В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Солтанбек Нүргүл Серікбайқызы на тему «Компьютерный дизайн сплавов Гейслера с особенностями магнитных и транспортных свойств» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
- Сергеев Даулет Максатович – кандидат физико-математических наук, ассоцированный профессор, подполковник, начальник кафедры конструкции и эксплуатации радиоэлектронного оборудования РГУ «Военный институт Сил воздушной обороны имени дважды Героя Советского Союза Т.Я. Бегельдинова» МО РК (г.Актобе, Республика Казахстан);
- Кенжина Инеш Еразыевна – доктор PhD, ассоцированный профессор, профессор-исследователь Казахского национального исследовательского технического университета имени Сатпаева (КазНИТУ им. К.И.Сатпаева) (г.Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
- Боргеков Дарын Боранбаевич –доктор PhD, заместитель директора Астанинского филиала РГП на ПХВ «Институт ядерной физики» МЭ РК (г.Астана, Республика Казахстан);
- Сатбаева Зарина Аскербековна – доктор PhD, профессор кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика», НАО «Шәкәрім Университет» (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан);
- Перевалов Тимофей Викторович – кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики полупроводниковим. А.В.Ржанова Сибирского отделения Российской Академии наук (г. Новосибирск, Россия)
Научные консультанты:
- Абуова Фатима Усеновна – доктор PhD, ассоциированный профессор кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий,НАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);
- Инербаев Талгат Муратович – кандидат физико-математическихнаук, доценткафедры технической физикиНАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);
- Ховайло Владимир Васильевич – доктор физико-математических наук, профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС» (г. Москва, Россия).
Защита состоится: 4 сентября 2025 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по специальности «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://clck.ru/3MvMhD
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана 13, аудитория 309
Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Солтанбек Нүргүл Серікбайқызы «Компьютерный дизайн сплавов Гейслера с особенностями магнитных и транспортных свойств», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140- Наноматериалы и нанотехнологии» Актуальность исследования Со времен открытия сплавов Гейслера в 1903 году, данные сплавы привлекают все больше внимания благодаря широкому разнообразию химических составов и параметров, которые позволяют целенаправленно изменять их свойства. Многие из этих сплавов показали себя как высокоэффективные материалы для термоэлектрических и спинтронных приложений. В последние годы создание новых материалов все чаще начинается с этапа компьютерного моделирования, а не с традиционных лабораторных экспериментов. Такой метод получил название «материалоориентированный компьютерный дизайн» и заключается в прогнозировании характеристик еще не полученных соединений с помощью численных симуляций и квантово-механических вычислений. Благодаря стремительному прогрессу в сфере вычислительных технологий, снижению стоимости симуляций и одновременному росту затрат на проведение физических экспериментов, становится возможным заранее оценить потенциал тех или иных соединений без необходимости их синтеза. Это позволяет эффективно фильтровать малоперспективные варианты еще на этапе теоретической проработки. Таким образом, вместо масштабных экспериментальных серий с сотнями проб, исследователи получают возможность сосредоточиться на наиболее перспективных вариантах, отобранных на основе расчетных данных. Одним из ключевых направлений, развивающихся при помощи теоретического моделирования, является изучение и улучшение (фундаментальных) электронных, фононных, упругих и термоэлектрических характеристик материалов. За последние годы особое внимание уделяется полу-Гейслеровы сплавам – их широкое разнообразие по химическому составу и структурным параметрам позволяет тонко настраивать нужные свойства, варьируя отдельные элементы. Среди этих соединений уже выявлено немало удачных примеров эффективных термоэлектрических материалов. Их высокая производительность в данной области в первую очередь обусловлена благоприятной электронной проводимостью. Несмотря на хорошие транспортные свойства, полу- Гейслеровы сплавы, по сравнению с классическими термоэлектриками имеют относительно высокую теплопроводность. Это ограничивает их применение и указывает на необходимость разработки новых модификаций с пониженной теплопроводностью. Кроме того, отдельные представители этой группы сплавов обладают свойствами полуметаллов – они демонстрируют полную (100%) спиновую поляризацию и высокую температуру Кюри, что делает их перспективными кандидатами для спинтронных технологий. Ключевым фактором, определяющим полуметалличность, выступает степень упорядоченности кристаллической структуры. При наличии беспорядка в атомных позициях, магнитные свойства ухудшаются, а спиновая поляризация снижается. Следовательно, в задачах проектирования новых сплавов Гейслера с заданными спинтронными характеристиками первостепенной задачей остается обеспечение стабильного и упорядоченного атомного расположения в решетке. Одним из перспективных путей решения указанных выше задач является изучение недавно предложенного класса соединений – двойных полу-Гейслеровых сплавов. Двойные полу-Гейслеровы сплавы представляют собой новое поколение функциональных материалов, сочетающих в себе уникальные физико-химические свойства. В отличие от классических полу-Гейслеровых соединений типа XYZ, их двойные аналоги характеризуются удвоенной ячейкой с формулой X2Y2Z′Z′′, что позволяет гибко настраивать состав и, как следствие, управлять функциональными характеристиками материала. Исследования последних лет показали, что благодаря сложной орбитальной гибридизации и возможности пространственного упорядочивания атомов, двойные полу- Гейслеры способны демонстрировать высокий уровень спиновой поляризации и настраиваемую электронную проводимость. По данным ряда теоретических и экспериментальных исследований двойные полу-Гейслеры демонстрируют значительно низкую теплопроводность по сравнению с тройным аналогом, что делает их особенно перспективными для применения в термоэлектрике. Методы расчетов из первых принципов, активно применяемые в современных работах показывают, что наноструктурирование двойных полу-Гейслеров может существенно изменить их электронные свойства и повысить эффективность переноса заряда. Это, в свою очередь, расширяет их применимость в устройствах нового поколения, включая термоэлектрические модули, магнитные сенсоры и элементы энергонезависимой памяти. Таким образом, литературные источники свидетельствуют о высокой научной и технологической значимости двойных полу-Гейслеровых сплавов, что обуславливает актуальность их дальнейшего теоретического и экспериментального изучения. Целью настоящего диссертационного исследования является поиск перспективных сплавов Гейслера для их применения в термоэлектрических и/или спинтронных устройствах. Для достижения цели, в рамках диссертационного исследования были поставлены и решены следующие задачи: 1. Установить термодинамическую стабильность сплавов CrNiZ (Z=Sb,Sn), CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn), Ti2Pt2Z′Sb (Z′=Al,Ga,In) и V2Ni2Z′Z′′ (Z′=Al,Ga; Z′′=Sb,Sn), исследовать электронные и магнитные свойства стабильных сплавов. 2. Оценить динамическую стабильность и фононную теплопроводность рассматриваемых сплавов. 4. Провести расчет механической стабильности и упругих свойств исследуемых сплавов. 5. Оценить влияние наноструктурирования на электронные свойства сплавов Гейслера Ti2Pt2AlSb/Ti2Pt4AlSb и V2Ni2AlSb/V2Ni4AlSb. Объект исследования. Полу-Гейслеровы сплавы CrNiZ (Z=Sb,Sn), CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn, двойные полу- Гейслеровы сплавыTi2Pt2Z′Sb (Z′=Al,Ga,In) и V2Ni2Z′Z′′ (Z′=Al,Ga; Z′′=Sb,Sn) Предмет исследования Термодинамическая стабильность, электронные, магнитные, колебательные и упругие свойста CrNiZ (Z=Sb,Sn), CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn), Ti2Pt2Z′Sb (Z′=Al,Ga,In) и V2Ni2Z′Z′′ (Z′=Al,Ga; Z′′=Sb,Sn), а также влияние наночастиц полного сплава Гейслера на двойные сплавы. Методы исследования. Данное диссертационное исследование выполнено с использованием квантово-химических расчетов на основе теории функционала плотности в программном пакете VASP. Были использованы следующие обменно-корреляционные функционалы: GGA, SCAN и HSE06. Фононные спектры рассчитывались в рамках метода конечных сдвигов и сверхячейки в программе PHONOPY. Тензор упругости рассчитывался в рамках подхода «напряжение– деформация». Теплопроводность решетки была расчитана с использованием модифицированной модели Дебая – Кэллауэя, реализованной в программном пакете AICON. Научная новизна исследования. 1. Впервые были исследованы полу-Гейслеровы сплавы CrNiZ (Z=Sb,Sn), CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn). Было выявлено, что сплавы CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn) и CrNiSn являются металлами, а сплав CrNiSb обладает полуметаллическими свойствами и полностью соответсвует правилу Слейтера-Полинга. 2. Установлены полупроводниковые свойства ранее не изученных двойных полу- Гейслеровых сплавов Ti2Pt2Z′Sb (Z′=Al,Ga,In). Наибольшая ширина запрещенной зоны соответстует сплаву Ti2Pt2AlSb и составляет 1.43 эВ. Анализ упругих свойств показал, что с увеличением ионного радиуса атома Z (переход от Al к Ga и In) наблюдается закономерное снижение модуля Юнга, что указывает на уменьшение жесткости кристаллической решетки. Значения решеточной теплопроводности 𝑘𝐿 для всех трех соединений находятся в диапазоне 2.3–2.7 Вт/(м·К), что сопоставимо с традиционным термоэлектрическим материалом PbTe. 3. Исследованы электронные и магнитные, колебательные и упругие свойства ранее не изученных двойных полу-Гейслеровых сплавов V2Ni2Z′Z′′ (Z′=Al,Ga; Z′′=Sb,Sn). Изученные сплавы являются полуметаллами, и проявляют фереомагнитные свойства. Все сплавы демонстрируют пластичное поведение, о чем свидетельствуют значения отношения объемного модуля к модулю сдвига (B/G ≈ 2.5), а также почти изотропные механические характеристики, определенные по коэффициенту анизотропии упругости. 4. Наноструктурирование двойных полу-Гейслеровых сплавов показало, что у сплава Ti2Pt2AlSb (Ti2Pt2AlSb/Ti2Pt4AlSb) наблюдаются изменения в электронной плотности состояний (DOS) и характеристиках переноса по сравнению с чистым Ti2Pt2AlSb. Наноструктурированная плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми увеличилась, а запрещенная зона сузилась, что привело к уменьшению полупроводниковых свойств. А так же наноструктурирование V2Ni2AlSb (V2Ni2AlSb/V2Ni4AlSb показало уменьшение полуметаллических свойств материала. В результате работы выявлены новые двойные полу-Гейслеровы соединения с подтвержденной стабильностью и характеристиками, подходящими для передовых функциональных применений. Получена подробная информация об их электронной структуре, магнитных свойствах, жесткости, твердости, устойчивости к разрушению и теплопроводности, что откроет возможности для их дальнейшего экспериментального изучения. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Полу-Гейслеровы сплавы CrNiZ (Z=Sb,Sn) и CuNiZ (Z=Al,Ga,Sb,Sn) проявляют металлический характер проводимости, тогда как сплав CrNiSb демонстрирует полуметаллическое поведение и полностью удовлетворяет критериям правила Слейтера– Полинга. 2. Двойные полу-Гейслеровы сплавы Ti2Pt2Z′Sb (Z′=Al,Ga,In) являются узкозонными полупроводниками с шириной запрещенных зон 1.43, 1.41 и 1.40 эВ соответственно, низкой теплопроводностью < 3 Вт/мК при 300 K. 3. Двойные полу-Гейслеровы сплавы V2Ni2Z′Z′′ (Z′=Al,Ga; Z′′=Sb,Sn) являются полуметаллическими ферромагненитками с энергетической щелью в спин-вверх канале от 0.103 до 0.653 эВ. 4. Наноструктурированные двойные полу-Гейслеровы сплавы Ti2Pt2AlSb (Ti2Pt2AlSb/Ti2Pt4AlSb) и V2Ni2AlSb (V2Ni2AlSb/V2Ni4AlSb) имеют повышенную плотность электронных состояний на краях энергетической щели и более узкую запрещенную зону до 0.25 и 0.31 эВ по сравнению с объемными образцами. Практическая значимость полученных результатов. Полученные результаты расширили список известных термодинамически стабильных сплавов Гейслера. Также результаты исследования имеют важное значение для разработки новых функциональных материалов, использующихся в устройствах спинтроники и термоэлектрики. Личный вклад соискателя. Все расчеты и теоретические исследования, представленные в данной диссертационной работе, были выполнены автором самостоятельно при консультационной поддержке сотрудников национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Совместно с научными руководителями (консультантами) была проведена обработка полученных данных и интерпретация результатов. Апробация работы. Данная работа выполнена в рамках грантового проекта МОН РК AP22683528 «Компьютерное моделирование термоэлектрических и спинтронных материалов на основе сплавов Гейслера». Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях: 1. Soltanbek N. S. Merali N.A., Sagatov N.E., et al., Ab initio investigation of the stability, electronic, mechanical, and transport properties of a new double Half-Heusler alloys Ti2Pt2ZSb (Z = Al, Ga, In) // Metals. – 2025, №. 15 (3), 329, quartile Q1, percentile 79%, IF = 2,8 https://doi.org/10.3390/met15030329 2. Merali N.A., Soltanbek N.S.*, Sagatov N.E., et al., Investigation of the structural, electronic, magnetic, and mechanical characteristics of double half-Heusler alloys V2Ni2Z′Z′′(Z′= Al, Ga and Z′′= Sb, Sn) using ab initio computational methods //Journal of Applied Physics. – 2025. – Т. 137. – №. 18, quartile Q1, percentile 79%, IF = 2,5 https://doi.org/10.1063/5.0252730 3. Солтанбек Н. С. Мерали Н.А., Абуова А.У., и др., Исследование структурных и электронных свойств полу-Гейслеровы сплавов CrNiZ (Z= Sb, Sn) на основе расчетов ab initio. Вестник НЯЦ РК, Курчатов. -2025.- №1. – с 90-95 4. Солтанбек Н.С., Мерәлі Н.А., Абуова Ф.У., и др., // Жартылай Гейслер қорытпаларының құрылымдық, электронды және механикалық сипаттамаларын алғашқы принциптерге негізделіп зерттеу. ҚР ҰЯО Хабаршысы, Курчатов. -2025.- №2. 5. Солтанбек Н.С, Абуова А.У., Инербаев Т.М, және басқ., // Жартылай Гейслер матрицасындағы толық Гейслер қорытпасының нанобөлшектерін модельдеу: құрылымдық және электрондық қасиеттерін зерттеу. Вестник ЕНУ, Серия Физика.Астрономия. -2025.- №2. – с 177-191 А так же езультаты диссертационного исследования были представлены в виде научных докладов на следующих научных конференциях: 6. II International Scientific School-Conference “Atom.Science.Technology”,2023, Almaty,Lazakhstan 7. 11th International Conference on Nanomaterials and Advanced Energy Storage Systems (INESS), 2023, Mugla,Turkey 8. 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024), 2024, Tomsk, Russian Federation Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в печатных работах, полностью соответствующих теме диссертации: в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в базу Web of Science и Scopus и относящихся к квартилю Q1 и Q2 в соответствии с Thomson Reuters JCR, 3 статьи в научных изданиях, представленных ККСОН НКС РК, и доклады на международных научных конференциях. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка используемых источников. Объем диссертации составляет 127 страниц, включая рисунки, таблицы и список использованных литературных источников. Благодарности. Выражаю благодарность научным руководителям, кандидату физ.-мат. наук, доценту Т.М. Инербаеву и доктору PhD, ассоцированному профессору Ф.У. Абуовой за научное руководство, поддержку и внимание при работе над докторской диссертацией. Так же выражаю благодарность зарубежному научному консультанту, доктору физ.-мат. наук, профессору В.В. Ховайло за руководство на этапах работы над диссертацией. Выражаю искреннюю признательность Н.Е.Сагатову из Новосибирского государственного университета и Института геологии и минералогии имени В.С.Соболева (Новосибирск) за помощь и интерес к моей работе в проведении теоретических расчетов.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/esOqeYUKzKM?si=hGsR9AX3ROmJmRYT
