На фото: Феррита бария стронция / © Crystals / Пресс-служба МФТИ. Специалисты МФТИ и Южно – Уральского университета осуществили синтез материала на основе феррита бария стронция, применив оригинальный метод низкотемпературного получения. Применение данной технологии обеспечило ученым очень быстрое получение частиц меньшего размера по сравнению с результатами наиболее распространенных методов синтеза аналогичных структур. Кроме того, полученный материал характеризуется улучшенными магнитными свойствами. Разработанное вещество может быть использовано в производстве магнитов и различных микроволновых технических систем. Результаты данного исследования были опубликованы в научном журнале Crystals. Ниже представлен детальный анализ полученного материала. Гексагональные ферриты представляют собой класс магнитных материалов на основе оксидов железа с добавлением других металлов.

Они обладают сложной структурой и могут быть представлены в нескольких различных видах, среди которых выделяются ферриты М-типа,которые имеют оптимальные 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 зависят 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.

Для любознательных

Над технологиями синтеза феррита бария (чаще всего речь про гексаферрит BaFe₁₂O₁₉) действительно работают сразу в нескольких направлениях: и крупные промышленные игроки, и академические лаборатории. Я подобрала основные группы, которые сейчас активно этим занимаются.

Промышленные компании. Они фокусируются на том, чтобы улучшить уже существующие методы, снизить энергозатраты, получить нанопорошки с контролируемым размером частиц или создать композиты для конкретных приложений (например, для высокоплотной записи данных, СВЧ-устройств, поглотителей электромагнитных волн). Среди таких игроков:

• Hitachi Metals (Япония).
• TDK Corporation (Япония) — у компании долгая история работы с ферритами, и она продолжает совершенствовать технологии.
• Ferroxcube (Италия, входит в Yageo Corporation) — активно исследует материалы с улучшенными магнитными свойствами для силовой электроники и других ниш.

Академические и исследовательские центры. Здесь чаще экспериментируют с принципиально новыми или модифицированными методами синтеза, чтобы добиться уникальных свойств. Примеры:

• Учёные из МФТИ и Южно-Уральского государственного университета разработали низкотемпературный (цитратный) метод синтеза феррита бария-стронция. Им удалось получить наночастицы меньшего размера (около 50 нм против 1000 нм при классическом керамическом методе), которые к тому же оказались менее подвержены размагничиванию.
• Исследователи из Харбинского технологического института (Китай) создавали композиты: внедряли наночастицы феррита бария в полипиррол, чтобы улучшить электромагнитные свойства материала для применения в поглощении СВЧ-излучения.
• В разных странах (Индия, Россия и др.) также есть группы, которые пробуют другие подходы: гидротермальный синтез, метод соосаждения (иногда с ультразвуком), золь-гель методы (в том числе с самовозгоранием), микроэмульсионные техники или даже «зелёные» методы (с использованием экстрактов растений).

Какие задачи сейчас в фокусе? Помимо поиска более энергоэффективных способов, учёные пытаются легировать феррит бария другими элементами (стронций, алюминий, титан, марганец), чтобы тонко настраивать магнитные свойства под конкретную задачу. Ещё одно направление — создание композитов (феррит + полимер, феррит + углеродные нанотрубки), которые сочетают магнитные свойства с другими характеристиками (проводимостью, гибкостью).

Автор: Ирина Усик
Источник: https://scientificrussia.ru/
Источник фото: ria.ru