Распределение спиновой и зарядовой плотности в дихалькогениде VSe2 по данным ЯМР 51V

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнено исследование поликристаллического образца VSe2 с использованием методов магнитометрии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах 51V. Из обработки спектров ЯМР, зарегистрированных в диапазоне температур от 10 K до 300 K, определены значения компонентов тензоров магнитного сдвига и градиента электрического поля (ГЭП) в месте расположения ядер ванадия. Обнаружено, что валентный вклад в ГЭП противоположно направлен решеточному вкладу. При температурах ниже T0 ≈ 110 K линия ЯМР 51V испытывает значительное неоднородное уширение, что связано с переходом в состояние с волной зарядовой плотности (ВЗП). Из данных об уширении линии ЯМР 51V определены изменения квадрупольной частоты nQ, являющейся характеристикой распределения зарядовой плотности вблизи ядер 51V. Совместный анализ температурных зависимостей сдвига линии ЯМР и магнитной восприимчивости позволил оценить сверхтонкие магнитные поля на ядрах ванадия в VSe2 в состоянии с ВЗП. Получена оценка разности спиновой поляризации различных 3d-орбиталей иона V, которая соответствует плотности электронных состояний с энергией чуть ниже уровня Ферми.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Г. Смольников

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург

Н. А. Уткин

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

М. Е. Кашникова

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

Ю. В. Пискунов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург

В. В. Оглобличев

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург

А. Ф. Садыков

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург

А. П. Геращенко

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: utkin_imp@mail.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Katzke H., Tolédano P., Depmeier W. Phase transitions between polytypes and intralayer superstructures in transition metal dichalcogenides // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 134111.
  2. Wilson J.A., Yoffe A.D. The transition metal dichalcogenides discussion and interpretation of the observed optical, electrical and structural properties // Advan. Phys. 1969. V. 18. P. 193–335.
  3. Hibma T. Structural aspects of monovalent cation intercalates of layered dichalcogenides / Intercalation Chemistry. Academic Press. 1982. P. 285–313.
  4. Булаевский Л.Н. Сверхпроводимость и электронные свойства слоистых соединений // Успехи физич. наук. 1975. Т. 116. № 7. С. 449–483.
  5. Huang B., Clark G., Navarro-Moratalla E., Klein D.R., Cheng R., Seyler K.L., Zhong D., Schmidgall E., McGuire M.A., Cobden D.H., Yao W., Xiao D., Jarillo-Herrero P., Xu X. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit // Nature. 2017. V. 546. P. 270–273.
  6. Gong C., Li L., Li Z., Ji H., Stern A., Xia Y., Cao T., Bao W., Wang C., Wang Y., Qiu Z.Q., Cava R.J., Louie S.G., Xia J., Zhang X. Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals // Nature. 2017. V. 546. P. 265–269.
  7. O’Hara D.J., Zhu T., Trout A.H., Ahmed A.S., Luo Y.K., Lee C.H., Brenner M.R., Rajan S., Gupta J.A., McComb D.W., Kawakami R.K. Room temperature intrinsic ferromagnetism in epitaxial manganese selenide films in the monolayer limit // Nano letters. 2018. V. 18. P. 3125–3131.
  8. Bonilla M., Kolekar S., Ma Y., Diaz H.C., Kalappattil V., Das R., Eggers T., Gutierrez H.R., Phan M., Batzill M. Strong room-temperature ferromagnetism in VSe2 monolayers on van der Waals substrates // Nature nanotechnology. 2018. V. 13. P. 289–293.
  9. Gao D., Xue Q., Mao X., Wang W., Xu Q., Xue D. Ferromagnetism in ultrathin VS2 nanosheets // J. Mater. Chem. C. 2013. V. 1. P. 5909–5916.
  10. Chazarin U., Lezoualc’h M., Chou J., Pai W., Karn A., Sankar R., Cyril C., Girard C., Repain V., Bellec A., Rousset S., Smogunov A., Dappe Y., Lagoute J. Formation of monolayer charge density waves and anomalous edge doping in Na doped bulk VSe2 // Adv. Mater. Interfaces. 2023. V. 10. P. 2201680.
  11. Myron H.W. The electronic structure of the vanadium dichalcogenides // Physica B+ C. 1980. V. 99. P. 243–249.
  12. Bayard M., Sienko M.J. Anomalous electrical and magnetic properties of vanadium diselenide // J. Solid State Chem. 1976. V. 19. P. 325–329.
  13. Strocov V., Shi M., Kobayashi M., Monney C., Wang X., Krempasky J., Schmitt T., Patthey L., Berger H., Blaha P. Three-Dimensional Electron Realm in VSe2 by Soft-X-Ray Photoelectron Spectroscopy: Origin of Charge-Density Waves // Phys Rev. Letters. 2012. V. 109. P. 086401.
  14. Thompson A.H., Silbernagel B.G. Correlated magnetic and transport properties in the charge-density-wave states of VSe2 // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. P. 3420.
  15. Tsuda T., Kitaoka Y., Yasuoka H. NMR studies of the CDW state in 1T-VSe2 // Physica B+C. 1981. V. 105. P. 414–418.
  16. Prigge C., Müller-Warmuth W., Schöllhorn R. NMR Studies of Lithium Intercalated in the Host Compounds 1T-TiS2, c-TiS2 and VSe2 // Zeitschrift Für Physikalische Chemie. 1995. V. 189. P. 153–168.
  17. Skripov A.V., Stepanov A.P., Shevchenko A.D., Kovalyuk Z.D. NMR study of the charge-density-wave state in VSe2 // Phys. Stat. Sol. (b). 1983. V. 119. P. 401–410.
  18. Skripov A.V., Sibirtsev D.S., Cherepanov Yu.G., Aleksashin B.A. 77Se NMR study of the charge density wave state in 2H-NbSe2 and 1T-VSe2 // J. Phys.: Condensed Matter. 1995. V. 7. P. 4479.
  19. Smol’nikov A.G., Ogloblichev V.V., Germov A.Y., Mikhalev K.N., Sadykov A.F., Piskunov Y.V., Gerashchenko A.P., Yakubovskii A.Y., Muflikhonova M.A., Barilo S.N., Shiryaev S.V. Charge Distribution and Hyperfine Interactions in the CuFeO2 Multiferroic According to 63,65Cu NMR Data // JETP Letters. 2018. V. 107. P. 134–138.
  20. Ogloblichev V.V., Smolnikov A.G., Sadykov A.F., Piskunov Y.V., Gerashchenko A.P., Furukawa Y., Kumagai K., Yakubovskii A.Y., Mikhalev K.N., Barilo S.N., Shhiryaev S.V., Belozerov A.S. 17O NMR study of the triangular lattice antiferromagnet CuCrO2 // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 458. P. 1–9.
  21. Sadykov A.F., Piskunov Y.V., Gerashchenko A.P., Ogloblichev V.V., Smol’nikov A.G., Verkhovskii S.V., Arapova I.Y., Volkova Z.N., Mikhalev K.N., Bush A.A. NMR study of the paramagnetic state of low-dimensional magnets LiCu2O2 and NaCu2O2 // J. Exp. Theoret. Phys. 2017. V. 124. P. 286–294.
  22. Chen G., Howard S.T., Maghirang A.B., Nguyen C.K., Villaos R.A.B., Feng L.Y., Chai K., Ganguli S.C., Sweich W., Morosan E., Oleynik I.I., Chuang F.C., Lin H., Madhavan V. Correlating structural, electronic, and magnetic properties of epitaxial VSe2 thin films // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. P. 115149.
  23. He J., Xie Q., Xu G. Confinement effect enhanced Stoner ferromagnetic instability in monolayer 1T-VSe2 // New J. Phys. 2021. V. 23. P. 023027.
  24. Karbalaee Aghaee A., Belbasi S., Hadipour H. Ab initio calculation of the effective Coulomb interactions in MX 2 (M= Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni; X= S, Se, Te): Intrinsic magnetic ordering and Mott phase // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. P. 115115.
  25. Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Pleshchev V.G. Electrical and magnetic properties of vanadium diselenide intercalated with chromium atoms // Phys. Solid State. 2022. V. 64. P. 434–439.
  26. DiSalvo F.J., Waszczak J.V. Magnetic studies of VSe2 // Phys. Rev. B. 1981. V. 23. P. 457.
  27. Геращенко А.П., Верховский С.В., Садыков А.Ф., Смольников А.Г., Пискунов Ю.В., Михалев К.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018663091. Simul 2018.
  28. Slichter C.P. Principles of magnetic resonance. Springer Science & Business Media. 2013. V. 1. P. 657.
  29. Abragam A. The Principles of Nuclear Magnetism. Clarendon Press, 1961. P. 580.
  30. Stauss G.H. Nuclear magnetic resonance determination of some microscopic parameters of LiAl5O8 // J. Chem. Phys. 1964. V. 40. P. 1988–1991.
  31. Kushida T., Benedek G.B., Bloembergen N. Dependence of the pure quadrupole resonance frequency on pressure and temperature // Phys. Rev. 1956. V. 104. P. 1364.
  32. Гречишкин В.С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах. 1973. С. 264.
  33. Gippius A.A., Gunbin A.V., Iarygina D.A., Tkachev A.V., Zhurenko S.V., Verchenko V.Yu., Plenkin D.S., Shevelkov A.V. Microscopic properties of Mo4Ga20Sb intermetallic superconductor in normal and superconducting states as evidenced by NMR and NQR spectroscopy // J. Alloys Compounds. 2022. V. 927. P. 166970.
  34. Wiegers G.A. The characterisation of VSe2: A study of the thermal expansion // J. Phys. C: Solid State Physics. 1981. V. 14. P. 4225–4235.
  35. Sen K.D., Narasimhan P.T. Sternheimer antishielding factors for core electrons in metals: Comparison with free-ion results // Phys. Rev. A. 1977. V. 16. P. 1786–1788.
  36. Hanzawa Katsurou. Analysis of the electric field gradients and the Knight shifts at all Cu and O nuclei in YBa2Cu3O7 // J. Phys. Soc. Japan. 1993. V. 62. P. 3302–3314.
  37. Koh A.K., Miller D.J. Hyperfine coupling constants and atomic parameters for electron paramagnetic resonance data // Atomic data and nuclear data tables. 1985. V. 33. P. 235–253.
  38. Yadav C.S., Rastogi A.K. Electronic transport and specific heat of 1T-V Se2 // Solid State Com. 2010. V. 150. P. 648–651.
  39. Creel R.B., Segel S.L., Schoenberger R.J., Barnes R.G., Torgeson D.R. Nuclear magnetic resonance study of the transition metal monoborides. II. Nuclear electric quadrupole and magnetic shift parameters of the metal nuclei in VB, CoB, and NbB // J. Chem. Phys. 1974. V. 60. P. 2310–2322.
  40. Clogston A.M., Gossard A.C., Jaccarino V., Yafet Y. Orbital paramagnetism and the Knight shift in transition metal superconductors // Rev. Modern Phys. 1964. V. 36. P. 170–175.
  41. Carter G.C., Bennett L.H., Kahan D.J. Metallic Shifts in NMR. Volume 20 of Progress in Materials Science. In four parts. Oxford: Pergamon Press, 1977. P. 2326.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Два типа окружения атомов металла атомами халькогена на примере: (а) VSe2 – октаэдрическое и (б) NbSe2 – тригонально-призматическое; (в) фрагмент кристаллической структуры VSe2.

Скачать (289KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость магнитной восприимчивости образца VSe2, синтезированного при 580°С, от температуры и аппроксимация низкотемпературной части данных зависимостью Кюри–Вейсса. На вставке – данные по восприимчивости образца VSe2, синтезированного при 800°С.

Скачать (62KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр ЯМР 51V, измеренный при температуре T = 116 K во внешнем магнитном поле H0 = 92.8 кЭ. Синяя пунктирная линия – результат моделирования спектра теоретической кривой. Штриховая линия указывает на частоту, соответствующую нулевому сдвигу.

Скачать (45KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектры ЯМР 51V, полученные в температурном диапазоне от 10 до 300 K.

Скачать (122KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектр ЯМР 51V и его моделирование теоретической кривой.

Скачать (60KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость квадрупольной частоты, полученная из анализа спектральных линий. На вставке представлена температурная зависимость уширения линий центрального перехода и первой пары сателлитов ( ).

Скачать (19KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурные зависимости изотропной Kiso и аксиальной Kax компонент тензора магнитного сдвига линии ЯМР 51V.

Скачать (11KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости изотропной Kiso и аксиальной Kax компоненты тензора магнитного сдвига линии ЯМР 51V от магнитной восприимчивости χ0 в VSe2 с ВЗП. Прямые линии – результат аппроксимации данных.

Скачать (17KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости компонент Kxx,yy,zz аксиального вклада. Прямые линии – результат аппроксимации данных.

Скачать (15KB)
Метаданные
11. Рис. 10. На верхней части рисунка представлена функция из выражения (12). На нижней – плотности состояний 3d-электронов иона ванадия, рассчитанные в работе [10]. Штриховыми линиями указаны энергии E–EF, соответствующие полученным оценкам СТП.

Скачать (74KB)
Метаданные