Ферриты с гигантской магнитной анизотропией для терагерцовой спинтроники и телекоммуникационных систем нового поколения

1.Синтез образцов феррита кобальта Для решения поставленной задачи был разработан двухступенчатый процесс синтеза однофазных образцов феррита кобальта с определенным содержанием ионов Co3+. Первоначально готовились смеси растворов, содержащих соли соответствующих металлов (нитраты кобальта(II) и железа(III)) и азотную кислоту. Растворы гомогенизировались путем смешивания в нужной пропорции, соответствующей необходимой стехиометрии соединения Co2Co(x)Fe(2-x)O4. Затем в смесь вводилась лимонная кислота, играющая роль комплексообразователя, и регулировался pH раствором аммиака. Следующий этап состоял в выпаривании жидкости и формировании прекурсора, который превращался в порошок путем теплового воздействия при температуре около 300 С. Затем полученный продукт подвергался процессу отжига при повышенных температурах от 800 до 1000 С. Такой подход позволил добиться высокого качества образцов и исключить посторонние примеси. Всего было изготовлено 49 образцов (включая керамику), различавшихся составом, температурой отжига и временем выдерживания при конечной температуре (12 и 24 часа). 2.Анализ состава и структуры Образцы были тщательно изучены методами рентгенофазового анализа (РФА), термогравиметрии (ТГА) и спектроскопии рентгеновского поглощения (XAS). Методом РФА определен элементарный состав образцов, а также показано, что образцы являются однофазными. Важно отметить, что размеры элементарных ячеек уменьшаются с увеличением концентрации Co3+, что соответствует размерам ионов и объясняет особенности структуры материала. Метод ТГА показал, что потеря массы при нагревании соответствует ожидаемому восстановлению Co3+до Co2+, позволяя точно определить реальный состав. Применение XAS-спектроскопии позволило подтвердить концентрацию ионов Co3+в образцах, что согласуется с другими методами анализа. 3.Изучение магнитных свойств С использованием метода вибрационной магнитометрии, были получены пели магнитного гистерезиса в диапазоне температур 5-300 К. Показано, что намагниченность насыщения постепенно падает с увеличением содержания Co3+. Замечательно, что при повышении температуры коэрцитивная сила растет, что является признаком увеличения анизотропии в материале. Была найдена четкая связь между температурой Нееля и концентрацией Co3+, причем эта температура снижается с увеличением x(Co3+). Такое наблюдение помогает лучше понимать природу ферромагнитных свойств материала. 4.Терагерцовая магнитодинамика В соответствии с планом работ было проведено исследование терагерцового отклика полученных образцов порошков и керамики феррита кобальта CoCo(x)Fe(2-x)O4 в диапазоне частот 3-60 см-1, т.е. 0.09-1.8 ТГц) в температурном интервале 5-300 К с шагом 20 К. Основная задача состояла в проверке гипотезы о влиянии замены ионов Fe3+ ионами Со3+ на частоту ЕФМР. Был сделан вывод, что концентрация Co3+, вопреки выдвинутым гипотезам не оказывает влияния на максимальную частоту ЕФМР в то время как мощным влияющим фактором, по-видимому, является вхождение ионов Fe2+ в позиции Co2+. Итого, был разработан воспроизводимый метод получения феррита кобальта с максимальным, согласно имеющимся литературным данным, на настоящий момент значением частоты ЕФМР 470 ГГц. Однако при этом пока не удалось воспроизвести полученный нами же ранее материал с частотой 540 ГГц, кроме того в спектрах было обнаружено расщепление линии ЕФМР, требующее объяснения. При этом в рамках выполненной работы были установлены важнейшие взаимосвязи условия синтеза – структура – функциональные свойства 5.Моделирование магнитных свойств Чтобы глубже разобраться в поведении феррита кобальта, было проведено моделирование спектров естественного ферромагнитного резонанса при 5 К в зависимости от концентрации Co3+ в феррите кобальта и микроструктуры материала (порошок, керамика) для порошкообразных образцов серии «900 С, 24 часа», для порошка x = 0, полученного при 1000 С в течение 24 часов, и для керамики, полученной на основе этого образца. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. 6. Эпсилон-оксид железа(III) Исследована динамика линии ФМР намагниченного эпсилон-оксида железа(III) ε-Fe2O3 во внешнем магнитном поле -3 Тл - +3 Тл при температуре 250 К, полученные данные хорошо коррелируют с результатами микромагнитного моделирования ансамбля намагниченных разупорядоченных частиц. 7. Гексаферриты Синтезированы, охарактеризованы и изучены однодоменные частицы гексаферритов замещенных хромом SrFe12−xCrxO19 (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 5.5, 6, 7, 8). Показано, что введение ионов Cr3+ в структуру гексаферрита до x = 5,5 привело к значительному увеличению коэрцитивной силы с 4,4 до 13,8 кЭ и повышению частоты естественного ферромагнитного резонанса с 51 до 129 ГГц, что также сопровождалось постепенным снижением температуры Кюри. Согласно полученным данным, ионы хрома преимущественно входят в октаэдрические позиции 2a, 12k и 4f2. Это коррелирует с уменьшением намагниченности и константы магнитокристаллической анизотропии. Однако результирующее поле анизотропии увеличивается и приводит к повышению коэрцитивной силы и частоты ЕФМР. Проведен сравнительный анализ результатов, полученных нашей группой по замещениями ионами Cr а также Al и Ga (которые, как было показано нами ранее, также улучшают магнитотвердость гексаферритов). Показано, что различия в их свойствах можно объяснить особенностями распределения замещающих ионов в решетке гексаферрита. На основе данных по резонансным частотам линий ЕФМР рассчитаны значения спиновых токов в системах SrFe(12−x)M(x)O19 (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 5.5, 6, 7, 8), M = Cr, Ga, Al. Полученные результаты показывают, что замещение хромом в гексаферритах позволяет эффективно управлять магнитно-твердых свойствами и терагерцовыми характеристиками материала, открывая перспективы для их использования в постоянных магнитах без редкоземельных элементов, устройствах спинтронники и будущих поколениях беспроводных технологий.