ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Научные достижения химического факультета

Российские материаловеды установили рекорд магнитотвердости
"обычных" ферритовых магнитов

Первая стадия синтеза материала с рекордной коэрцитивной силой —
метод самовозгорания нитратно-цитратного расплава (Владимир Королёв)

Материаловеды из МГУ установили абсолютный рекорд коэрцитивной силы ферритовых магнитов (на основе оксида железа), превзойдя предыдущее рекордное значение сразу на 25 процентов. Материал был создан на основе гексаферрита стронция, который широко применяется в качестве материала постоянных магнитов компактных электродвигателей и при изготовлении магнитных носителей данных. Гигантские значения коэрцитивной силы в 40 килоэрстед открывают новые применения в области беспроводной передачи данных за счет больших частот ферромагнитного резонанса, близких к терагерцовому диапазону. Ключом к созданию рекордного материала стала новая методика замещения части атомов железа в структуре на атомы алюминия. Исследование опубликовано в журнале Materials Today.

Магнетизм материалов — это чисто квантовое явление, возникающее благодаря наличию у электронов магнитного момента — спина. Если электроны крепко связаны с конкретным атомом вещества, то можно говорить о том, что атомы обладают магнитным моментом, который определяется суммой магнитных моментов электронов. То есть каждый атом такого материала выступает в роли маленького магнита (если, конечно, сумма магнитных моментов электронов не оказывается равна нулю). В типичных ферромагнетиках спины большинства магнитных атомов оказываются сонаправлены за счет межатомных обменных взаимодействий. Тогда и у макроскопического фрагмента материала возникает магнитный момент, называемый иначе намагниченностью. За счет этого материал способен втягиваться или отталкиваться от магнитного поля — так магниты притягиваются или отталкиваются друг от друга.

Такие материалы можно поделить на два больших класса — магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы легко меняют направление спинов атомов, из которых они состоят, а магнитотвердые материалы — наоборот, сохраняют свою намагниченность даже рядом с очень сильными магнитами. Магнитное поле, которое нужно приложить для того, чтобы изменить намагниченность фрагмента материала на противоположную (поменять местами северный и южный полюс постоянного магнита) называют коэрцитивной силой. Для магнитомягких ферритов эта величина не превышает 500 напряженностей магнитного поля Земли (100 эрстед). Из них, к примеру, делают сердечники для трансформаторов. Магнитотвердые материалы применяются в постоянных магнитах (например, в магнитах на холодильнике или в ветрогенераторах). Для магнитотвердых материалов, разработанных группой Льва Трусова, коэрцитивная сила составляет 40 килоэрстед или 80 тысяч полей Земли.

Коэрцитивная сила возникает из-за того, что в некоторых случаях у магнитного атома в кристаллической решетке есть «удобные» направления спина — легкие оси или плоскости. У слоистых гексаферритов, подобных SrFe12O19, это направление — ось, перпендикулярная плоскости слоев. Само значение коэрцитивной силы связано с тем, насколько более «удобной» является легкая ось по сравнению с перпендикулярным ей направлением. Чем больше удобство, тем более сильное поле нужно приложить, чтобы вынудить северный и южный полюс магнита поменяться местами. «Удобство» во многом определяется ближайшими соседями атома по кристаллической решетке.


Структура гексаферрита стронция. Бело-красным обозначены позиции железа, вносящие наибольший вклад в коэрцитивную силу. Стрелки — направление магнитных моментов атомов железа. Гексаферриты —ферримагнетики, в них часть спинов направлены в одну сторону, часть в другую, но суммарный момент отличен от нуля, поэтому материал в целом намагничен (Слепцова Анастасия)


Слева - кривые гистерезиса для образцов гексаферритов стронция замещенных алюминием и кальцием с различной степенью замещения атомов железа. Чем больше площадь под петлей гистерезиса, тем больше магнитная энергия материала, чем шире петля, тем больше коэрцитивная сила. Справа — зависимость коэрцитивной силы, намагниченности насыщения и остаточной намагниченности при различных степенях замещения гексаферрита стронция кальцием и алюминием (Gorbachev et al. // Materials Today, 2019)

Ученые проводили синтез материала в две стадии. На первом этапе методом самовоспламенения нитратно-цитратного расплава солей железа, кальция, стронция и алюминия исследователи получали пористый прекурсор с ажурным строением. Затем его сутки отжигали в платиновом тигле при 1200 градусах Цельсия. Авторам удалось заместить до половины всех атомов железа в гексаферрите на алюминий. Наибольшей коэрцитивной силой (36 килоэрстед) обладал образец, в котором было замещено 5,5 атомов железа из 12 на формульную единицу — Sr0,54Ca0,46Fe6,5Al5,5O19.


Пористый порошок замещенного гексаферрита
(Trusov et al. // Chem.Comm., 2017)

Пористость прекурсора обеспечила материалу небольшой размер зерна — порядка 200–700 нанометров. Это важно, потому что в такой ситуации направление спинов атомов в каждом отдельном зерне одинаково — частица ведет себя как один равномерно намагниченный магнит. Такие частицы называют однодоменными. С ростом размера частица «разбивается» на домены и коэрцитивная сила материала падает. Коэрцитивную силу удалось дополнительно увеличить за счет создания ориентированной пленки из частиц гексаферрита — до 40 килоэрстед.

Кроме того, ученые определили положение пика ферромагнитного резонанса — подобные магнитные материалы поглощают электромагнитное излучение, частота которого совпадает с частотой прецессии магнитного момента атомов. Оказывается, новый материал поглощает излучение с частотой 250 гигагерц. Это, в теории, позволит создать устройства для беспроводных сетей, работающих на частотах в десятки раз больших, чем современные роутеры и на порядок увеличить скорость передачи информации. К примеру, на частотах от 30 до 300 гигагерц будет работать новый стандарт связи 5G.

Предыдущим обладателем рекордной коэрцитивной силы среди магнитов, не содержащих редкоземельные металлы, был эпсилон оксид железа, частично замещенный родием, синтезированный группой профессора Окоси (e-Fe2O3). Величина коэрцитивной силы у порошков материала составляла 27 килоэрстед. Но методика синтеза эпсилон оксида железа чрезвычайно сложна и ее практически невозможно масштабировать на значимые количества.

Абсолютными рекордсменами по магнитным свойствам остаются магнитные материалы на основе редкоземельных металлов — классические неодимовые (Nd2Fe14B) и самариевые (SmCo5) магниты. Их коэрцитивная сила может достигать 52,7 килоэрстед, при этом их намагниченность насыщения на порядок выше, чем у полученного гексаферрита. Из-за этого ферритные материалы уступают на материалам на основе редкоземельных элементов по запасаемой магнитной энергии на грамм вещества. С другой стороны, ферритные материалы гораздо устойчивее к коррозии и гораздо дешевле.

Владимир Королёв
Источник: Интернет-издание N+1




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору