Ученые из МФТИ и МГУ научились создавать нанокерамику из редкой модификации оксида железа III и изучили ее магнитные свойства. Она показала уникальную устойчивость к размагничиванию и хорошо поглощала электромагнитные волны крайне высоких частот. Благодаря этим свойствам материал можно применять в медицинской диагностике, современных сверхбыстрых телекоммуникационных системах и для детектирования электромагнитных волн. Исследование опубликовано в журнале Materials Horizons.
Кристаллический оксид железа III (Fe2O3) может находиться в одной из четырех фаз, которые отличаются структурой и, как следствие, магнитными, термодинамическими и механическими свойствами. Эпсилон-фаза оксида железа обладает огромной коэрцитивной силой — ее трудно размагнитить внешним полем. Это свойство приближает эпсилон-оскид железа к редкоземельным магнитам, которые являются рекордсменами по магнитотвердости и применяются в авиационной и компьютерной технике. Этот материал безопасен для человека и хорошо поглощает терагерцовые частоты (что в тысячу раз выше СВЧ в наших микроволновках), а значит, материал можно использовать в высокоскоростной телекоммуникации и медицинской диагностике.
Однако в чистом виде его трудно и дорого синтезировать: требуются дорогие реагенты, а сам эпсилон-оксид может трансфомироваться в более устойчивый альфа-оксид железа. Впервые материал выделили токийские ученые в 2004 году, несмотря на то, что фаза известна с 1930-х годов. Процесс синтеза с тех пор не сильно изменился и может занимать несколько недель. В 2021 году научная группа ученых из МФТИ и МГУ придумала, как его сократить до нескольких часов. Они научились получать наночастицы эпсилон-оксида железа размерами от 7 до 30 нанометров, стабильные при комнатной температуре. Но для практического применения отдельные наночастицы не подходят, нужно создавать нанокерамику — цельный твердый материал, состоящий из многих наночастиц. Из нее можно вырезать нужных размеров фрагменты, чтобы затем использовать их в магнитных устройствах.
Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, рассказывает: «Эпсилон-фаза оксида железа наноразмерная и при этом обладает магнитными свойствами, превосходящими свойства дорогостоящих редкоземельных элементов. Например, сохраняет магнитный момент продолжительное время. Она имеет очень простой химический состав, не содержит токсичных элементов, поэтому ее производство и применение должны быть экологичными и крайне эффективными, но, к сожалению, до сих пор эта фаза не используется в промышленности, поскольку у нее сложный и экономически нецелесообразный метод синтеза».
Людмила Алябьева и Евгений Горбачев в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ
В новой работе ученые синтезировали нанокерамику из эпсилон-оксида железа и изучили ее свойства: измерили коэрцитивную силу при различных температурах, построили спектр поглощения терагерцовых частот.
После синтеза наночастицы прессовали в таблетки, а затем нагревали до высокой температуры (от 600 до 1000) градусов Цельсия и выдерживали при ней в течение 30 минут. В результате частицы спекались в нанокерамику и при температурах ниже 800 °C содержали не более 2% примесей альфа-оксида железа. Таким образом химики подобрали оптимальную температуру для создания нанокерамики.
Затем физики исследовали материал. Оказалось, что свойства нанокерамики даже лучше, чем у отдельных наночастиц. По-прежнему сохранялась гигантская коэрцитивная сила, а при низких температурах размагничивание происходило слабее, чем в наночастицах. Это связано с тем, что зерна (частицы) внутри нанокерамики взаимодействовали между собой, препятствуя разрушению магнитного порядка из-за тепловых колебаний (суперпарамагнетизм). Благодаря такой устойчивости материал можно использовать как магнитную пленку для записи информации.
Частота спектра поглощения в терагерцовом диапазоне у нанокерамики повысилась на 10% по сравнению с наночастицами. Из этих спектроскопических данных исследователи впервые построили температурную зависимость магнитокристаллической анизотропии (показывает направления в кристалле, вдоль которых сложно или легко намагнитить / размагнитить материал) экспилон-оксида железа. При облучении материала терагерцовыми волнами в нем теоретически должны возникать спиновые токи — перемещение спинов по материалу. Ученые впервые рассчитали силу спиновых токов для эпсилон-оксида железа. Она оказалась в несколько раз выше, чем в материалах, которые обычно применяются для генерации перемещения спинов. Это открывает еще одно потенциальное применение эпсилон-фазы — детектирование электромагнитного излучения.
Слева изображены отдельные наночастицы эпсилон-оксида железа, справа — нанокерамика. Масштаб белой линии — 50 нм
Таким образом, получен простой и эффективный способ производства нанокерамики путем отжига наночастиц эпсилон-оксида железа. При этом магнитные свойства материала улучшаются, что открывает возможности для его использования в различных отраслях: от медицины до телекоммуникаций.
Евгений Горбачев, научный сотрудник МГУ, первый автор статьи, комментирует: «Начиная с 2004 года ученые концентрировались именно на исследовании функциональных свойств эпсилон-оксида железа и не особо задумывались по поводу технологических решений для промышленного метода получения фазы. Более того, кажется, интерес к этой фазе начинает уже пропадать, поскольку все ее самые интересные свойства изучили, скажем, в середине прошлого десятилетия. Мы же предложили сначала быстрый и удобный способ синтеза наночастиц, а затем и их консолидации в материал, которой уже можно непосредственно пощупать. Почему-то этого никто не сделал раньше. Так мы показали, что нанокерамику практически без примесей можно получать из эпсилон-оксида железа, и обнаружили, что при этом у материала происходит даже улучшение функциональных свойств».
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-10184).
