Сорокин Павел Борисович — Ученые

Д.ф.-м.н., доцент, заведующий лабораторией «Цифровое материаловедение»

pbsorokin@misis.ru
Ленинский проспект, д.4, Б-435А

Область научных интересов

Наноструктуры, нанотехнология, композиционные материалы, квантовая химия.

Область знаний (по классификатору ОЭСР)

01.03.UK, 01.03.UH, 01.04.EI.

Доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы»

2016-н.в. НИТУ МИСИС, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы»

2015 г. Японское атомное энергетическое агентство, приглашённый учёный.

2013 г. Дрезденский технический университет (Германия), приглашённый учёный

2012 г. Японское атомное энергетическое агентство, приглашённый учёный.

2011-2016 гг. ФГБНУ «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов», старший научный сотрудник.

2010-2011 гг. Университет Райса (США), постдок.

2007-2010 гг. Сибирский федеральный университет, старший преподаватель.

2005-2007 гг. Институт биохимической физики РАН, младший научный сотрудник.

Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, доктор физико-математических наук.

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), кандидат физико-математических наук.

Красноярский государственный университет, магистр физики.

Красноярский государственный университет, бакалавр физики.

Основные результаты научной деятельности

Была предложена и разработана теория химически индуцированного фазового перехода из многослойного графена в новую наноструктуру — сверхтонкую алмазную плёнку «диаман» без приложения внешнего давления (или лишь при малом его значении), когда процесс перехода облегчён функционализацией поверхностей плёнки. Этот наноразмерный эффект связан с прямым влиянием поверхностных эффектов на термодинамику процесса формирования данного материала. Данный эффект приводит к тому, что давление перехода в значительной степени зависит от толщины плёнки. Работа с описанием этого эффекта была опубликована в Nano Letters [10.1021/nl403938g]. Изученный эффект химически индуцированного фазового перехода был подтверждён в совместной экспериментально-теоретической работе [10.1021/jz5007912].

Дальнейшее подробное рассмотрение зарождения и роста алмазной фазы в многослойном графене позволили сделать ряд важных дополнений. Например, было обнаружено, что если в случае двухслойного графена кубический алмаз может образовываться самопроизвольно, то пленки толщиной более двух слоев могут быть преобразованы в особую гексагональную (лонсдейлитовую) алмазную пленку. Предлагаемый теоретический результат дает важную подсказку эксперименту по эффективному производству такого нового материала, включая значения необходимого давления, тип упаковки графеновых слоев, а также лучший выбор сторонних атомов для реализации химически индуцированного фазового перехода. Работа была опубликована в журнале Small [10.1002/smll.202004782].

Ещё одни интересные результаты по контролируемому изменению свойств 2D плёнок были получены в двух нижеследующих работах, представляющих собой успешное сочетание теории и эксперимента. В данных работах была предложена возможность контролируемого изменения свойств 2D материала при взаимодействии с кислородом. В работе опубликованной в Nature Chemistry [10.1038/s41557-018-0136-2] были проведены исследованиях на атомарном уровне, показывающие, что атомы кислорода самопроизвольно входят в базовую плоскость отдельных слоёв MoS2 при нахождении плёнок в окружающей среде. Сканирующая туннельная микроскопия продемонстрировала медленную реакцию замещения кислорода, в ходе которой отдельные атомы серы по одному заменяются кислородом, в результате чего образуется двумерный твёрдый раствор MoS2-xOx. Кроме того, был предложен простой способ восстановления атомной структуры основной плоскости MoS2. Выявление природы внедрения атомов кислорода в структуру MoS2 имеет фундаментальное значение для дальнейшего понимания свойств 2D кристаллов под действием окружающей среды, а также для задания их свойств путём контролируемого окисления. Так, было показано, что области замещения кислорода присутствуют по всей плоскости плёнки и представляют собой одноатомные реакционные центры, существенно увеличивающие каталитическую активность всей плоскости MoS2 для электрохимической реакции выделения Н2 [10.1021/acsenergylett.9b01097].

Возможность контролируемого изменения свойств 2D плёнок также было продемонстрировано для случая двумерного нитрида бора. Систематические теоретические исследования показали, что электронные и магнитные свойства плёнок h BN моноатомной толщины могут варьироваться в широких пределах путём легирования кислородом и/или функционализацией. Впервые была продемонстрирована возможность изменения магнитных свойств слоёв h BN посредством функционализации кислородом. Эти результаты открывают новый путь для оптической, электронной и магнитной инженерии 2D плёнки h BN. Работа опубликована в журнале Advanced Materials [10.1002/adma.201700695].

Впервые было показано, что в графене может быть индуцирована спиновая поляризация при его осаждении на поверхность кристалла La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), что является ключевым для использования такого материала в спинтронике. Мы также предсказали, что значительная поляризация спинов в графене не приводит к существенному искажению его зонной структуры. Теория показала, что эффект близости связан с непрямым обменным взаимодействием между графеном и LSMO. Данный результат был подтверждён в эксперименте при помощи спектроскопии релаксирующих спин-поляризованных атомов. Эта работа была опубликована в журнале ACS Nano [10.1021/acsnano.6b02424].

Успешное экспериментально-теоретическое исследование было продолжена в рамках изучения спиновых свойств графена на железоиттриевом гранате Y3Fe5O12 (YIG). В отличие от металлического LSMO, данное соединение демонстрирует полупроводниковые свойства. Впервые в такой гетероструктуре нами был обнаружен эффект индуцированной спиновой поляризации в графене, а также получено, что -зона графена обладает отрицательной спиновой поляризацией с наибольшей степенью поляризации при температуре 100 K. В данной работе подчёркивается, что при использовании гетероструктур типа графен/диэлектрические оксиды магнетиков возможен эффективный контроль над спиновой поляризацией носителей в спинтронных устройствах на основе графена без их структурных изменений, что позволит избежать постепенной деградации электронных свойств. Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials [10.1002/adfm.201800462].

Особенно важной кажется следующая работа, в которое экспериментально синтезирована и теоретически изучена новая гетероструктура, состоящая из графена, расположенного на подложке из полуметаллического сплава Гейслера Co2FeSi (CFGG). Было продемонстрировано наличие увеличенного значения магнитного момента на границе раздела графен/CFGG. В комбинации с преимуществами графена как материала-прослойки с низким сопротивлением для вертикальных спиновых клапанов и долговечного материала спинового канала в горизонтальных спиновых клапанах, свойства высокой объёмной спиновой поляризации и устойчивого магнитного момента на поверхности границы раздела делают гетероструктуру графен/CFGG чрезвычайно перспективной в качестве основы для развития различных спинтронных устройств на базе графена. Эта работа была опубликована в журнале Advanced Materials [10.1002/adma.201905734].

Были получены и исследованы 2D кластеры CuO моноатомной толщины с нетипичной квадратной решёткой. Впервые показано, что плёнка атомарной толщины может иметь структуру отличную от гексагональной. СПЭМ-СХПЭЭ измерения и моделирование показали, что кислород располагается в центрах квадратной решётки из атомов Cu и таким образом стабилизирует ее квадратную решётку. Расчёты показывают, что 2D оксид меди — это полупроводник, при этом его основное состояние — антиферромагнитное [10.1039/C6NR06874J].

В работе, опубликованной в журнале Nature Physics [10.1038/nphys3321] было проведено исследование свойств новой двумерной пленки состава Nb3SiTe6. Экспериментально и теоретически получено, что при уменьшении толщины пленки в ней появляется эффект слабой антилокализации в магнитопереносе, что позволило сделать заключение о подавлении электрон-фононного взаимодействия, вызванного изменением фононного спектра из 3D в 2D.

Индекс Хирша по Scopus — 27.

Количество статей по Scopus — 140.

SPIN РИНЦ: 1701-5423. ORCID: 0000-0001-5248-1799.

ResearcherID: C-9749-2011.

Scopus AuthorID: 9277558700

Значимые исследовательские проекты, гранты

Исследование путей создания и свойств монокристаллической алмазной плёнки нанометровой толщины, НИР ФЦП 14.В37.21.1645 — 2012 — 2013.
Инфраструктурный проект «Теоретическое материаловедение наноструктур». Программа повышения конкурентоспособности НИТУ МИСИС среди ведущих мировых научно-образовательных центров, № К2-2015-033 — 2015-2017.
Особенности свойств новых двумерных материалов, РФФИ 16-32-60138-мол_а_дк — 2016-2018.
Инфраструктурный проект «Теоретическое материаловедение наноструктур». Программа повышения конкурентоспособности НИТУ МИСИС среди ведущих мировых научно-образовательных центров, № К2-2017-001 — 2017-2018.
Исследование новых классов наноматериалов с необычной структурой: плёнки моноатомной толщины на основе d-металлов и квазиодномерные ван-дер-ваальсовые нанопровода и наноленты состава M2X3 и M2X3Y8, РНФ 17-72- 20223 — 2017- 2020 .
Исследование соединения сплавов Гейслера и ряда низкоразмерных материалов для использования в спинтронике, РФФИ 18-32- 20190 — 2019- 2020.
Инфраструктурный проект «Поиск и предсказание новых низкоразмерных структур и исследование их физико-химических свойств». Программа повышения конкурентоспособности НИТУ МИСИС среди ведущих мировых научно-образовательных центров, № К2-2019-016 — 2019-2020.
Исследование образования новых квазидвумерных наноструктур при химически индуцированном фазовом переходе — Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации, МД-1046.2019.2 — 2019-2020
Теоретическое исследование спиновых эффектов в новых магнитных гетеросоединениях, РФФИ 20-32- 90049 — 2020-2022.
Ион-имплантированные двумерные материалы для одноцентрового катализа, РФФИ 20-52- 76018 ЭРА_т (международный проект ERA.Net RUS plus) — 2021-2022.
Химически индуцированный фазовый переход в низкоразмерных структурах, РНФ 21-12- 00399 — 2021- 2023.

Значимые публикации

S.V. Erohin, Q. Ruan, P.B. Sorokin, B.I. Yakobson. Nano-thermodynamics of chemically induced graphene-diamond transformation Small 16, 47, 2004782 (2020). Link.
S. Li, K.V. Larionov, Z.I. Popov, T. Watanabe, K. Amemiya, S. Entani, P.V. Avramov, Y. Sakuraba, H. Naramoto, P.B. Sorokin, S. Sakai Graphene/half-metallic Heusler alloy: a novel heterostructure towards high-performance graphene spintronic devices Adv. Mater. 32, 6, 1905734 (2019). Link.
J. Pető, T. Ollár, P. Vancsó, Z.I. Popov, G.Z. Magda, T. Ollár, G. Dobrik, C. Hwang, P.B. Sorokin, L. Tapasztó Spontaneous doping of the basal plane of MoS₂ single layers through oxygen substitution under ambient conditions Nature Chemistry 10, 1246–1251 (2018). Link.
P. Vancsó, Z.I. Popov, J. Pető, T. Ollár, G. Dobrik, J.S. Pap, C. Hwang, P.B. Sorokin, L. Tapaszto Transition metal chalcogenide single-layers as an active platform for single-atom catalysis ACS Energy Letters 4, 8, 1947-1953 (2019). Link.
Q. Weng, D.G. Kvashnin, O. Cretu, M. Zhou, C. Zhang, D.M. Tang, P.B. Sorokin, Y. Bando, D. Golberg Tuning of the optical, electronic and magnetic property of boron nitride nanosheets with oxygen doping and functionalization Adv. Mater. 29, 28, 1700695 (2017). Link.
J. Hu, X. Liu, C.L. Yue, J.Y. Liu, H.W. Zhu, J.B. He, J. Wei, Z.Q. Mao, L.Yu. Antipina, Z.I. Popov, P.B. Sorokin, T.J. Liu, P.W. Adams, S. Radmanesh, L. Spinu, H. Ji and D. Natelson, Enhanced electron coherence in atomically thin Nb₃SiTe₆, Nature Physics 11, 6, 471-476 (2015). Link.
D.M.Tang., D.G. Kvashnin, S. Najmaei, Y. Bando, K. Kimoto, P. Koskinen, P. Ajayan, B.I. Yakobson, P.B. Sorokin, J. Lou, D. Golberg, Nanomechanical cleavage of molybdenum disulphide atomic layers, Nature Communications 5, 3631 (2014). Link.
A.G. Kvashnin, L.A. Chernozatonskii, B.I. Yakobson, P.B. Sorokin, Phase diagram of quasi-two-dimensional carbon, Nano Letters 14, 2, pp. 676-681 (2014). Link.
P.B. Sorokin, A.G. Kvashnin, Z. Zhu, D. Tománek Spontaneous graphitization of ultrathin cubic structures: A computational study Nano Lett. 14, 12, 7126–7130 (2014). Link.
L. Song, L. Ci, H. Lu, P.B. Sorokin, C. Jin, J. Ni, A.G. Kvashnin, D.G. Kvashnin, J. Lou, B.I. Yakobson and P.M. Ajayan, Large scale growth and characterization of atomic hexagonal boron nitride layers Nano Lett. 10, 8, 3209-3215 (2010). Link.

ORCID: 0000-0001-5248-1799.

Web of Science ResearcherID: C-9749-2011.

РИНЦ AuthorID: 150928.

Scopus AuthorID: 9277558700.

SPIN-код: 1701-5423.

Научное руководство и преподавание

Пренас В.А. Модификация углеродных плёнок нанометровой толщины путём облучения тяжёлыми ионами, бакалавр, 2021 г.
Ларионов К.В. Теоретическое исследование свойств границ раздела в углеродсодержащих структурах различной размерности, магистр, 2018 г.
Пашкин Е.Ю. Исследование свойств новых соединений на основе углерода атомистическими методами моделирования, магистр, 2018 г.
Бондаренко С.В. Исследование новых пьезоэлектрических материалов на основе AlN, магистр, 2018 г.
Хабибрахманов А.И. Теоретическое исследование механических свойств алмазоподобных углеродных наноструктур, магистр, 2020 г.
Суханова Е.В. Исследование особенностей атомной геометрии и электромеханических свойств различных 1D наноструктур, магистр, 2020 г.
Жуков В.В. — Исследование стабильности новых углеродных фаз на основе фуллеренов и алмаза, магистр, 2021 г.
Pereda J.J.P. Исследование спиновых свойств соединений двумерных материалов со сплавами Гейслера, магистр, 2021 г.
Квашнин А.Г. Первопринципные исследования структуры и свойств квазидвумерных наноструктур, к.ф.-м.н., 2016 г.
Квашнина Ю.А. Моделирование атомной структуры и физических свойств ряда аллотропных форм углерода методами теории функционала электронной плотности и эмпирических потенциалов, к.ф.-м.н., 2018 г.
Ерохин С.В. Теоретическое описание механизмов перестройки атомной структуры ряда двумерных кристаллов на примере графена, GaN и AlN, к.ф.-м.н., 2021 г.