Электронная структура и сверхтонкие взаимодействия в CrxVSe2 (x ≤ 0.5): 51V ЯМР-исследование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнено систематическое исследование электронной структуры интеркалированного хромом дихалькогенида ванадия CrxVSe2 (x ≤ 0.5) с помощью рентгеновской дифрактометрии, магнитной восприимчивости и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах 51V. Определены значения компонент тензоров магнитного сдвига и градиента электрического поля в месте расположения ядер ванадия. При внедрении ионов хрома в матрицу VSe2 спектр ЯМР на ядрах 51V значительно уширяется, тонкая структура исчезает, а сдвиг линии меняет свой знак относительно диамагнитной точки. Выявлена существенная локальная зарядовая и спиновая неоднородность интеркалированных соединений. Установлено, что перекрытие 3d-, 4s-оболочек ионов ванадия и орбиталей хрома приводит к появлению на ядрах ванадия наведенного от магнитных моментов хрома положительного сверхтонкого поля. Из температурных зависимостей сдвига линии ЯМР и восприимчивости в CrxVSe2 (x ≤ 0.5) сделаны оценки констант сверхтонкого взаимодействия на ионах ванадия. В соединениях CrxVSe2 (0.1 ≤ x ≤ 0.5) обнаружены признаки формирования сверхструктуры позиций ионов хрома в плоскости ab.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Уткин

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108; ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

М. Е. Кашникова

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108; ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

А. Г. Смольников

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

В. В. Оглобличев

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. В. Пискунов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. Ф. Садыков

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Е. М. Шерокалова

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Н. В. Селезнева

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Н. В. Баранов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 62010

Список литературы

  1. Choi W., Choudhary N., Han G.H., Park J., Akinwande D., Lee Y.H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications // Mater. Today. 2017. V. 20. P. 116–130.
  2. Чернозатонский Л.А., Артюх А.А. Квазидвумерные дихалькогениды переходных металлов: структура, синтез, свойства и применение // Успехи физ. наук. 2018. Т. 188. С. 3–30.
  3. Yang J., Wang W., Liu Y., Du H., Ning W., Zheng G., Jin C., Han Y., Wang N., Yang Z., Tian M., Zhang Y. Thickness dependence of the charge-density-wave transition temperature in VSe2 // Appl. Phys. Letters. 2014. V. 105. P. 063109.
  4. Wiegers G.A. Physical properties of first-row transition metal dichalcogenides and their intercalates // Physica B+C. 1980. V. 99. P. 151–165.
  5. Sutar P., Grabnar D., Vengust D., Svetin D., Goreshnik E., Mihailovic D., Mertelj T. Photo-induced collective charge-density-wave dynamics in bulk 1T-VSe2 // APL Mater. 2024. V. 12. P. 071107.
  6. Bulaevskiǐ L.N. Superconductivity and electronic properties of layered compounds // Soviet Physics Uspekhi. 1975. V. 18. P. 514.
  7. Баранов Н.В., Васьковский В.О., Иванов О.А., Катаев В.А., Курляндская Г.В. Магнетизм наносистем на основе редкоземельных и 3d-переходных металлов. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2008. 277 с.
  8. Toporova N.M., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Ogloblichev V.V., Baranov N.V. Crystal structure, properties and griffiths-like phase in niobium diselenide intercalated with chromium // J. Alloys Compounds. 2020. V. 848. P. 156534.
  9. Selezneva N.V., Sherokalova E.M., Pleshchev V.G., Kazantsev V.A., Baranov N.V. Suppression and inducement of the charge-density-wave state in CrxTiSe2 // J. Phys.: Condensed Matter. 2016. V. 28. P. 315401.
  10. Gubkin A.F., Proskurina E.P., Kousaka Y., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Miao P., Lee S., Zhang J., Ishikawa Y., Torii S., Kamiyama T., Campo J., Akimitsu J., Baranov N.V. Crystal and magnetic structures of Cr1∕3NbSe2 from neutron diffraction // J. Appl. Phys. 2016. V. 119. P. 013903.
  11. Kaul A.B. Two-dimensional layered materials: Structure, properties, and prospects for device applications // J. Mater. Research. 2014. V. 29. P. 348–361.
  12. Skripov A.V., Stepanov A.P., Shevchenko A.D., Kovalyuk Z.D. NMR study of the charge-density-wave state in VSe2 // Phys. Stat. Sol. (B). 1983. V. 119. P. 401–410.
  13. Pushkarev G.V., Mazurenko V.G., Mazurenko V.V., Boukhvalov D.W. Structural phase transitions in VSe2: energetics, electronic structure and magnetism // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 22647–22653.
  14. Chazarin U., Lezoualc'h M., Chou J.-P., Pai W.W., Karn A., Sankar R., Chacon C.C., Girard Y., Repain V., Bellec A., Rousset S., Smogunov A., Dappe Y.J., Lagoute J. Formation of Monolayer Charge Density Waves and Anomalous Edge Doping in Na Doped Bulk VSe2 // Advanced Mater. Interfaces. 2023. V. 10. P. 2201680.
  15. Skripov A.V., Sibirtsev D.S., Yu G.C., Aleksashin B.A. 77Se NMR study of the charge density wave state in 2H-NbSe2 and 1T-VSe2 // J. Phys.: Condensed Matter. 1995. V. 7. P. 4479.
  16. Thompson A.H., Silbernagel B.G. Correlated magnetic and transport properties in the charge-density-wave states of VSe2 // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. P. 3420.
  17. Zhou M. Vanadium Diselenide: On the Verge of Charge Density Wave. Diss. Clemson University. 2016. 90 p. https://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/2414
  18. Yadav C.S., Rastogi A.K. Electronic transport and specific heat of 1T-VSe2 // Solid State Comm. 2010. V. 150. P. 648–651.
  19. Myron H.W. The electronic structure of the vanadium dichalcogenides // Physica B+C. 1980. V. 99. P. 243.
  20. Brauer H.E., Starnberg H.I., Holleboom L.J., Strocov V.N., Hughes H.P. Electronic structure of pure and alkali-metal-intercalated VSe2 // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 10031–10045.
  21. Brauer H.E., Ekvall I., Olin H., Starnberg H.I., Wahlström E., Hughes H.P., Strocov V.N. Na intercalation of VSe2 studied by photoemission and scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 10022–10026.
  22. Feng J., Biswas D., Rajan A., Watson M.D., Mazzola F., Clark O.J., Underwood K., Marković I., McLaren M., Hunter A., Burn D.M., Duffy L.B., Barua S., Balakrishnan G., Bertran F., Le Fèvre P., Kim T.K., Van der Laan G., Hesjedal T., Wahl P., King P.D.C. Electronic Structure and Enhanced Charge-Density Wave Order of Monolayer VSe2 // Nano Letters. 2018. V. 18. P. 4493–4499.
  23. Yi Y., Du X., Zhao Z., Liu Y., Guan H., Liu X., Pei X., Zhang S., Li D. Coupling of Metallic VSe2 and Conductive Polypyrrole for Boosted Sodium-Ion Storage by Reinforced Conductivity Within and Outside // ACS Nano. 2022. V. 16. P. 7772–7782.
  24. Шерокалова Е.М. Влияние интеркалации атомов 3d- и 4f-элементов на структуру и физические свойства дихалькогенидов переходных металлов IV и V групп: Дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Е.М. Шерокалова. Екатеринбург. 2018. 172 c.
  25. Шерокалова Е.М., Селезнева Н.В., Плещев В.Г. Электрические и магнитные свойства диселенида ванадия, интеркалированного атомами хрома // ФТТ. 2022. Т. 64. С. 437–442.
  26. Smolnikov A.G., Piskunov Y.V., Ogloblichev V.V., Sadykov A.F., Kashnikova M.E., Utkin N.A., Gerashchenko A.P., Akramov D.F., Selezneva N.V., Baranov N.V. Hyperfine Interactions in Dichalcogenides CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5): A 93Nb NMR Study // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. P. 20–26.
  27. Ogloblichev V.V., Baranov N.V., Agzamova P.A., Germov A.Y., Nosova N.M., Piskunov Y.V., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Sadykov A.F., Smolnikov A.G. Electronic states in ferromagnetic CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5) studied by 53Cr and 93Nb NMR spectroscopy // Phys. Rev. B. 2021. V. 104. P. 245115.
  28. Agzamova P., Ogloblichev V. Electronic Structure and Hyperfine Interactions in CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5) by DFT Studies // Appl. Magnetic Resonance. 2023. V. 54. P. 439–448.
  29. Чижиков Д.М. Селен и селениды. М.: Наука, 1964. 320 с.
  30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ #2018663091. Simul 2018. Геращенко А.П., Верховский С.В., Садыков А.Ф., Смольников А.Г., Пискунов Ю.В., Михалев К.Н. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.10.2018 г.
  31. Slichter C.P. Principles of Magnetic Resonance. Springer, Berlin, New York. 1990. 655 p.
  32. Абрагам А. Ядерный магнетизм. Пер. с англ. Под ред. Г.В. Скроцкого. М.: ИИЛ, 1963. 551 с.
  33. DiSalvo F.J., Waszczak J.V. Magnetic studies of VSe2 // Physical Review B. 1981. V. 23. P. 457–461.
  34. Myron H.W. Aspects of the electronic structure of the 3d transition metal diselenides // Physica B+C. 1981. V. 105. P. 120–122.
  35. Piskunov Y.V., Sadykov A.F., Ogloblichev V.V., Smolnikov A.G., Gerashenko A.P., Si P.Z. Valence state of chromium ions in the half-metallic ferromagnet CrO2 probed by 53Сr NMR // Phys. Rev. B. 2022. V. 106. P. 094428.
  36. Smol'nikov A.G., Ogloblichev V.V., Verkhovskii S.V., Mikhalev K.N., Yakubovskii A.Y., Kumagai K., Furukawa Y., Sadykov A.F., Piskunov Y.V., Gerashchenko A.P., Barilo S.N., Shiryaev S.V. 53Cr NMR study of CuCrO2 multiferroic // JETP Letters. 2015. V. 102. P. 674–677.
  37. Freeman A.J., Frankel R.R. Hyperfine Interactions. New York and London: Academic Press, 1967. 756 p.
  38. Плещев В.Г., Селезнева Н.В., Максимов В.И., Королев А.В., Подлесняк А.В., Баранов Н.В. Особенности структуры, магнитные свойства и теплоемкость интеркалированных соединений CrxTiSe2 // ФТТ. 2009. Т. 51. С. 885–891.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кристаллическая 1T-структура соединения VSe2. Сплошной жирной линией показана базисная элементарная ячейка. Стрелками показаны области интеркаляции ионов хрома.

Скачать (406KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) Поведение параметров a, b, c и (б) объема элементарной ячейки в соединениях CrxVSe2 в зависимости от концентрации ионов хрома x при комнатной температуре.

Скачать (102KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр ЯМР на ядрах 51V в VSe2 во внешнем магнитном поле H0 = 92.8 кЭ при температуре Т = 150 K. Штриховая линия (красный цвет) – моделирование экспериментального спектра ЯМР одной линией. На вставке – зависимость квадрупольной частоты νQ ванадия от температуры в VSe2.

Скачать (366KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость магнитной восприимчивости VSe2 от температуры и аппроксимация низкотемпературной части данных зависимостью Кюри–Вейса.

Скачать (164KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры ЯМР на ядрах 51V в CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50) во внешнем магнитном поле H0 = 92.8 кЭ при температуре Т = 295 K.

Скачать (112KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость полуширины на половине высоты спектра ЯМР на ядрах 51V в CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50) от температуры. На вставке показана измеряемая величина.

Скачать (150KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость сдвига линии ЯМР на ядрах 51V в CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50) от температуры.

Скачать (283KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость сдвига линии ЯМР К на ядрах 51V в CrxVSe2 (x = 0.10; 0.33; 0.50) от магнитной восприимчивости χ. Прямые линии – результат аппроксимации данных функцией (4). На вставке показана K–χ-диаграмма для исходного состава VSe2.

Скачать (188KB)
Метаданные