Синтезированы первые лантаноидные MXene с полупроводниковыми и ферромагнитными свойствами

Китайские исследователи разработали метод синтеза двумерных карбидов с лантаноидами, сочетающих полупроводниковое поведение и магнетизм. Ферромагнитный гистерезис пока подтвержден при температуре 2 К, поэтому практическое применение материала в спинтронике потребует дальнейших исследований.

Исследователи из Института материаловедения и инженерии Нинбо Китайской академии наук, Чжэцзянского университета и лаборатории Юнцзян представили первые синтезированные MXene на основе лантаноидов. Работа опубликована 22 июля в журнале Nature.

MXene — семейство двумерных карбидов и нитридов металлов. Большинство полученных ранее материалов этого класса основано на ранних переходных металлах и обладает металлической проводимостью. Новое семейство имеет формулу Ln₂CT₂, где Ln — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий или лютеций, а T — хлор либо бром.

Авторы применили восходящий метод синтеза вместо традиционного травления слоистых MAX-фаз. Сначала лантаноид реагирует с галогенидом меди с образованием слоистого промежуточного соединения. При последующей высокотемпературной реакции с графитом атомы углерода встраиваются между металлическими слоями, формируя структуру MXene.

Край оптического поглощения полученных материалов находится в диапазоне от 1,26 до 1,71 эВ. Их удельное сопротивление при комнатной температуре составляет от 0,329 до 36,1 Ом·см и возрастает при охлаждении, что соответствует полупроводниковому поведению.

Магнитные измерения выявили ферромагнитный гистерезис при 2 К; температуры Кюри — Вейсса составили от 6 до 59 К. Теоретические расчеты связывают образование полупроводниковой щели с углеродным слоем и галогенными окончаниями поверхности, а магнетизм — с локализованными 4f-электронами лантаноидов. Такое сочетание свойств делает материалы потенциальной основой для спинтронных компонентов, однако работа пока не демонстрирует действующих устройств.