Electronic structure and hyperfine interactions in dichalcogenides CrxVSe2 (x ≤ 0.5)): 51V NMR study

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A systematic study of the electronic structure of chromium-intercalated vanadium dichalcogenide CrxVSe2 (x ≤ 0.5) was performed using X-ray diffractometry, magnetometry and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy on 51V nuclei. The values of the components of the magnetic shift tensors and the electric field gradient at the location of vanadium nuclei are determined. When chromium ions are introduced into the VSe2 matrix, the NMR spectrum on 51V nuclei widens significantly, the fine structure disappears, and the line shift changes its sign relative to the diamagnetic point. Significant local charge and spin heterogeneity of intercalated compounds has been revealed. It was found that the overlap of 3d, 4s shells of vanadium ions and chromium orbitals leads to the appearance of a positive hyperfine field induced by the magnetic moments of chromium on vanadium nuclei. Estimates of the hyperfine interaction constants on vanadium ions are made from the temperature dependences of the NMR line shift and susceptibility in CrxVSe2 (x ≤ 0.5). In CrxVSe2 compounds (0.1 ≤ x ≤ 0.5), signs of the formation of a superstructure of chromium ion positions in the ab plane were found.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. A. Utkin

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108; Ekaterinburg, 620002

M. Е. Kashnikova

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108; Ekaterinburg, 620002

A. G. Smolnikov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

V. V. Ogloblichev

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

Yu. V. Piskunov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

A. F. Sadykov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

E. M. Sherokalova

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620002

N. V. Selezneva

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620002

N. V. Baranov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smolnikov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

References

  1. Choi W., Choudhary N., Han G.H., Park J., Akinwande D., Lee Y.H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications // Mater. Today. 2017. V. 20. P. 116–130.
  2. Чернозатонский Л.А., Артюх А.А. Квазидвумерные дихалькогениды переходных металлов: структура, синтез, свойства и применение // Успехи физ. наук. 2018. Т. 188. С. 3–30.
  3. Yang J., Wang W., Liu Y., Du H., Ning W., Zheng G., Jin C., Han Y., Wang N., Yang Z., Tian M., Zhang Y. Thickness dependence of the charge-density-wave transition temperature in VSe2 // Appl. Phys. Letters. 2014. V. 105. P. 063109.
  4. Wiegers G.A. Physical properties of first-row transition metal dichalcogenides and their intercalates // Physica B+C. 1980. V. 99. P. 151–165.
  5. Sutar P., Grabnar D., Vengust D., Svetin D., Goreshnik E., Mihailovic D., Mertelj T. Photo-induced collective charge-density-wave dynamics in bulk 1T-VSe2 // APL Mater. 2024. V. 12. P. 071107.
  6. Bulaevskiǐ L.N. Superconductivity and electronic properties of layered compounds // Soviet Physics Uspekhi. 1975. V. 18. P. 514.
  7. Баранов Н.В., Васьковский В.О., Иванов О.А., Катаев В.А., Курляндская Г.В. Магнетизм наносистем на основе редкоземельных и 3d-переходных металлов. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2008. 277 с.
  8. Toporova N.M., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Ogloblichev V.V., Baranov N.V. Crystal structure, properties and griffiths-like phase in niobium diselenide intercalated with chromium // J. Alloys Compounds. 2020. V. 848. P. 156534.
  9. Selezneva N.V., Sherokalova E.M., Pleshchev V.G., Kazantsev V.A., Baranov N.V. Suppression and inducement of the charge-density-wave state in CrxTiSe2 // J. Phys.: Condensed Matter. 2016. V. 28. P. 315401.
  10. Gubkin A.F., Proskurina E.P., Kousaka Y., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Miao P., Lee S., Zhang J., Ishikawa Y., Torii S., Kamiyama T., Campo J., Akimitsu J., Baranov N.V. Crystal and magnetic structures of Cr1∕3NbSe2 from neutron diffraction // J. Appl. Phys. 2016. V. 119. P. 013903.
  11. Kaul A.B. Two-dimensional layered materials: Structure, properties, and prospects for device applications // J. Mater. Research. 2014. V. 29. P. 348–361.
  12. 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.
  13. Pushkarev G.V., Mazurenko V.G., Mazurenko V.V., Boukhvalov D.W. Structural phase transitions in VSe2: energetics, electronic structure and magnetism // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 22647–22653.
  14. Chazarin U., Lezoualc'h M., Chou J.-P., Pai W.W., Karn A., Sankar R., Chacon C.C., Girard Y., Repain V., Bellec A., Rousset S., Smogunov A., Dappe Y.J., Lagoute J. Formation of Monolayer Charge Density Waves and Anomalous Edge Doping in Na Doped Bulk VSe2 // Advanced Mater. Interfaces. 2023. V. 10. P. 2201680.
  15. Skripov A.V., Sibirtsev D.S., Yu G.C., 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.
  16. 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.
  17. Zhou M. Vanadium Diselenide: On the Verge of Charge Density Wave. Diss. Clemson University. 2016. 90 p. https://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/2414
  18. Yadav C.S., Rastogi A.K. Electronic transport and specific heat of 1T-VSe2 // Solid State Comm. 2010. V. 150. P. 648–651.
  19. Myron H.W. The electronic structure of the vanadium dichalcogenides // Physica B+C. 1980. V. 99. P. 243.
  20. Brauer H.E., Starnberg H.I., Holleboom L.J., Strocov V.N., Hughes H.P. Electronic structure of pure and alkali-metal-intercalated VSe2 // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 10031–10045.
  21. Brauer H.E., Ekvall I., Olin H., Starnberg H.I., Wahlström E., Hughes H.P., Strocov V.N. Na intercalation of VSe2 studied by photoemission and scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 10022–10026.
  22. Feng J., Biswas D., Rajan A., Watson M.D., Mazzola F., Clark O.J., Underwood K., Marković I., McLaren M., Hunter A., Burn D.M., Duffy L.B., Barua S., Balakrishnan G., Bertran F., Le Fèvre P., Kim T.K., Van der Laan G., Hesjedal T., Wahl P., King P.D.C. Electronic Structure and Enhanced Charge-Density Wave Order of Monolayer VSe2 // Nano Letters. 2018. V. 18. P. 4493–4499.
  23. Yi Y., Du X., Zhao Z., Liu Y., Guan H., Liu X., Pei X., Zhang S., Li D. Coupling of Metallic VSe2 and Conductive Polypyrrole for Boosted Sodium-Ion Storage by Reinforced Conductivity Within and Outside // ACS Nano. 2022. V. 16. P. 7772–7782.
  24. Шерокалова Е.М. Влияние интеркалации атомов 3d- и 4f-элементов на структуру и физические свойства дихалькогенидов переходных металлов IV и V групп: Дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Е.М. Шерокалова. Екатеринбург. 2018. 172 c.
  25. Шерокалова Е.М., Селезнева Н.В., Плещев В.Г. Электрические и магнитные свойства диселенида ванадия, интеркалированного атомами хрома // ФТТ. 2022. Т. 64. С. 437–442.
  26. Smolnikov A.G., Piskunov Y.V., Ogloblichev V.V., Sadykov A.F., Kashnikova M.E., Utkin N.A., Gerashchenko A.P., Akramov D.F., Selezneva N.V., Baranov N.V. Hyperfine Interactions in Dichalcogenides CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5): A 93Nb NMR Study // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. P. 20–26.
  27. Ogloblichev V.V., Baranov N.V., Agzamova P.A., Germov A.Y., Nosova N.M., Piskunov Y.V., Sherokalova E.M., Selezneva N.V., Sadykov A.F., Smolnikov A.G. Electronic states in ferromagnetic CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5) studied by 53Cr and 93Nb NMR spectroscopy // Phys. Rev. B. 2021. V. 104. P. 245115.
  28. Agzamova P., Ogloblichev V. Electronic Structure and Hyperfine Interactions in CrxNbSe2 (x = 0.33, 0.5) by DFT Studies // Appl. Magnetic Resonance. 2023. V. 54. P. 439–448.
  29. Чижиков Д.М. Селен и селениды. М.: Наука, 1964. 320 с.
  30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ #2018663091. Simul 2018. Геращенко А.П., Верховский С.В., Садыков А.Ф., Смольников А.Г., Пискунов Ю.В., Михалев К.Н. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.10.2018 г.
  31. Slichter C.P. Principles of Magnetic Resonance. Springer, Berlin, New York. 1990. 655 p.
  32. Абрагам А. Ядерный магнетизм. Пер. с англ. Под ред. Г.В. Скроцкого. М.: ИИЛ, 1963. 551 с.
  33. DiSalvo F.J., Waszczak J.V. Magnetic studies of VSe2 // Physical Review B. 1981. V. 23. P. 457–461.
  34. Myron H.W. Aspects of the electronic structure of the 3d transition metal diselenides // Physica B+C. 1981. V. 105. P. 120–122.
  35. Piskunov Y.V., Sadykov A.F., Ogloblichev V.V., Smolnikov A.G., Gerashenko A.P., Si P.Z. Valence state of chromium ions in the half-metallic ferromagnet CrO2 probed by 53Сr NMR // Phys. Rev. B. 2022. V. 106. P. 094428.
  36. Smol'nikov A.G., Ogloblichev V.V., Verkhovskii S.V., Mikhalev K.N., Yakubovskii A.Y., Kumagai K., Furukawa Y., Sadykov A.F., Piskunov Y.V., Gerashchenko A.P., Barilo S.N., Shiryaev S.V. 53Cr NMR study of CuCrO2 multiferroic // JETP Letters. 2015. V. 102. P. 674–677.
  37. Freeman A.J., Frankel R.R. Hyperfine Interactions. New York and London: Academic Press, 1967. 756 p.
  38. Плещев В.Г., Селезнева Н.В., Максимов В.И., Королев А.В., Подлесняк А.В., Баранов Н.В. Особенности структуры, магнитные свойства и теплоемкость интеркалированных соединений CrxTiSe2 // ФТТ. 2009. Т. 51. С. 885–891.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Crystal 1T structure of the compound VSe2. The solid bold line shows the basic unit cell. Arrows show the intercalation regions of chromium ions.

Download (406KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. (a) Behaviour of the parameters a, b, c and (b) of the unit cell volume in CrxVSe2 compounds as a function of the chromium ion concentration x at room temperature.

Download (102KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. NMR spectrum at 51V nuclei in VSe2 in an external magnetic field H0 = 92.8 kE at temperature T = 150 K. The dashed line (red) is a single line modelling of the experimental NMR spectrum. The inset shows the dependence of the quadrupole frequency νQ of vanadium on temperature in VSe2.

Download (366KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Temperature dependence of the magnetic susceptibility of VSe2 and approximation of the low-temperature part of the data by the Curie-Weiss dependence.

Download (164KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. NMR spectra on 51V nuclei in CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50) in an external magnetic field H0 = 92.8 ke at temperature T = 295 K.

Download (112KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the half-width at half-height of the NMR spectrum at 51V nuclei in CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50) on temperature. The inset shows the measured value.

Download (150KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature dependence of the NMR line shift at 51V nuclei in CrxVSe2 (x = 0; 0.10; 0.33; 0.50).

Download (283KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the shift of the NMR K line at 51V nuclei in CrxVSe2 (x = 0.10; 0.33; 0.50) on the magnetic susceptibility χ. Straight lines are the result of approximation of the data by function (4). The inset shows the K-χ diagram for the initial composition of VSe2.

Download (188KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».