ИСТИНА

Проект посвящен разработке стратегии получения наночастиц замещенных гексаферритов с рекордно высокими значениями коэрцитивной силы и частотами естественного ферромагнитного резонанса.

The aim of the project is the development of synthetic strategy for production of nanoparticles of substituted hexaferrite with record-high coercivity and natural FMR frequencies. The project is focused on the preparation of non-sintered and сolloidal nanoparticles, which further can be used individually for manufacture of various nanomaterials and nanodevices. The relevance and novelty of the study are obvious, since such materials have never been reported and they are extremely necessary in modern electronics. The project involves the production of nanoparticles of strontium hexaferrite, substituted by aluminum, chromium or manganese. The nanoparticles with sizes from 10 to 100 nm will have a coercivity of 6 - 15 kOe and frequencies of natural ferromagnetic resonance of 50 - 150 GHz. The influence of the synthesis conditions and chemical composition on the processes of hexaferrite formation, the morphology of the particles and their magnetic properties will be studied. The crystal and magnetic structures of the obtained hexaferrites will be studied at different temperatures using synchrotron X-ray and neutron diffraction. The magnetocrystalline anisotropy energy will be simulated using quantum chemistry methods and compared with experimental results. Hexaferrite nanoparticles with high coercivity will have a number of special applications, act as a magnetically hard matrix of exchange-coupled composites, become the basis for highly reliable high-density magnetic recording. The resonant absorption of electromagnetic radiation in the sub-terahertz range is important for the development of new generations of wireless technologies.

Ожидаемые результаты: 1. Будут получены наночастицы замещенных гексаферритов SrFe12-xMxO19 (M = Al, Cr, Mn, x > 2) с коэрцитивной силой 6 – 15 кЭ и частотами естественного ферромагнитного резонанса в диапазоне 50 – 150 ГГц. 2. Будет изучено влияние условий синтеза (температурный режим, продолжительность термообработки) и химического состава на процессы формирования гексаферритов, морфологию частиц материала и его магнитные свойства. 3. Будут получены стабильные коллоиды (золи, магнитные жидкости) на основе наночастиц замещенных гексаферритов и исследованы условия их стабильности в различных средах. 4. Будут исследованы магнитные свойства (магнитные гистерезисы, температуры Кюри) и поглощение электромагнитного излучения наночастиц в зависимости от природы и степени замещения, размеров и формы частиц. 5. Будут исследованы кристаллическая и магнитная структуры полученных гексаферритов при различных температурах с использованием синхротронной рентгеновской и нейтронной дифракции. Будет проведено моделирование энергии магнитокристаллической анизотропии с помощью методов квантовой химии (полуэмпирических и из первых принципов) и сравнение полученных результатов с экспериментом. Разрабатываемые нами материалы не были ранее описаны в литературе, что подтверждает оригинальность представленного исследования. В настоящее время ведется интенсивный поиск новых магнитотвёрдых материалов, которые смогут хотя бы частично заменить соединения на основе редких и дорогостоящих металлов (NdFeB, SmCo, FePt и др.). Технология производства ферритов достаточно дешева и хорошо развита, поэтому любое улучшение их свойств актуально с экономической точки зрения. Гексаферриты с высокой коэрцитивной силой могут иметь ряд специальных применений (например, в стабильных зондах для магнитно-силовой микроскопии), выступать в роли магнитотвёрдой матрицы обменно-связанных композитов, стать основой для высоконадежной магнитной записи информации (при помощи технологии нагрева магнитных частиц, HAMR), а резонансное поглощение электромагнитного излучения в диапазоне 50 – 300 ГГц интересно для разнообразных высокочастотных применений (фильтры высокочастотного излучения, экраны в антирадарных технологиях, поглощение помех в интегральных схемах, нагрев при помощи субтерагерцового излучения). Кроме того, получение наноразмерных частиц с высокими степенями замещения предоставляет возможность исследовать природу магнитокристаллической анизотропии гексагональных ферритов и ее связь с особенностями кристаллической решетки при различных замещениях ионами металлов. Таким образом, тематика настоящего научного исследования имеет глубокий фундаментальный и практический интерес.

Предлагаемый в настоящем проекте подход к синтезу и дизайну материалов был опробован коллективом авторов в работе [Chemical Communications. 2018. 54. 479-482.] для получения образцов с составами SrFe12-xAlxO19 и Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19 (x < 4). В результате были получены материалы с коэрцитивной силой до 18 кЭ при замещении алюминием и до 21.3 кЭ при дополнительном замещении кальцием. При этом образцы обладали максимально возможными значениями намагниченности. Было показано, что введение кальция одновременно с алюминием в структуру гексаферрита приводит к дополнительному сжатию кристаллической структуры и росту магнитокристаллической анизотропии. Далее мы применили эту стратегию для получения гексаферритов со степенями замещения железа на алюминий 4 – 6.5 [Materials Today. 2020. V.32. P.13-18]. Оказалось, что и для больших степеней замещения удается получить однофазные образцы из однодоменных частиц. Коэрцитивная сила продолжала расти до х = 5.5 и составила 36 кЭ (Рис. 2), что существенно превосходит даже предельные значения для замещенного родием ε-Fe2O3. И в этом случае двойное замещение позволяет получить выигрыш в коэрцитивной силе более 20%. Измерение поглощения электромагнитного излучения показало, что по мере увеличения доли алюминия происходит закономерный рост частоты естественного ферромагнитного резонанса и достигает 250 ГГц при х = 5.5. Это значение существенно выше, чем для ε-Fe2O3, а предложенная простая методика позволяет контролируемо получать материалы с частотами ФМР от 40 ГГц (для незамещенного SrFe12O19) до 250 ГГЦ.