Предсказание металлической проводимости квазиодномерного антиферромагнетика RbFeSe2 в рамках теории функционала плотности и экспериментальное исследование его свойств при деградации на воздухе
А. Г. Киямов,
М. Д. Кузнецов,
Л. Р. Тагиров,
М. Хеммида,
Х.-А. Круг фон Нидда,
Д. Кройтори,
З. Ю. Сеидов,
В. Цуркан,
Д. А. Таюрский https://doi.org/10.26907/2541-7746.2025.4.705-718
Аннотация
В работе представлены результаты комплексного изучения квазиодномерного антиферромагнетика RbFeSe2 на основе предсказаний в рамках теории функционала плотности (DFT) и экспериментальных данных. Проведенные не спин-поляризованные ab initio расчеты предсказывают наличие металлической проводимости выше температуры Неля 𝑇𝑁 = 248 K и провала в электронной плотности состояний на уровне Ферми. В противоположность этому, методом четырехконтактного измерения электропроводности установлено изолирующее поведение образца в исследуемом температурном интервале от 4 до 300 K. Анализ рентгеновской дифракции после измерений выявил существенную деградацию свойств образца после воздействия воздуха (7–9 мин): доля селена снизилась более чем на 20 % относительно стехиометрии с образованием элементарного селена (пространственная группа 𝑃3221). Обнаруженное несоответствие между теорией и экспериментом объясняется быстрой окислительной деградацией на воздухе, приводящей к структурным дефектам и локализации электронов. Полученные результаты подчеркивают особую важность строгого контроля газовой среды при изучении железосодержащих халькогенидов. Даны количественные оценки механизмов деградации, влияющих на их электронные свойства. Показано, что использование стандартных DFT-подходов может привести к переоценке металлических свойств квазиодномерных систем, особенно при наличии структурных дефектов.
Ключевые слова
ab initio расчеты,
квазиодномерное соединение,
деградация под действием воздуха,
локализация электронов,
стабильность железосодержащих халькогенидов
При поддержке: Работа выполнена за счет гранта Академии наук Республики Татарстан, предоставленного молодым кандидатам наук (постдокторантам) с целью защиты докторской диссертации, выполнения научно-исследовательских работ, а также выполнения трудовых функций в научных и образовательных организациях Республики Татарстан в рамках Государственной программы Республики Татарстан «Научно-технологическое развитие Республики Татарстан».
Об авторах
А. Г. Киямов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Айрат Газинурович Киямов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
М. Д. Кузнецов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Максим Дмитриевич Кузнецов, аспирант
Л. Р. Тагиров
Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского ФИЦ Казанский научный
центр РАН
Россия
Россия
Ленар Рафгатович Тагиров, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
М. Хеммида
Центр по изучению электронных корреляций и магнетизма, Институт физики, Аугсбургский университет
Германия
Германия
Мамун Хеммида, PhD, сотрудник научно-педагогического состава, кафедра экспериментальной физики V
Х.-А. Круг фон Нидда
Центр по изучению электронных корреляций и магнетизма, Институт физики, Аугсбургский университет
Германия
Германия
Ханс-Альбрехт Круг фон Нидда, Dr. Habil., приват-доцент, кафедра экспериментальной физики V
Д. Кройтори
Институт прикладной физики, Молдавский государственный университет
Молдова
Молдова
Дорина Кройтори, PhD, старший научный сотрудник
З. Ю. Сеидов
Центр по изучению электронных корреляций и магнетизма, Институт физики, Аугсбургский университет; Институт физики, Министерство науки и образования Азербайджанской Республики
Азербайджан
Азербайджан
Закир Юрьевич Сеидов, PhD, старший научный сотрудник, кафедра экспериментальной физики V; старший научный сотрудник
В. Цуркан
Центр по изучению электронных корреляций и магнетизма, Институт физики, Аугсбургский университет; Институт прикладной физики, Молдавский государственный университет
Молдова
Молдова
Владимир Цуркан, Dr.Sci., старший научный сотрудник, кафедра экспериментальной физики V; главный научный сотрудник
Д. А. Таюрский
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Дмитрий Альбертович Таюрский, доктор физико-математических наук, профессор, первый
проректор – проректор по научной деятельности
Список литературы
1. Hsu F.-C., Luo J.-Y., Yeh K.-W., Chen T.-K., Huang T.-W., Wu P.M., Lee Y.-C., Huang Y.-L., Chu Y.-Y., Yan D.-C., Wu M.-K. Superconductivity in the PbO-type structure 𝛼-FeSe. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008, vol. 105, no. 38, pp. 14262–14264. https://doi.org/10.1073/pnas.0807325105.
2. Mizuguchi Y., Takano Y. Review of Fe chalcogenides as the simplest Fe-based superconductor. J. Phys. Soc. Jpn., 2010, vol. 79, no. 10, art. 102001. https://doi.org/10.1143/JPSJ.79.102001.
3. Johnston D.C. The puzzle of high temperature superconductivity in layered iron pnictides and chalcogenides. Adv. Phys., 2010, vol. 59, no. 6, pp. 803–1061. https://doi.org/10.1080/00018732.2010.513480.
4. Mizokawa T., Sudayama T., Wakisaka Y., Ootsuki D., Imaizumi M., Noji T., Koike Y., Pyon S., Kudo K., Nohara M., Anzai H., Arita M., Namatame H., Taniguchi M., Saini N.L. Orbital degeneracy, Jahn–Teller effect, and superconductivity in transition-metal chalcogenides. J. Supercond. Novel Magn., 2012, vol. 25, no. 5, pp. 1343–1346. https://doi.org/10.1007/s10948-012-1626-x.
5. Mousavi T., Grovenor C.R.M., Speller S.C. Structural parameters affecting superconductivity in iron chalcogenides: A review. Mater. Sci. Technol., 2014, vol. 30, no. 15, pp. 1929–1943. https://doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000551.
6. Glasbrenner J.K. , Mazin I.I., Jeschke H.O., Hirschfeld P.J., Fernandes R.M., Valent´ı R. Effect of magnetic frustration on nematicity and superconductivity in iron chalcogenides. Nat. Phys., 2015, vol. 11, no. 11, pp. 953–958. https://doi.org/10.1038/nphys3434.
7. Chang C.-C., Chen T.K., Lee W.C., Lin P.H., Wang M.J., Wen Y.C., Wu P.M., Wu M.K. Superconductivity in Fe-chalcogenides. Phys. C: Supercond. Its Appl., 2015, vol. 514, pp. 423–434. https://doi.org/10.1016/j.physc.2015.02.011.
8. Mizuguchi Y. Recent advances in layered metal chalcogenides as superconductors and thermoelectric materials: Fe-based and Bi-based chalcogenides. Chem. Rec., 2016, vol. 16, no. 2, pp. 633–651. https://doi.org/10.1002/tcr.201500263.
9. Si Q., Yu R., Abrahams E. High-temperature superconductivity in iron pnictides and chalcogenides. Nat. Rev. Mater., 2016, vol. 1, no. 4, art. 16017. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.17.
10. Li L., Parker D.S., dela Cruz C.R., Sefat A.S. Multi-layered Chalcogenides with potential for magnetism and superconductivity. Phys. C: Supercond. Its Appl., 2016, vol. 531, pp. 25–29. https://doi.org/10.1016/j.physc.2016.10.005.
11. Vasiliev A., Volkova O., Zvereva E., Markina M. Milestones of low-D quantum magnetism. npj Quantum Mater., 2018, vol. 3, no. 1, art. 18. https://doi.org/10.1038/s41535-018-0090-7.
12. Furdyna J.K., Dong S.-N., Lee S., Liu X., Dobrowolska M. Magnetic chalcogenides in 3 and lower dimensions. Phys. C: Supercond. Its Appl., 2018, vol. 549, pp. 44–53. https://doi.org/10.1016/j.physc.2018.02.049.
13. Vasiliev A.N., Volkova O.S., Zvereva E.A., Markina M.M. Low-Dimensional Magnetism. Riecansky V.E. (Trans.). Boca Raton, FL, CRC Press, 2019. 314 p. https://doi.org/10.1201/9780429288319.
14. Gupta R.K., Mishra S.R., Nguyen T.A. Fundamentals of Low Dimensional Magnets. Boca Raton, FL, CRC Press, 2022. 380 p. https://doi.org/10.1201/9781003197492.
15. Xu Y., Awschalom D.D., Nitta J. Handbook of Spintronics. Dordrecht, Springer, 2016. xxiv, 1609 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-6892-5.
16. Gupta R.K., Mishra S.R., Nguyen T.A. Emerging Applications of Low Dimensional Magnets. Boca Raton, FL, CRC Press, 2022. 334 p. https://doi.org/10.1201/9781003196952.
17. Fernandes R.M., Coldea A.I., Ding H., Fisher I.R., Hirschfeld P.J., Kotliar G. Iron pnictides and chalcogenides: A new paradigm for superconductivity. Nature, 2022, vol. 601, no. 7891, pp. 35–44. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04073-2.
18. Opaˇci´c M.R., Lazarevi´c N.Z. Lattice dynamics of iron chalcogenides – Raman scattering study. ˇ J. Serb. Chem. Soc., 2017, vol. 82, no. 9, pp. 957–983. https://doi.org/10.2298/JSC170321077O.
19. Kreisel A., Hirschfeld P.J., Andersen B.M. On the remarkable superconductivity of FeSe and its close cousins. Symmetry, 2020, vol. 12, no. 9, art. 1402. https://doi.org/10.3390/sym12091402.
20. Yi M., Liu Z.-K., Zhang Y., Yu R., Zhu J.-X., Lee J.J., Moore R.G., Schmitt F.T., Li W., Riggs S.C., Chu J.-H., Lv B., Hu J., Hashimoto M., Mo S.-K., Hussain Z., Mao Z.Q., Chu C.W., Fisher I.R., Si Q., Shen Z.-X., Lu D.H. Observation of universal strong orbital-dependent correlation effects in iron chalcogenides. Nat. Commun., 2015, vol. 6, no. 1, art. 7777. https://doi.org/10.1038/ncomms8777.
21. Matsuura K., Roppongi M., Qiu M., Sheng Q., Cai Y., Yamakawa K., Guguchia Z., Day R.P., Kojima K.M., Damascelli A., Sugimura Y., Saito M., Takenaka T., Ishihara K., Mizukami Y., Hashimoto K., Gu Y., Guo Y., Fu L., Zhang Z., Ning F., Zhao G., Dai G., Jin C., Beare J.W., Luke G.M., Uemura Y.J., Shibauchi T. Two superconducting states with broken time-reversal symmetry in FeSe 1−𝑥 S𝑥 . Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2023, vol. 120, no. 21, art. e2208276120. https://doi.org/10.1073/pnas.2208276120.
22. Ke F., Niu S., Feng J., Yin K., Han M., Yang H., Wang B.Y., Celeste A., Jia C., Chen B., Wang L., Hwang H.Y., Tian Y., Mao W.L., Lin Y. Superconductivity in compressed quasi–one-dimensional face-sharing hexagonal perovskite chalcogenides. Sci. Adv., 2025, vol. 11, no. 37, art. eadv1894. https://doi.org/10.1126/sciadv.adv1894.
23. Xu Z., Schneeloch J.A., Wen J., Boˇzin E.S., Granroth G.E., Winn B.L., Feygenson M., Birgeneau R.J., Gu G., Zaliznyak I.A., Tranquada J.M., Xu G. Thermal evolution of antiferromagnetic correlations and tetrahedral bond angles in superconducting FeTe 1−𝑥 Se𝑥 . Phys. Rev. B, 2016, vol. 93, no. 10, art. 104517. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.104517.
24. Wang B., Yao Y., Hong W., Hong Z., He X., Wang T., Jian C., Ju Q., Cai Q., Sun Z., Liu W. The controllable synthesis of high-quality two-dimensional iron sulfide with specific phases. Small, 2023, vol. 19, no. 23, art. 2207325. https://doi.org/10.1002/smll.202207325.
25. Wu H., Lu S., Xu S., Zhao J., Wang Y., Huang C., Abdelkader A., Wang W.A., Xi K., Guo Y., Ding S., Gao G., Kumar R.V. Blowing iron chalcogenides into two-dimensional flaky hybrids with superior cyclability and rate capability for potassium-ion batteries. ACS Nano, 2021, vol. 15, no. 2, pp. 2506–2519. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06667.
26. Mele P. Superconducting properties of iron chalcogenide thin films. Sci. Technol. Adv. Mater., 2012, vol. 13, no. 5, art. 054301. https://doi.org/10.1088/1468-6996/13/5/054301.
27. Krzton-Maziopa A. Intercalated iron chalcogenides: Phase separation phenomena and superconducting properties. Front. Chem., 2021, vol. 9, art. 640361. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.640361.
28. Bronger W., Kyas A., M¨uller P. The antiferromagnetic structures of KFeS2 , RbFeS2 , KFeSe 2 , and RbFeSe 2 and the correlation between magnetic moments and crystal field calculations. J. Solid State Chem., 1987, vol. 70, no. 2, pp. 262–270. https://doi.org/10.1016/0022-4596(87)90065-X.
29. Seidov Z., Krug von Nidda H.-A., Tsurkan V., Filippova I.G., G¨unther A., Gavrilova T.P., Vagizov F.G., Kiiamov A.G., Tagirov L.R., Loidl A. Magnetic properties of the covalent chain antiferromagnet RbFeSe 2 . Phys. Rev. B, 2016, vol. 94, no. 13. art. 134414. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.134414.
30. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev. Online Arch., 1964, vol. 136, no. 3B, pp. B864–B871. https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864.
31. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 77, no. 18, pp. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.
32. Bl¨ochl P.E. Projector augmented-wave method. Phys. Rev. B, 1994, vol. 50, no. 24, 17953–17979. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953.
33. Kresse G., Furthm¨uller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B, 1996, vol. 54, no. 16, pp. 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169.
34. Kiiamov A.G., Lysogorskiy Y.V., Vagizov F.G., Tagirov L.R., Tayurskii D.A., Croitori D., Tsurkan V., Loidl A. M¨ossbauer spectroscopy evidence of intrinsic non-stoichiometry in iron telluride single crystals. Ann. Phys., 2017, vol. 529, no. 4, art. 1600241. https://doi.org/10.1002/andp.201600241.
35. Lysogorskiy Y.V., Kijamov A.G., Nedopekin O.V., Tayurskii D.A. Ab initio studying of topological insulator Bi 2 Se 3 under the stress. J. Phys.: Conf. Ser., 2012, vol. 394, no. 1, art. 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/394/1/012022.
36. Katsnelson M.I., Irkhin V.Yu. Metal-insulator transition and antiferromagnetism in the ground state of the Hubbard model. J. Phys. C: Solid State Phys., 1984, vol. 17, no. 24, art. 4291. https://doi.org/10.1088/0022-3719/17/24/011.
37. Bronger W., M¨uller P. Electrical and magnetic properties of KFeS2 single crystals. J. Inorg. Nucl. Chem., 1973, vol. 35, pp. 1891–1896.
38. Takahashi H., Akimitsu J. Metal-insulator transition in KFeS2 . Phys. Rev. B, 1998, vol. 57, pp. 15211–15218.
Рецензия
Для цитирования:
Киямов А.Г., Кузнецов М.Д., Тагиров Л.Р., Хеммида М., Круг фон Нидда Х., Кройтори Д., Сеидов З.Ю., Цуркан В., Таюрский Д.А. Предсказание металлической проводимости квазиодномерного антиферромагнетика RbFeSe2 в рамках теории функционала плотности и экспериментальное исследование его свойств при деградации на воздухе. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2025;167(4):705-718. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2025.4.705-718
For citation:
Kiiamov A.G., Kuznetsov M.D., Tagirov L.R., Hemmida M., Krug von Nidda H., Croitori D., Seidov Z.Yu., Tsurkan V., Tayurskii D.A. DFT prediction of metallic conductivity and experimental investigation of air-induced degradation effects in quasi-one-dimensional antiferromagnet RbFeSe2. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2025;167(4):705-718. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2025.4.705-718
Просмотров:
41
Послать статью по эл. почте 