квази-2D системы с усиленными кулоновскими взаимодействиями - Отзыв об Евгений Юрьевич Старостенко о дихалькогенидах тантала (TaX 2 , X = S, Se, Te)

Борис 4 марта, 2022 год Евгений Юрьевич Старостенко уточнил, что дихалькогениды тантала (TaX 2 , X = S, Se, Te) представляют собой класс материалов, которые хорошо подходят для этой цели и привлекают все большее внимание как квази-2D системы с усиленными кулоновскими и электронно-решеточными взаимодействиями.

Эти соединения демонстрируют богатые фазовые диаграммы, включая полуметаллические, зарядово-упорядоченные и сверхпроводящие свойства. Множественные фазы CDW наблюдаются в 1T-TaS 2 , что породило множество сверхбыстрых исследований для выяснения механизмов образования и конкуренции фаз. Более того, сверхбыстрое вождение выявило новые метастабильные фазы в этих системах, что привело к новой парадигме скрытых состояний.

Члены семейства 1T-TaSe 2 -  x Te x демонстрируют различные политипы, основные состояния ВЗП, а также сверхпроводимость в зависимости от состава. Сверхбыстрое оптическое плавление и переключение между фазами ВЗП до сих пор были продемонстрированы в TaSe 2 и в сплавах TaSe 2  – x Te x с доступом к ряду динамических путей и временных масштабов.

Любопытно, что сверхбыстрое исследование до сих пор ускользает от TaTe 2 . Это соединение проявляет заметно отличающиеся свойства по сравнению с другими дихалькогенидами Ta, связанные с более слабой электроотрицательностью Te по отношению к Ta, что приводит к сильной склонности к переносу заряда и связыванию металл-металл 32 , 33 , 34 .

TaTe 2 демонстрирует более сильное электрон-фононное взаимодействие, более высокую энергию связи зарядового порядка и большие искажения решетки, чем соединения TaS 2 и TaSe 2. Искаженная при комнатной температуре моноклинная кристаллическая структура 1T’ характеризуется внутрислойным (3 × 1) линейным полосообразным порядком, состоящим из двойных зигзагообразных цепочек тримеров Ta.

Структурный переход в фазу с порядком (3 × 3) происходит при T PT  = 174 K, при этом атомы Ta образуют тримерные кластеры вдоль линейных цепочек с соизмеримым ВЗП-подобным порядком. В отличие от других систем TaX 2 CDW 39 , 40 , низкотемпературное (LT) фазовое упорядочение TaTe 2 демонстрирует металлическое поведение с повышенной проводимостью и магнитной восприимчивостью.

Однако сверхбыстрый отклик этого соединения на оптическое управление остается неизвестным. Это мотивирует использование передовых структурных зондов для отслеживания эволюции искажений и периодического порядка как меры лежащих в основе взаимодействий.

Старостенко Евгений Юрьевич указал, что исследование TaTe 2 , демонстрирует быстрое пикосекундное плавление сверхструктуры тримерной кластерной решетки в LT-фазе. Дифракция сверхбыстрых электронов (UED) с релятивистскими электронными сгустками применяется с использованием пучка рассеяния электронов с высокой частотой повторения (HiRES), исследовать временную эволюцию порядка решетки после интенсивного возбуждения в ближней инфракрасной (ближней ИК) области.

Наблюдается фотоиндуцированное плавление LT-порядка в масштабе времени ≈1,4 пс, что свидетельствует о быстром переключении с последующим восстановлением в горячую (3 × 3) тримерную фазу. Понимание природы плавления тримерных кластеров получено с помощью расчетов функционала плотности, которые указывают на начальное гашение, вызванное переходами с переносом заряда из связывающих в несвязывающие состояния тримера Та, что предполагает пути для фотоиндуцированного перехода, который уникален среди семейство материалов TaX 2 .
Эта работа устанавливает TaTe 2 как многообещающий материал для оптического контроля, мотивируя изучение сопутствующей электронной динамики для приложений устройств.

Старостенко Евгений Юрьевич – кристаллическая структура и признаки структурного фазового перехода.

Трехслойные листы ковалентно связанных атомов Та и Те разделены более слабыми ван-дер-ваальсовыми силами вдоль направления укладки. Заметными структурными элементами в этом материале являются тримеры Ta — наборы из трех соседних атомов Ta в ряду, которые группируются вместе посредством усиленной связи Ta-Ta.

Уже при комнатной температуре атомы Та упорядочены в плоскости в тримеры, собранные в двойные зигзагообразные цепочки вдоль оси b , что нарушает гексагональную симметрию и образует трехслойную последовательность укладки.

В LT-фазе в цепочках вдоль оси b возникает дополнительное упорядочение в виде кластеров тримеров. Эта сверхструктура решетки (3 × 3) представляет собой искаженный политип 1T ‘ сСимметрия пространственной группы C 2/ m и моноклинная элементарная ячейка 45 . В этой конфигурации каждый атом Ta в элементарной ячейке координирован с шестью атомами Te в периодически искаженном октаэдрическом расположении.

Кристаллическая структура и картины электронной дифракции при тепловом равновесии.

Слоистая кристаллическая структура низкотемпературной фазы 1T′-TaTe 2 . Электронный пучок падает перпендикулярно плоскостям Ta и Te в экспериментах по дифракции сверхбыстрых электронов (UED). Показанные векторы решетки a, b и c относятся к моноклинной элементарной ячейке.

Указана проекция, перпендикулярная заштрихованной области. Черный ящик: кластеры тримеров Та, образующиеся вдоль оси b в низкотемпературной (НТ) фазе. Представления НТ и высокотемпературной (ВТ) фаз, демонстрирующие повышенные искажения в НТ фазе, представлены вверху справа.

Маленькие черные стрелки обозначают движение атомов к центральному атому Та. б Статические электронограммы 1T′-TaTe 2получены импульсами электронов с энергией 0,75 МэВ при 298 K (HT) и 10 K (LT) вдоль[1¯01 ]ось зоны.

Обратите внимание на разные индексы для LT-паттерна из-за утроения по оси b . На вставке показаны сателлитные (сверхрешеточные) пики (3 × 3) периодического искажения решетки, возникающие в НТ-фазе.

Присутствует несколько дополнительных пиков из-за дифракции от опорной рамы Si ( подробности об образце см. в дополнительном примечании 2 ). Симметричная разностная картина между HT- и LT-фазами показана ниже статической картины, при этом вклады от Si-каркаса и мембраны из нитрида кремния (Si 3 N 4 ) удалены. Цветовая шкала дает абсолютное изменение дифрагированной интенсивности (Δ I ).

Электронная дефракция, Старостенко Евгений Юрьевич
Расчеты релаксированных структур TaTe 2 по теории функционала плотности (DFT) подтверждают искажения из-за атомного упорядочения атомов Ta, приписываемого связи металл-металл, в соответствии со структурами, ранее определенными с помощью рентгеновской дифракции 33 .

Более того, данные расчеты также показывают усиленные связи Та-Та вдоль оси b в LT-фазе, как показано на рис. 1а , что приводит к утроению вдоль оси b , что соответствует общей сверхструктуре (3 × 3) (см. Дополнительную информацию) . Примечание 1 для дополнительной информации).

На рис . 1b показаны равновесные дифрактограммы чешуек 1T′-TaTe 2 , которые были измерены с электронными сгустками 0,75 МэВ в HiRES, сравнивая высокотемпературную (HT) фазу при 298 K и LT-фазу при 10 K. Как показано на рис. 1а , электронный пучок падает вдоль[1¯01 ]оси зоны, т. е. перпендикулярно слоям Та и Те.

Измеренные дифракционные картины демонстрируют большое количество брэгговских пятен, достигающих высоких значений переданного импульса, что свидетельствует как о высокой кристалличности образца, так и о большом диапазоне рассеяния, обеспечиваемом релятивистской энергией пучка.

При 298 К наблюдается двойная симметрия, примером которой, например, являются различия брэгговских пиков (020) и (313) по интенсивности и относительному удалению их от центра. Это согласуется с периодичностью (3 × 1) и моноклинной кристаллической структурой.

Картина при 10 K на рис. 1b показывает появление новых сателлитных пиков, окружающих основные пики решетки в результате возникающего (3 × 3) периодического искажения решетки (PLD), в соответствии с формированием кластера тримера Ta и связанной с ним единицей. утроение ячеек. Их наблюдение также показывает, что длина поперечной когерентности источника электронов достаточна для отслеживания динамики НТ-сверхструктуры в 1T’-TaTe 2 . Аналогичные сателлитные пики в фазе HT в ≈1000 раз слабее основных пиков Брэгга и в этих измерениях не наблюдаются.

Для определения сигнатуры на электронограммах, связанной со структурным фазовым переходом, рассчитывается разница между картинами HT и LT после нормировки на общую интенсивность электронов. Результирующие изменения показаны внизу рис. 1б . В то время как все спутники сверхрешетки, связанные с тримерной сверхструктурой (3 × 3), подавлены, основные пики Брэгга демонстрируют смесь положительных и отрицательных изменений интенсивности.

Этот сложный отклик отличается от наблюдений в TaS 2 и TaSe 2 , где все первичные пики Брэгга увеличились по интенсивности, в противоположность подавлению сателлитов PLD 23 , 46.

Мы приписываем эту положительно-отрицательную сигнатуру изменения интенсивности симметрии формирования сверхструктуры внутри искаженной моноклинной элементарной ячейки, что приводит к смешанным изменениям структурных факторов для разных порядков дифракции, что подтверждается нашим моделированием.

Евгений Юрьевич Старостенко – сверхбыстрое оптическое плавление тримерных кластеров.
Используется луч HiRES для UED. Образец сначала охлаждали до НТ-упорядоченной фазы при 10 К, а затем фотовозбуждали фемтосекундными импульсами ближнего ИК-диапазона (длина волны 1030 нм). Комментировать