Клатратні напівпровідникові мультифероїки, синтезовані в системі GaSe-NaNO2-FeSO4. Вплив коінтеркаляції

Abstract

UK: Актуальність. Розглянуто задачу накопичення електричної енергії не в електрохімічний спосіб, а за участі електронів та їх спінів, тобто створення так званих квантових акумуляторів та спінових конденсаторів. Об’єктом дослідження є синтезовані клатрати 4-кратно розширеної матриці GaSe з гостьовими контентами – нітритом натрію (NaNO2), сульфатом заліза (FeSO4) та їх коінтеркаляції NaNO2 FeSO4. Мета роботи – синтез гетероструктурованих нанокомпозитних матеріалів, які володіли б великою міжфазною поверхнею розділу і забезпечували анізотропію електропровідності в залежності від напрямку; досягнення в таких матеріалах високих значень діелектричної проникності в поєднанні з меншим від 1 значенням тангенса кута електричних втрат. Метод. Запропоновано інтеркаляційний підхід до створення гетероструктурованих нанокомпозитних матеріалів, що дозволяє використовуючи велику варіабельність гетероінгредієнтів створювати задані складні атомно-молекулярні комплекси типу «господар-гість» та комплекси ієрархічної будови «субгосподар-господар-гість». Методом рентгенівської дифрактометрії виявлено структурні зміну макрокомпозиту NaNO2FeSO4 при переході до гостьової нанообмеженої геометрії. На основі частотних залежностей питомого комплексного імпедансу з’ясовані закономірності струмопроходження та накопичення заряду в синтезованих наногібридах і вплив на них власне коінтеркаляції гостьових компонентів. Імпедансні фото- і магнетовідгуки виявили для певних архітектур гігантські фотодіелектричний, магніторезистивний та магнетоємнісний ефекти за кімнатних температур, які відкривають нові можливості їх практичного застосування у якості високочутливих сенсорів постійного магнітного поля та поля світлової хвилі. Результати. Сформовано клатрати GaSe<NaNO2>, GaSe<FeSO4> та GaSe<NaNO2FeSO4>. Виявлено накопичення електричного заряду на міжфазних межах. Зафіксовано при кімнатній температурі ефекти від’ємної фотопровідності та гігантського магнітоопору; значне зростання фото-ЕРС; гігантський фотодіелектричний і магнітоємнісний ефекти. Висновки. Коінтеркаляція NaNO2FeSO4 істотніше модифікує енергетичний спектр GaSe, ніж їх поокреме впровадження. Синтезовані клатрати є перспективними (з коінтеркалатною архітектурою найбільше) для нових підходів у технології надчутливих сенсорів магнітного поля і поля світлової хвилі за кімнатних температур ємнісного типу, а також до створення квантових акумуляторів і квантових конденсаторів – новітньої альтернативи хімічним джерелам струму. EN: 44 Context. The task for electric energy accumulation in non-electrochemical way but by means of electrons and spins was developed on the basis of quantum accumulators and spin capacitors. Synthesized clathrates of 4 folds expanded GaSe matrix with guest component sodium nitrite NaNO2, Iron II Sulfate FeSO4 and combination of them NaNO2FeSO4 are the object of research. Objective. Synthesis of heterostructured nanocomposite materials with large developed interface, anisotropic electric conductance and high values of dielectric permittivity in combination with loss tangent less than 1. Method. The intercalation approach to heterostructured nanocomposite materials formation was proposed. It allows creating developed atomic-molecular complexes of host-guest type and hierarchical structures of subhost-host-guest type. The X-ray diffractometry data show the structural changes in macro composite NaNO2FeSO4 at the transition to the guest nanoscale geometry. With the help of frequency dependence of specific complex impedance the main features of current flow and charge accumulation processes in synthesized nanohybrids and effect of cointercalation were determined. Impedance photo- and magneto- responses show a gigantic photodielectric, magnetoresistive and magnetocapacitive effects at room temperature. These effects open up a new possibilities of theirs application as highly sensitive sensors of constant magnetic and light wave field. Results. Clathrates GaSe<NaNO2>, GaSe<FeSO4> та GaSe<NaNO2FeSO4> were synthesized. Electric charge accumulation at the interface was determined. The effects of negative photoconductivity and giant magnetoresistance, drastic increase in photo-EMF, giant photodielectric and magnetocapacitive effects were registered at room temperature. Conclusions. Cointercalation of NaNO2FeSO4 modifies the energetic specter of GaSe more than individual intercalation. Synthesized clathrates are promising materials for novel approaches in thechnology of highly sensible sensors of capacitive type for magnetic and light wave field at room temperatures as well as for quantum accumulators and quantum capacitors as a new alternative of chemical power sources.