Гексагональные ферриты бария — один из самых распространенных материалов на основе оксида железа. Благодаря тому что ученые продолжают изменять параметры гексаферритов, экспериментируя с характеристиками материала, его практический потенциал постоянно растет. Например, исследователи из Южно-Уральского государственного университета синтезировали гексаферриты, ионы железа в которых замещены ионами титана. Ранее возможность получение однофазных материалов таким способом никто не доказывал. Результаты исследования опубликованы в одном из престижных журналов второго квартиля «Journal of Magnetism and Magnetic Materials».
Новый способ получения однофазных гексаферритов
Получение гексагональных ферритов — основное направление работы Международной лаборатории магнитных оксидных материалов ЮУрГУ. Ученые несколько лет изучают, как замещение ионов железа ионами других химических элементов отражается на свойствах гексаферритов. Эти материалы сегодня успешно применяются, особенно активно их использование в СВЧ-электронике для защиты от микроволнового излучения. Также материалы на основе оксида железа, гексаферриты, используются в качестве постоянных магнитов.
Для ученых гексаферриты интересны потому, что на их примере можно изучать природу обменных взаимодействий ионов железа в разных энергетических состояниях. Специалисты меняют электрические и магнитные характеристики гексаферритов, чтобы на глубинном уровне разобраться в природе магнитного упорядочивания и особенностях взаимодействия с электромагнитным полем. Делается это через замену ионов железа. Обычно их замещают изовалентными катионами, то есть катионами с одинаковыми зарядами. Но ученые из ЮУрГУ в своем исследовании решили прибегнуть к редкому гетеровалентному замещению. Причем использовали не два иона-заместителя 2+ и 4+, как уже делали коллеги, а синтезировали гексаферриты бария с гетеровалентным замещением ионом титана 4+. Это должно было вызвать переход части ионов железа в метастабильное состояние 2+, которое нехарактерно для гексаферрита.
«Мы получили доказательства, что получение однофазных материалов с гетеровалентным замещением титаном возможно. При анализе магнитной структуры и зарядового упорядочения было установлено, что добиться четкого зарядового состояния для ионов железа 2+ при комнатной температуре — задача невыполнимая. Энергетическое состояние системы как бы „маскирует“ зарядовое состояние железа, не выявляя степени оксиления 2+. А вот при понижении температуры становится возможным четко определить, в каком анионном окружении иону железа при замещении титаном 4+ энергетически „выгодно“ перейти в 2+, а в каком — остаться в степени окисления 3+. Совокупность данных дифракции нейтронов и зарядового упорядочения позволит объяснить модель природы магнитного и электрического упорядочения ионов железа при гетеровалентном замещении», — рассказал руководитель Лаборатории магнитных оксидных материалов со сторону ЮУрГУ, профессор, доктор химических наук Денис Винник.
Интерес международного научного сообщества
Исследование проводилось в широкой международной кооперации с представителями Национальной академии наук Беларуси (г. Минск), Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна), Санкт-Петербургского государственного университета. Участие в изучении влияния ионов титана на гексаферриты бария при гетеровалентном замещении принимали также ученые из Финляндии и Чехии. Уникальные результаты были получены в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований с Белорусским фондом. Данные носят фундаментальный характер и требуют дальнейших исследований, считает Денис Винник:
«Судя по первым результатам, есть надежда на развитие данного направления. Впереди запланированы серьезные эксперименты — прежде всего, это эксперименты по дифракции нейтронов и мессбауэровские исследования в широком диапазоне температур, вплоть до температуры кипения жидкого гелия. Это позволит объединить и проанализировать полученные результаты».
Потенциально результаты, полученные учеными ЮУрГУ и их коллегами, можно будет использовать в материаловедении, например, в разработке функциональных материалов для радиоэлектроники.
Южно-Уральский государственный университет — это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией экологией.
ЮУрГУ — участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.