Сотрудники Физического института
Академии наук (ФИАН), института физики твердого тела (ИФТТ) РАН, химического
факультета МГУ и института Лейбница твердого тела и материаловедения (Дрезден)
синтезировали и изучили соединения ранее неизвестного семейства слоистых
электрон-дефицитных висмутидов – аналогов железосодержащих
сверхпроводников. Изучение данного семейства представляет фундаментальный
интерес в области химии твердого тела, а структурные особенности и проведенный
расчет электронного строения предполагают наличие интересных физических
свойств. Работа опубликована в специальном выпуске журнала
Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, посвященном 100-летию со
дня рождения Рудольфа Хоппе, одного из основателей химии твердого тела в
Европе.
Сверхпроводники находят большое количество применений и активно исследуются
благодаря уникальной способности передавать электричество без потерь. Это
возможно вследствие достижения нуля сопротивления при температуре и силе тока
ниже критических. В поисках сверхпроводников с высокими эксплуатационными
характеристиками, а также сочетающих сверхпроводимость с другими
функциональными свойствами физики и химики, изучают соединения различного состава
и строения.
Такие исследования относятся к приоритетным, так как
могут серьезно повлиять на промышленность, прогресс и качество жизни. Поэтому
данная работа входит в проект «Развитие синхротронных и нейтронных исследований
и инфраструктуры для материалов энергетики нового поколения и безопасного
захоронения радиоактивных отходов», поддержанный грантом Министерства науки и
высшего образования Российской Федерации в рамках нацпроекта «Наука и
университеты».
«Идея синтезировать и исследовать
соединения висмута состава 122, содержащие щелочной и переходный металлы,
родилась в связи с открытием в 2008 году сверхпроводимости в имеющих
аналогичное строение железосодержащих соединениях мышьяка. Особый интерес к
этим нетрадиционным сверхпроводникам связан с тем, что механизм
сверхпроводимости в них не удается описать в рамках уже существующих моделей.
Замена мышьяка на висмут в изучаемых соединениях может привести к появлению
новых свойств, связанных с характерным для висмута сильным спин-орбитальным
взаимодействием», – пояснил соавтор работы,
профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ Игорь
Морозов.
Авторам удалось вырастить монокристаллы четырех
ранее неизвестных слоистых висмутидов семейства 122 общей формулы ATM2Bi2 (A –
щелочной металл (калий, рубидий, цезий), TM – переходный металл (цинк, кадмий))
из висмутового расплава в ходе его медленного охлаждения. Основные
экспериментальные трудности при получении соединений были связаны с щелочными
металлами: приготовление реакционных смесей проводилось в перчаточном боксе в
атмосфере сухого аргона, что осложняет даже простые операции. Присутствие
щелочных металлов также способствует бурному взаимодействию реагентов, которое
может начаться непосредственно в ходе приготовления реакционной смеси.
«Сложной задачей оказалось определение
кристаллической структуры полученных соединений. Они чрезвычайно гигроскопичны
и склонны к расслаиванию, в результате чего даже при минимальном механическом
воздействии нарушается упорядочение слоев и происходит потеря
монокристалличности. Нам удалось решить эту нетривиальную задачу и установить
структуру рубидиево-кадмиевого соединения традиционным методом монокристального
рентгеноструктурного анализа», – сообщил Игорь
Морозов.
Структурное исследование показало, что слоистые
висмутиды проявляют интересную особенность: при переходе от производных цинка к
производным кадмия происходит существенное сближение слоев, в результате
которого атомы висмута из соседних слоев начинают взаимодействовать между
собой. Еще одна особенность состоит в отклонении количества валентных
электронов, приходящихся на элементарную ячейку, от обычного значения в меньшую
сторону. Вероятно, эти особенности проявятся в необычных физических свойствах
данных соединений.
«В настоящее время пока не были
реализованы все возможные сочетания щелочного и переходного металлов.
Необходимо синтезировать оставшиеся члены семейства и изучить для всех
полученных соединений магнитные и транспортные свойства. Также идет подготовка
публикации, в которой будут представлены данные по их электронному строению и
физическим свойствам», – объяснил Игорь
Морозов.
Источник: МГУ