Материаловеды из МГУ, Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне и физики из МФТИ получили наночастицы эпсилон оксида железа разного размера, ускорив метод синтеза в 240 раз по сравнению с предыдущим, и изучили зависимость спектра ферромагнитного резонанса от размера частиц. Работа опубликована в журнале Королевского химического сообщества Journal of Materials Chemistry C.
Оксид железа (III) является одним из самых распространённых оксидов на планете. Чаще всего он встречается в виде минерала гематита (или альфа оксида железа (α-Fe2O3)). Другой стабильной и распространённой модификацией выступает маггемит (или гамма-модификация (γ-Fe2O3)). Первый широко используется в промышленности как красный пигмент, а второй – в качестве среды для магнитной записи. Данные модификации отличаются не только кристаллической структурой (альфа оксид железа имеет гексагональную сингонию, а гамма оксид железа – кубическую), но и магнитными свойствами. Так, маггемит – материал с коэрцитивной силой (способностью материала сопротивляться внешнему магнитному полю) близкой к нулю и относительно высокой намагниченностью, а у гематита практически отсутствует магнитный отклик – по своей магнитной структуре он может рассматриваться как скошенный антиферромагнетик или слабый ферромагнетик. Помимо данных оксидов железа (III) существуют более экзотические модификации, например, ε-, β- и даже ζ. Для магнитчиков наиболее привлекательной фазой является именно ε-оксид железа. Удивительно, но данная полиморфная модификация обладает экстремальной коэрцитивной силой 20 кЭ при комнатной температуре, что сравнимо с дорогостоящими магнитами на основе редкоземельных элементов. Кроме того, данный материал является диэлектриком и отсюда вытекает наличие его другого функционального свойства – возможности поглощения электромагнитного излучения за счёт эффекта естественного ферромагнитного резонанса в субтерагерцовом диапазоне частот. Данный диапазон (100-300 ГГц) планируется использовать для шестого поколения беспроводных технологий (6G), которое будет активно внедряться в нашу жизнь с начала 2030-ых годов. Соответственно, данный материал может пригодиться для производства преобразующих или поглощающих устройств на данных частотах. Например, с использованием нанопорошка ε-Fe2O3 можно будет делать краски, поглощающие электромагнитные волны, и таким образом экранировать помещения от посторонних сигналов.
В своей работе ученые разработали методику ускоренного синтеза эпсилон оксида железа со средними размерами частиц от 8 до 40 нм. Для этого с помощью «жидкого стекла» (тетраэтоксисилана) и нитрата железа было изготовлено стекло, содержащее ионы железа Fe3+. Удивительно, но отжиг данного стекла даже при очень высоких температурах 1000-1250 °С приводит к образованию наночастиц оксида железа. Связано это с тем, что образующаяся в процессе кристаллическая модификация SiO2 – кристобалит – очень тугоплавка и сдерживает рост частиц, позволяя прецизионно контролировать его в нанометровой области. Также было показано, что, увеличивая размер частиц, можно повысит частоту ФМР с 160 до 170 ГГц. До данной работы управлять частотой ферромагнитного резонанса эпсилон оксида железа можно было только путём легирования.
«Несмотря на то, что фаза эпсилон оксида железа была получена в чистом виде сравнительно давно (в 2004 году), из-за сложного синтеза она до сих пор не находит промышленного применения, например, в качестве среды для магнитной записи информации, нам же удалось значительно упростить технологию за счёт сокращения времени гидролиза тетраэтоксисилана, при этом добиться 100% выхода фазы эпсилон оксида железа. В этом свете стоит восхититься большим мастерством наших студентов-химиков: студентки 4 курса бакалавриата факультета наук о материалах Совместного университета МГУ-ППИ У Минси и студента первого курса факультета наук о материалах МГУ Мирослава Сошникова, которые занимались синтезом данных соединений», – рассказал Евгений Горбачев, аспирант 3 года обучения факультета наук о материалах, преподаватель Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне и первый автор работы.
«Материалы со столь высокими частотами ФМР резонансов имеют огромный потенциал для практических применений. Сегодня происходит бурное развитие терагерцовых технологий, это интернет вещей, это сверхбыстрая связь, это более узкие научные приборы, это медицинские технологии нового поколения. Столь нашумевший в последний год стандарт 5G использует более низкую частоту, мы же с нашими материалами имеем дело уже с 6G и выше. Теперь дело за инженерами, с удовольствием делимся с ними полученной информацией и с нетерпением ждём возможности подержать в руках свой 6G телефон», – отметила Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ