Ученые из МФТИ и Южно-Уральского государственного университета синтезировали новый материал, феррит бария стронция, низкотемпературным способом. Материаловеды создали наночастицы меньшего размера, чем в самом популярном методе получения этих материалов, и с улучшенными магнитными свойствами. Наночастицы можно использовать в магнитах и микроволновых устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале Crystals.
Гексагональные ферриты — магнитные соединения оксидов железа с другими металлами. Они имеют сложную структуру и несколько видов, среди которых ферриты М-типа имеют наилучшие электромагнитные свойства. Для улучшения характеристик эти материалы легируют, заменяя атомы одних металлов на другие. Новые соединения применяют в постоянных магнитах, жестких дисках, микроволновых устройствах и даже при лечении опухолей. Помимо состава, на свойства влияет способ получения материала: от него зависит структура и размер наночастиц ферритов. Выбор метода синтеза и определение его оптимальных параметров — важная практическая задача для создания соединений с необходимыми характеристиками.
В новой работе физики из МФТИ с коллегами использовали универсальный цитратный синтез для исследования структурных и магнитных свойств гексагонального феррита бария с замещением атомами стронция. Также ученые получили этот материал керамическим способом для сравнения характеристик наночастиц.
Чтобы приготовить ферриты цитратным методом, или золь-гель синтезом, ученым понадобились соли металлов (бария, стронция, железа), лимонная кислота, вода, печь и ступка. Сначала соли растворяли в растворе кислоты, после этого раствор выдерживали в печи при 100 °С до образования геля. Затем сам гель нагревали и выдерживали. В итоге получали порошок, который перемалывали в ступке и прокаливали при 700 °С. Весь процесс готовки ферритов занимал не менее восьми часов.
Керамический метод — более простой и популярный: понадобилось спрессовать соединения оксидов металлов в таблетку и прокалить. Но при этом температура прокаливания была выше — 1400 °С. Из-за большей температуры средний размер частиц составил 1000 нанометров (при цитратном методе — 50 нанометров).
В обоих методах материаловеды получили наночастицы феррита бария с замещением атомами стронция, его формула — SrxBa(1−x)Fe12O19, где х — степень замещения атомов стронция по отношению к барию. Затем состав соединений и магнитные свойства изучали при помощи рентгеновского анализа, сканирующей электронной микроскопии и других методов. Часть исследований проводили в Челябинске, часть — в Долгопрудном.
Денис Винник, руководитель лаборатории полупроводниковых оксидных материалов МФТИ, рассказал: «Помимо разницы в размерах, частицы отличались и магнитными характеристиками. Так, нанозерна, которые мы получили цитратным методом, оказались менее подвержены размагничиванию».
С ростом концентрации стронция специалисты наблюдали незначительный рост температуры Кюри (вплоть до 450 °С) по сравнению с объемным ферритом, при которой наночастицы теряли магнитные свойства. Также менялись структурные параметры. Наличие стронция приводило к увеличению коэффициента отражения в инфракрасном диапазоне из-за меньшей симметрии структуры.
«Использование методик инфракрасной и терагерцовой спектроскопии позволило, с одной стороны, наблюдать в спектрах полученных наночастиц все основные линии поглощения электромагнитного излучения, характерные для объемных гексаферритов, например изготовленных керамическим методом. Это означает, что переход на наноуровень не приводит к подавлению динамики решетки и связанных с ней свойств, то есть является подтверждением пригодности цитратного метода для синтеза наноматериалов этого структурного семейства. С другой стороны, нами установлены признаки структурного беспорядка, вызванного замещением бария на стронций в так называемых антикубооктаэдрах, образованных атомами кислорода. Возникновение структурного беспорядка является одним из ключевых факторов, определяющих диэлектрический отклик этого технически значимого класса функциональных материалов», — прокомментировал Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Таким образом, цитратный синтез помог получить наночастицы феррита бария с лучшими магнитными свойствами, чем керамический.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Лаборатория терагерцовой спектроскопии входит в состав Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и вместе с другими лабораториями Центра образует исследовательскую базу кафедры физики и технологии наноструктур ЛФИ МФТИ. Начать учиться на кафедре и заниматься научной работой в лабораториях Центра можно уже в бакалавриате или после поступления в магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
