Поддержана заявка на финансирование

Проект нашего коллектива "Исследование новых способов синтеза наноалмазов без приложения давления" был поддержан Российским научным фондом по результатам конкурса 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых»

Алмазные частицы нанометрового размера, или наноалмазы, привлекают внимание различных исследователей благодаря своим уникальным свойствам, перспективным в различных сферах промышленности, квантовых вычислений, биологических и экологических областях. В отличии от других углеродных наноструктур наноалмазы можно масштабировать от практически 0D до 3D частиц с варьируемой функционализацией поверхности, что позволяет контролировать их физико-химические характеристики в широких пределах. Наличие эффективных методов синтеза наноалмазов является критически важной задачей для их широкого применения. В настоящее время наноалмазы получают в основном с помощью детонации или измельчения макроскопического алмаза. Эти стандартные методы имеют общие недостатки, связанные с плохим контролем размера, формы наноалмазов и степени их загрязнения. Однако существуют и другие методы получения алмазной фазы из sp²-гибридизованного углерода, например, в результате облучения графена ионами или же в результате химически индуцированного фазового перехода. Тем не менее механизмы, лежащие в основе данных подходов, пока что изучены недостаточно. Так, например, появление наноалмазов в многослойном графене после облучения высокоэнергетическими ионами на первый взгляд противоречит термодинамическим оценкам. Поэтому детальное исследование условий и механизмов такого фотоиндуцированного фазового превращения с помощью современных методов компьютерного моделирования является новой и актуальной задачей. Другими важными задачами проекта являются изучение формирования кластеров алмазов нанометрового размера в результате химически индуцированного фазового перехода, а также контролируемый рост наноалмазов с использованием 2D алмаза как затравки. Этот процесс может позволить сформировать бездефектную алмазную структуру с заранее заданной поверхностью. С другой стороны, запланированные исследования в проекте направлены и на изучение возможности контролируемого внесения дефектов в алмаз, необходимых для реализации однофотонной эмиссии и применения таких наноструктур в квантовых компьютерах и других областях..

Возглавляет проект к.ф.-м.н. Ерохин Сергей Владимирович.

Поддержана заявка на финансирование

Проект нашего коллектива "Моделирование низкоразмерных магнитных гетероструктур для спинтронных устройств нового поколения" был поддержан Российским научным фондом по результатам конкурса 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными»

Задача поиска новых способов хранения и обработки информации является крайне актуальной в настоящее время, поскольку традиционные кремниевые технологии фактически достигли предела плотности записи информации и дальнейшей миниатюризации. Одним из решений данной проблемы является рассмотрение электрона как носителя заряда с двумя основными «степенями свободы», определяемыми его спином. Так, благодаря эффектам гигантского и туннельного магнитосопротивлений, эффектам спинового переноса и ряду других фундаментальных свойств в настоящий момент активно разрабатываются спинтронные устройства – основа технологий хранения и обработки информации нового поколения.

Однако, несмотря на доказанный высокий потенциал спинтронных технологий (с точки зрения низкого энергопотребления и скорости), они всё еще находятся на стадии становления в масштабах потребительского рынка. Предполагается, что в скором времени магниторезистивные (MRAM) устройства смогут конкурировать с привычной флеш-памятью. Но для этого необходимо решить ряд задач, требующих развития методов синтеза стабильных наноразмерных гетероструктур и способов управления их свойствами на атомном уровне. Ключевую роль в решении этих задач могут сыграть двумерные материалы. Действительно, с момента открытия графена и родственных материалов плёнки атомарной толщины стали рассматриваться как потенциальная составляющая ультракомпактной архитектуры устройств и радикально новых способов обработки информации. Научные достижения в области спинтронных устройств на основе 2D материалов, а также недавний прогресс в крупномасштабной совместной интеграции 2D структур с традиционными материалами микроэлектроники открыли многообещающие перспективы для развития технологии MRAM.

В рамках проекта предлагается впервые провести комплексное теоретическое исследование целого ряда перспективных туннельных магнитных гетероструктур (ТМГ) на основе ферромагнитных и двумерных материалов, для которых возможно наблюдение эффектов магнитосопротивления и спиновой инжекции – основы работы спиновых клапанов и транзисторов. Так, будут изучены новые границы раздела на основе железа и кобальта, включая полуметаллические сплавы Гейслера, и их гетеросоединение с двумерными структурами, такими как графен и дихалькогениды переходных металлов с различным составом. Несмотря на широкую популярность данных материалов в отдельности, гетероструктуры на их основе изучены недостаточно, а экспериментальные работы и дальнейшее применение для спинтронных приложений предварительно требуют подробного теоретического анализа структуры, свойств и природы спин-связанных эффектов.

В проекте методами квантово-химического моделирования и неравновесного транспорта впервые будут получены подробные сведения об электронной и магнитной конфигурации наиболее перспективных ТМГ, описаны равновесные свойства гетеропереходов, а также выполнен расчет квантовой проводимости и изучен эффект туннельного магнитосопротивления. Кроме того, впервые будут смоделированы и изучены туннельные гетероструктуры с внедренным слоем оксида MoO3 – перспективным для эффективной спиновой инжекции в двумерных материалах за счет эффекта близости.

Полученные результаты позволят существенно расширить область знаний о спин-транспортных свойствах новых магнитных гетероструктур на основе экспериментально известных ферромагнитных материалов и двумерных пленок. Также будут детально обоснованы перспектива их применения в магниторезистистивных и других спинтронных устройствах.

Возглавляет проект к.ф.-м.н. Ларионов Константин Владимирович.

Поддержана заявка на финансирование

Проект нашего коллектива "Исследование фазовых переходов в углеродных материалах на атомном уровне с помощью современных методов моделирования" был поддержан Российским научным фондом по результатам конкурса 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными»

Разнообразные фазовые переходы первого рода в своем развитии проходят через одни и те же стадии, первая из которых является стадия нуклеации представляющая наибольший интерес и наибольшую сложность при изучении. В теории этой стадии тесно переплетаются вопросы термодинамики малых систем и описания процесса преодоления зарождающимися частицами энергетического барьера. Для достижения детального понимания нуклеации необходимо применение методов компьютерного моделирования. Малые размеры зарождающегося ядра новой фазы требуют учёта вкладов границы раздела, поверхностной энергии, релаксации механических напряжений в энергию кривизны и прочие особенности низкоразмерных материалов. Для этого необходимо проведение высокоточного моделирования, учитывающего все эти параметры, что, однако, является крайне сложной задачей для текущего инструментария вычислительного материаловедения. Действительно, традиционные методы теории функционала электронной плотности, хотя и позволяют достаточно точно рассчитывать свойства атомарных систем из первых принципов, тем не менее лимитированы имеющимися вычислительными мощностями. Это ограничивает их применимость периодическими структурами, состоящими из сотен атомов. В то же время задача описания нуклеации новых фаз требует описание систем с числом атомов до 10^4-10^6 атомов. С другой стороны, нетребовательные к вычислительным ресурсам эмпирические потенциалы позволяют описывать большие системы содержащие миллионы атомов. Но до недавнего времени параметризация этих потенциалов ограничивалась своими (часто довольно узкими) модельными системами, не предназначенными для моделирования переходных состояний и новых фаз, что является необходимым условием изучения фазовых трансформаций. Однако, ситуация кардинально изменилась в последнее время с появлением эмпирических потенциалов машинного обучения, которые могут быть обучены на большом наборе данных, получаемых с помощью расчётов из первых принципов. Таким образом, одной из задач проекта является разработка таких потенциалов описывающих взаимодействие с точностью методов из первых принципов, позволяющих моделировать требуемое число атомов в структурах. Параметризованные потенциалы будут применены для описания фазовой трансформации в углеродных системах, переходе графит-алмаз и многослойный графен-сверхтонкая алмазная плёнка (диаман), а в дальнейшем могут быть использованы для описания фазовых переходов и в других системах.

Возглавляет проект к.ф.-м.н. Ерохин Сергей Владимирович.