Magnetic and transport properties of thin uranium-based films engineered by strain

• Název práce v češtině: Magnetické a transportní vlastnosti tenkých vrstev na bázi uranu laděné napětím
• Název v anglickém jazyce: Magnetic and transport properties of thin uranium-based films engineered by strain
• Klíčová slova: tenké vrstvy|ladění napětím|epitaxe|sloučeniny uranu|supravodivost|magnetism|ab initio výpočty
• Klíčová slova anglicky: thin films|strain engineering|epitaxy|uranium compounds|superconductivity|magnetism|ab initio calculations
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Evgenia Chitrova, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 14.02.2023
• Datum zadání: 14.02.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.02.2023
• Konzultanti: doc. RNDr. Ladislav Havela, CSc.

Zásady pro vypracování

1. Studium literatury.
2. Příprava vybraných vzorků.
3. Studium krystalové struktury materiálu pomocí rentgenové difrakce.
4. Studium magnetických a elektronových vlastností tenkých vrstev.

Seznam odborné literatury

1) Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, Ed. 8, Wiley (2004).
2) N.W. Ashcroft, N.D. Mermin: Solid State Physics, Saunders College, Philadelphia (1976).
3) Odborné časopisy.

Předběžná náplň práce

Mechanická napětí v tenkých vrstvách se ukazují být významným nástrojem ladění fyzikálních vlastností. Typicky jsou realizována vhodnou volbou substrátu, na kterém vrstva epitaxně roste. Ten může ovlivnit krystalovou mříž tenké vrstvy prostřednictvím tzv. misfitu, který ovlivní parametry struktury vrstvy a je dále modifikován rozdíly v teplotní roztažnosti. Napětí pak připomíná vliv tlaku, který je běžnou metodou manipulace s elektronovou strukturou materiálu, ale na rozdíl od skutečného tlaku může být i záporný. Využití různých substrátů může pak znamenat dramaticky rozdílné vlastnosti materiálů o identickém chemickém složení. To je zvláště zajímavé v situaci, kdy materiál je poblíž nějaké nestability (magnetické, strukturní), typicky citlivé na vnější proměnné, jako teplota, magnetické pole nebo tlak. Napětí, kompresní nebo expanzivní, vytvořené v tenkých vrstvách může pak sloužit k ladění materiálu směrem k nestabilitě nebo od ní. Předmětem práce je příprava, studium struktury a fyzikálních vlastností vybraných tenkých vrstev na bázi uranu. Příkladem je nekonvenční supravodič UTe2, který se nachází poblíž vzniku magnetického spořádání, spojeného s 5f elektronovými stavy uranu. Široká škála makro- a mikroskopických technik (XPS, XRD, TEM, RBS, SQUID) a prvoprincipové výpočty budou využity pro pochopení vztahů struktury a vlastností. Cílem je ovládat stav materiálu (magnetický, supravodivý) vhodnou volbou substrátu a parametrů syntézy.

Práce je vhodná pro absolventy magisterského studia jak fyzikálních tak chemických oborů. Zásadní je znalost fyziky pevných látek, stejně jako znalost anglického jazyka. Výhodou je znalost metod rentgenové difrakce.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Strain engineering has emerged as a powerful tool to tune physical properties of materials. It is typically realized through the choice of substrate which imposes its lattice parameter onto the film and can arise either during film growth and/or due to thermal expansion mismatch. Strain mimics application of pressure, the common means to manipulate the electronic structure of bulk materials, but in contrast to pressure, it can be negative. By using various substrates, strained thin films of identical chemical formulas that have dramatically different electronic and magnetic properties can be created. This is especially important for materials that are in proximity to various instabilities (magnetic and/or structural). The latter are usually very sensitive to the changes of extrenal conditions, such as temperature, magnetic field or pressure. The latter, compressive or expansive, can serve as a driving force towards (or further away) from the instability. The essence of the work is preparation, studies of crystal structure and physical properties of selected thin films based on uranium. The exaple is a non-conventional superconductor UTe2, which is close to the magnetic ordering connected to the 5f electron states of uranium. A wide range of macro- and microspopic methods (XPS, XRD, TEM, RBS, SQUID) and ab initio calculations will be used for understanding the structure-properties relationship. The aim is to master the state of material (magnetic and/or superconducting) by choosing a suitable substrate.

The work is suitable to candidates with a M.Sc. degree in Phyics or Chemistry. Knowledge of the Solid State Physics and basic knowledge of English is essential. Knowlegde of x-ray diffraction methods is beneficial.