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.
В чистом гексаферрите стронция есть пять различных по окружению атомов железа. Наибольший вклад в коэрцитивную силу вносят те из них, которые окружены пятью атомами кислорода — тремя в экваториальной плоскости и двумя сверху и снизу.
Материаловеды под руководством Трусова разработали методику получения гексаферритов стронция, у которых большая доля атомов стронция и железа замещена на кальций и алюминий соответственно. Это возможно благодаря совпадающим валентностям и близкими, но немного меньшими атомными радиусами элементов. Роль замещения стронция на кальций состоит в сжатии всей кристаллической решетки. При этом легкое направление для атомов железа, ответственных за коэрцитивную силу, становится еще «удобнее». Замещение железа на алюминий происходит в основном в позициях, не влияющих на коэрцитивную силу, за счет этого уменьшается максимальная намагниченность материала, но вновь увеличивается сама коэрцитивная сила. По сути, именно аккуратная модификация материала на атомарном уровне позволила получить новый результат.
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.
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. Соответствующие измерения были проведены в МФТИ. 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 (ε-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 (Nd
Fe
B) и самариевые (SmCo
) магниты. Их коэрцитивная сила может
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