|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Однодоменные частицы гексаферритов M-типа с полиионным замещением: синтез, кристаллическая структура, магнитные свойства и поглощение микроволнового излучения.НИР
Multi-ion-substituted single-domain particles of M-type hexaferrites: synthesis, crystal structure, magnetic and microwave absorption properties.
- Руководитель НИР: Казин П.Е.
- Участники НИР: Анохин Е.О., Васильев А.В., Горбачев Е.А., Елисеев А.А., Королев В.В., Слепцова А.Е., Трусов Л.А.
- Подразделение: НИЛ неорганического материаловедения
- Срок исполнения: 14 января 2021 г. - 25 декабря 2023 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 21-53-12002\21
- Номер ЦИТИС: АААА-А21-121011990015-6
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.17.15 Неорганическая химия
- Классификатор OECD: Неорганическая и ядерная химия
-
Ключевые слова:
гексаферрит, монодоменные частицы, магнитные свойства, замещение катионов, ферромагнитный резонанс, микроволновое поглощение, магнитотвердые материалы
microwave absorption, monodomain particles, magnetic properties, hard magnets, hexaferrite, cation substitution, ferromagnetic resonance -
Описание:
Цель проекта - разработать методы синтеза катионзамещеных гексаферритов с максимизированными магнитными характеристиками.
-
Abstract:
The aim of the project is to develop preparation routes of new hexaferrite materials with maximized magnetic parameters. Barium and strontium M-type hexaferrites possess high magnetic anisotropy and sufficient magnetization to be successfully implemented now for hard magnets in various technological fields. Their crystal structure adopts certain cation substitution, which in principle allows adjusting their magnetic properties to specific applications. The coercivity can be manifolds increased, for example, by Al for Fe substitution keeping the grain size on a monodomain scale, and recently, replacing both, Al for Fe and Ca for Sr, the Russian applicant of the project has achieved a record natural ferromagnetic resonance frequency of 250 GHz among all magnetic materials and a highest among ferrites coercivity of 40 kOe. However, cation substitution usually leads to decrease of the spontaneous magnetization and the magnetic anisotropy can be only moderately enhanced. At the same time exact predictions of the magnetic properties are hindered by a complex process of the Fe replacement, which may include all five crystallographic Fe-sites, as well as by a local crystal lattice distortion by the doping cation. Definitely, there is a potential to further increase magnetic parameters by varying the chemical composition and properly controlling the material’s microstructure. In the present project, we plan to elaborate chemical syntheses using sol-gel technique and prepare ensembles of uniform submicron particles of extended-cation-substituted hexaferrite so that every particle contained only one magnetic domain. The latter will provide maximal coercivity of the magnetic material and allow explicit analysis of magnetic parameters. The hexaferrite will be doped by two or more elements substituting Fe and/or alkaline earth metal to stronger affect magnetic properties and to stabilize the structure. The cation substitution will be priory considered, which will afford spin-orbital coupling contributing to magnetic anisotropy. The crystal structure study will be performed to reveal the doping cations’ location and coordination geometry. The dc magnetization in a range of magnetic fields and temperatures will be measured and the microwave absorption will be analyzed. Quantum chemical calculations will be performed to model the observed magnetic behavior and to predict the magnetic properties. The relations “composition – preparation conditions – structure – morphology – magnetism” will be revealed. As the result, the chemical compositions of hexaferrite phase and the preparation conditions will be proposed applicable to create well-magnetized hexaferrite materials with enhanced magnetic anisotropy, coercivity, and ferromagnetic resonance frequency as well as with better thermal stability of the magnetic parameters
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения проекта ожидается найти условия синтеза катионзамещенных гексаферритов в виде ансамблей монодоменных монокристаллических частиц, получить новые знания о процессах фазообразования и возможностях контроля морфологии фазы гексаферрита, о влиянии катионного замещения на детали кристаллической структуры и функциональные свойства полученных материалов, установить взаимосвязи «состав – условия получения – кристаллическая структура – морфология – магнитные и микроволновые свойства», получить новые данные, углубляющие понимание природы магнито-кристаллической анизотропии гексаферритов. Все это определяет научную значимость проекта. На основании проведенного исследования будут сделаны выводы об оптимальных химических составах и условиях получения гексаферрита с перспективными магнитными (магнитостатическими) и микроволновыми характеристиками. Будут получены образцы гексаферритов с повышенными значениями коэрцитивной силы и частоты ферромагнитного резонанса, которые могут даже превышать достигнутые в мире на сегодняшний момент максимальные величины для оксидных магнитных материалов. Этим определяется прикладная значимость исследования.
-
Научный задел:
Коллектив заявки имеет большой опыт работы в области магнитных материалов, в частности, в области синтеза высококоэрцитивных замещенных гексаферритов. Так, авторами впервые были получены образцы гексаферритов с высокой коэрцитивной силой 10 кЭ методом кристаллизации стекла. Коэрцитивную силу в таких материалах в дальнейшем удалось повысить до 12.5 кЭ. В дополнение к этому авторы разработали методику получения коллоидных наночастиц гексаферритов с рекордными значениями намагниченности и коэрцитивной силы для подобной дисперсной фазы.
-
Основные результаты:
Синтезированы образцы гексаферритов M-типа с широко варьируемым составом по катионам в виде ансамблей однодоменных монокристаллических субмикронных частиц. Получены однофазные образцы с глубоким (не менее 50%) замещением железа на галлий, хром и марганец в гексаферрите стронция, а также железа на марганец в гексаферрите бария. Изучено частичное замещение стронция на барий и кальций в хром-, алюминий- и марганецсодержащих гексаферритах. Выполнены детальные исследования кристаллической структуры соединений, в том числе с использованием синхротронной резонансной рентгеновской дифракции. Установлено распределение замещающих катионов по кристаллографическим позициям, выявлена специфика влияния замещающего катиона на параметры решетки, межатомные расстояния и геометрию кислородных полиэдров. Показано, что ионы галлия и марганца имеют предпочтение к заполнению тетраэдрической позиции, тогда как ионы хрома локализуются только в октаэдрических позициях, и при этом все эти ионы мало способны замещать железо в тригонально-бипирамидальном окружении. Внедрение галлия приводит к аксиальному растяжению указанной тригональной бипирамиды, тогда как наличие хрома и марганца к ее сжатию. В марганецзамещенном гексаферрите бария выявлено одновременное наличие марганца в степенях окисления +2, +3 и +4 в определенных кристаллографических положениях с зависящим от температуры обработки образцов содержанием марганца в различных степенях окисления. Показано особое влияние замещения бария и стронция кальцием на тригонально-бипирамидальное окружение железа, способствующее увеличению магнито-кристаллической анизотропии. Изучены магнитные свойства образцов, определены величины температуры Кюри, намагниченности насыщения, коэрцитивной силы и частоты естественного ферромагнитного резонанса. Установлены взаимосвязи между составом, особенностями кристаллической структуры и магнитными параметрами. Замещение железа приводит к снижению в разной степени температуры Кюри и намагниченности, тогда как коэрцитивная сила сначала возрастает, а затем падает с увеличением содержания замещающего катиона. Получены максимальные из известных для подобных составов величины коэрцитивной силы, составляющие 13.5 и 9.9 кЭ для хром- и марганецзамещенных гексаферритов стронция.
- Добавил в систему: Казин Павел Евгеньевич
Соисполнители НИР
| MPI for Solid State Research | Соисполнитель |
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 14 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Однодоменные частицы гексаферритов M-типа с полиионным замещением: синтез, кристаллическая структура, магнитные свойства и поглощение микроволнового излучения. |
| Результаты этапа: Разработан цитратно-нитратный золь-гель метод для формирования субмикрокристаллической фазы гексаферрита: формирование однородного золя и геля, варьирование условий и атмосферы термической обработки для получения фазы гексаферрита общего состава Sr1-xAxFe12-yMyO19 с требуемым размером зерен. Получены образцы гексаферритов следующего катионного состава:A = Sr, M = Ga; A = Sr, M = Cr; A = Ca, M = Cr; A = Ba, M = Cr; A = Sr, M = Mn. Проведена идентификация полученных образцов: рентгенофазовый анализ, электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом, химический анализ (ICP-AES). Изучены функциональные свойства полученных ферритов. Выполнены измерения намагниченности при комнатной температуре и низкой температуре, определение температуры Кюри. Показано, что при увеличении степени замещения железа на хром и марганец коэрцитивная сила заметно возрастает, тогда как намагниченность насыщения уменьшается. При этом температура Кюри монотонно падает. Выполнено квантово-химическое моделирование электронной структуры и магнитного поведения для исследуемых составов. Показано, что введение хрома лишь незначительно влияет на магнитокристаллическую анизотропию, тогда как внедрение марганца(III) в определенные позиции кристаллической структуры может приводить к увеличению одноосной магнитокристаллической анизотропии (вдоль оси c). Подготовлена и опубликована одна научная статья. Результаты работы представлены на двух всероссийских конференциях. | ||
| 2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Однодоменные частицы гексаферритов M-типа с полиионным замещением: синтез, кристаллическая структура, магнитные свойства и поглощение микроволнового излучения. |
| Результаты этапа: С использованием цитратно-нитратного золь-гель метода синтезированы порошки гексаферритов М-типа с катионным замещением, имеющие субмикрометровые размеры кристаллитов. Получено три серии образцов в соответствии с номинальным составом: 1) A2/3B1/3Fe8Al4O19, A = Ba, Sr, B = Ba, Sr, Ca; 2) BaFe12-xMnxO19, x = 0, 2, 4, 6; 3) Sr1-yCayFe8Mn4O19, y = 0.2, 0.4, 0.6. Показано, что образцы 1-й и 2-й серии представляют собой практически чистую фазу гексаферрита М-типа, тогда как в 3-й серии в большинстве образцов наряду с фазой гексаферрита присутствует вторая магнитная фаза – феррит марганца со структурой шпинели. Методом рентгеновской дифракции на различных длинах волн определены параметры кристаллической структуры, уточнены координаты атомов и определены заселенности позиций атомов железа легирующими атомами. Изучены магнитные свойства полученных образцов. Проведена теоретическая оценка влияния легирования на величину магнитокристаллической анизотропии с использованием компьютерных программ CONDON и PHI. В результате сравнительного анализа данных по образцам 1-й серии определено, что введение кальция в кристаллическую структуру оказывает серьезное влияние на заселенность позиций железа алюминием и одновременно способствует сближению экваториальных атомов кислорода в тригонально-бипирамидальной позиции железа 2b, что совместно приводит к существенному увеличению магнитной анизотропии и коэрцитивной силы в рассматриваемых соединениях. Для 2-й серии соединений впервые кристаллографически установлено, что марганец внедряется в позиции железа в различных степенях окисления: в тетраэдрическую позицию 4f1 в виде марганца(II), в октаэдрические позиции 2a и 12k в виде смеси марганца(IV) и марганца(III). При этом степень диспропорционирования марганца увеличивается с увеличением температуры обработки образцов. Такое изменение в кристаллической структуре приводит к наблюдаемому широкому варьированию величин коэрцитивной силы и намагниченности. Показано, что введение кальция в марганецзамещенный гексаферрит стронция приводит к небольшому увеличению степени диспропорционирования марганца(III), причем дальнейшее увеличение содержания кальция и температуры отжига образцов способствует дестабилизации фазы и ее распаду с образованием в качестве второй магнитной фазы феррита марганца. Изучены магнитные свойства полученных композитов «магнитотвердая фаза гексаферрита – магнитомягкая фаза феррита марганца». | ||
| 3 | 1 января 2023 г.-25 декабря 2023 г. | Однодоменные частицы гексаферритов M-типа с полиионным замещением: синтез, кристаллическая структура, магнитные свойства и поглощение микроволнового излучения. |
| Результаты этапа: Синтезированы образцы гексаферритов M-типа с широко варьируемым составом по катионам в виде ансамблей однодоменных монокристаллических субмикронных частиц. Получены однофазные образцы с глубоким (не менее 50%) замещением железа на галлий, хром и марганец в гексаферрите стронция, а также железа на марганец в гексаферрите бария. Изучено частичное замещение стронция на барий и кальций в хром-, алюминий- и марганецсодержащих гексаферритах. Выполнены детальные исследования кристаллической структуры соединений, в том числе с использованием синхротронной резонансной рентгеновской дифракции. Установлено распределение замещающих катионов по кристаллографическим позициям, выявлена специфика влияния замещающего катиона на параметры решетки, межатомные расстояния и геометрию кислородных полиэдров. Показано, что ионы галлия и марганца имеют предпочтение к заполнению тетраэдрической позиции, тогда как ионы хрома локализуются только в октаэдрических позициях, и при этом все эти ионы мало способны замещать железо в тригонально-бипирамидальном окружении. Внедрение галлия приводит к аксиальному растяжению указанной тригональной бипирамиды, тогда как наличие хрома и марганца к ее сжатию. В марганецзамещенном гексаферрите бария выявлено одновременное наличие марганца в степенях окисления +2, +3 и +4 в определенных кристаллографических положениях с зависящим от температуры обработки образцов содержанием марганца в различных степенях окисления. Показано особое влияние замещения бария и стронция кальцием на тригонально-бипирамидальное окружение железа, способствующее увеличению магнито-кристаллической анизотропии. Изучены магнитные свойства образцов, определены величины температуры Кюри, намагниченности насыщения, коэрцитивной силы и частоты естественного ферромагнитного резонанса. Установлены взаимосвязи между составом, особенностями кристаллической структуры и магнитными параметрами. Замещение железа приводит к снижению в разной степени температуры Кюри и намагниченности, тогда как коэрцитивная сила сначала возрастает, а затем падает с увеличением содержания замещающего катиона. Получены максимальные из известных для подобных составов величины коэрцитивной силы, составляющие 13.5 и 9.9 кЭ для хром- и марганецзамещенных гексаферритов стронция. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".