thin films, J Magnetism Magnetic Materials 443, 107 (2017); I.S. Edelman, S.M. Zharkov, A.I. Pankrats, A.M. Vorotynov, V.I. Tugarinov, R.D. Ivantsov, D.A. Petrov, D.A. Velikanov, Chun-Rong Lin, Chin-Chang Chen, Yaw-Teng Tseng, Hua-Shu Hsu, Electron spin resonance in Cu1xFexCr2Se4 nanoparticles synthesized with the thermal decomposition method, J Magnetism Magnetic Materials 436, 21 (2017).
• С использованием различных экспериментальных методик и расчетов теории функционала плотности были изучены электронная структура, транспортные и оптические свойства тонких пленок силицидов марганца Mn4Si7 и Mn17Si30 с кристаллической структурой типа фаз Новотного. Впервые было получено новое соединение Mn17Si30 (I-42d) с помощью предложенного в работе метода селективного твердофазного синтеза. Измерения поглощения показывают, что оба материала демонстрируют прямые межзонные переходы около 0,9 эВ. Непрямые переходы наблюдаются вблизи 0,4 эВ. Согласно расчетам теории функционала плотности, идеально структурированный Mn17Si30 представляет собой вырожденный полупроводник n-типа; однако измерения Холла на обоих исследованных материалах показывают проводимость p-типа и вырожденную природу. Такой сдвиг уровня Ферми объясняется введением вакансий кремния в соответствии с выполненными расчётами и оптическими характеристиками в области низких энергий фотонов (0,076-0,4 эВ). Было обнаружено, что подвижность Холла для тонкой пленки Mn17Si30 составляет 25 см2/В*с при Т = 77 К, что является самым высоким значением среди всех известных ранее фаз высших силицидов марганца. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала присутствие плазмонных пиков в спектрах валентной зоны Mn4Si7 и Mn17Si30. Экспериментальные спектры диэлектрической проницаемости (рис. 4) для соединений Mn4Si7 и Mn17Si30 в широком диапазоне (0,076-6,54 эВ) указывают также на вырожденный характер обоих материалов. Результаты представлены в СМИ  и описаны в (I.A. Tarasov, M.A. Visotin, T. V. Kuznetzova, A.S. Aleksandrovsky, L.A. Solovyov, A.A. Kuzubov, et al., Selective synthesis of higher manganese silicides: a new Mn17Si30 phase, its electronic, transport, and optical properties in comparison with Mn4Si7, Journal of Materials Science 53, 7571 (2018).

Основные приборы и оборудование

• Ростовой сверхвысоковакуумный магнитоэллипсометрический комплекс для синтеза и in situ исследований различных полупроводниковых и ферромагнитных наноструктур.
• Установка молекулярно-лучевой эпитаксии "Ангара", модифицированная для напыления магнитных наноматериалов с эллипометрическим in situ контролем толщины и эффекта Керра.
• Спектральный эллипсометр «Эллипс-1891».
• Самодельный сверхвысоковакуумный технологический и исследовательский комплекс «Магнитоэллипсометр».
• Магнитооптический спектрофотометр с гелиевым криостатом и магнитным полем до 4,2 Т.
• Спектрометры для измерения магнитооптических эффектов Фарадея, магнитного кругового и линейного дихроизма.

Сотрудники

Заведующий лабораторией Овчинников Сергей Геннадьевич доктор физико-математических наук, профессор      +7 391 2494556 sgo@iph.krasn.ru