Лютецийсодержащий спин-стекольный магнитный материал
Владельцы патента RU 2542065:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области изготовления материалов с магнитным состоянием спинового стекла, которые могут быть полезны для развития магнитных информационных технологий и химической промышленности. Технический результат изобретения заключается в получении нового поликристаллического четырехкомпонентного магнитного материала со спин-стекольным магнитным состоянием с низкой нейтронной поглощающей способностью, формируемым магнитными ионами одного сорта - трехвалентными ионами железа. Спин-стекольный материал содержит, масс.%: железо - 12,73, титан - 21,83, лютеций - 39,90, кислород - 25,54. 1 ил., 4 табл.
Изобретение относится к области изготовления новых спин-стекольных материалов, которые могут быть полезны для развития магнитных информационных технологий и химической промышленности.
Известно монокристаллическое четырехкомпонентное оксидное соединение Ba2Fe2GeO7 [Г. Петраковский, Л. Безматерных, И. Гудим, О. Баюков, А. Воротынов, А. Бовина, Р. Шимчак, М. Баран, К. Риттер. ФТТ, т.48, №10 (2006)] с "замороженным" пространственным распределением ориентации спиновых магнитных моментов в области низких температур - состоянием спинового стекла, содержащее один сорт магнитных ионов (ионы железа), с кристаллической решеткой, характеризуемой пространственной группой P421m, и синтезированное методом раствор-расплавной кристаллизации.
Данное соединение характеризуется сложностью технологического процесса синтеза монокристаллов.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является оксидное соединение SmFeTi2O7, проявляющее магнитное состояние спинового стекла в области низких температур, с кристаллической решеткой, характеризуемой пространственной группой Pcnb, и синтезированное с помощью твердотельной реакции [Патент РФ №2470897, МПК C04B 35/40, H01L 43/10, опубл. 27.12.12 бюл. №36, (прототип)].
В состав данного четырехкомпонентного соединения входят два сорта магнитных ионов самария и железа. Наличие в составе редкоземельного иона самария, обладающего большой нейтронной поглощающей способностью (сечение захвата нейтронов 6800 барн), затрудняет применение к данному оксидному соединению методов нейтронного исследования.
Техническим результатом изобретения является получение нового четырехкомпонентного оксидного материала, содержащего немагнитный редкоземельный ион Lu3+ с низкой нейтронной поглощающей способностью (сечение захвата нейтронов 112 барн).
Технический результат достигается тем, что в лютецийсодержащем спин-стекольном оксидном материале, содержащем железо, титан и кислород, новым является то, что он дополнительно содержит лютеций, при следующем соотношении компонентов, масс.%: железо 12,73, титан 21,83, лютеций 39,90 и кислород 25,54.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного качественным и количественным составом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Способ получения спин-стекольного материала LuFeTi2O7 представляет собой синтез реакцией в твердой фазе. В качестве исходных компонентов используются оксиды Fe2O3, TiO2 и Lu2O3. Используется следующее соотношение исходных соединений, масс.%: Fe2O3 - 18,21, Lu2O3 - 45,37 и TiO2 - 36,42.
Шихта составляется из чистых (степень чистоты - "осч") компонентов с учетом фактического содержания основного вещества в синтезируемом материале. С целью более точной навески при составлении шихты исходные компоненты предварительно высушиваются в течение 6-10 часов при температуре 105°C в сушильном шкафу, затем навешиваются с точностью 0,005 г. Исходные компоненты шихты смешиваются и затем перетираются вручную пестиком в агатовой ступке с добавлением этилового спирта. Из приготовленной шихты с помощью пресс-формы под давлением около 10 кбар формуются таблетки диаметром 10 мм и толщиной 1,5-2,0 мм, которые помещаются в алундовый тигель и отжигаются в печи. Нагрев печи, контролируемый программным регулятором, осуществляется со скоростью 150 град/час. Температура в печи измеряется с помощью платино-платино-родиевых термопар, точность измерения не превышает 0,1°C. Перепад температур в рабочей области не превышает 5°C. Охлаждение печи осуществляется естественным путем после отключения нагрева печи. В процессе синтеза лютецийсодержащего спин-стекольного магнитного материала проводится три отжига, режим температурной обработки представлен в табл.1. После завершения каждого отжига таблетки вновь перетираются, формуются и помешаются для последующего отжига в печь.
Химический и фазовый состав полученных образцов контролируется методом рентгеноструктурного анализа. Содержание элементов в лютецийсодержащем спин-стекольном материале показано в табл.2. Основные кристаллографические характеристики LuFeTi2O7 и параметры рентгеноструктурного эксперимента приведены в табл.3, 4. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа лютецийсодержащий спин-стекольный магнитный материал имеет ромбическую кристаллическую структуру, пространственную группу Pcnb.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующим:
Из экспериментальных данных следует, что полученный материал (LuFeTi2O7) характеризуется "беспорядком" в распределении ионов железа по кристаллографическим позициям (табл.4), что характерно для соединений со спин-стекольным магнитным состоянием.
Наличие состояния спинового стекла при низких температурах подтверждено измерениями температурной зависимости магнитного момента (фиг.1). Магнитный момент образца, измеренный в магнитном поле Н=500 Ое, при температурах ниже температуры замерзания Tf=4.7 К зависит от способа охлаждения образца (кривая 1 соответствует охлаждению образца во внешнем магнитном поле Н=500 Ое, кривая 2 - в отсутствие магнитного поля).
Таким образом, заявляемый материал, полученный из оксидов железа, титана, лютеция с помощью твердотельной реакции, магнитная подсистема которого формируется магнитными ионами одного сорта - ионами трехвалентного железа, обладает магнитным состоянием спинового стекла.
Синтезированный новый магнитный материал, отвечающий формуле LuFeTi2O7, расширяет ряд материалов с магнитным состоянием спинового стекла, формируемого ионами одного сорта, что способствует более глубокому пониманию физики спин-стекольных состояний в системе RFeTi2O7, выявлению роли магнитных подрешеток в формировании "замороженного" пространственного распределения ориентации спиновых магнитных моментов в области низких температур и, соответственно, развитию возможностей применения.
| Таблица 1 | ||
| Режим температурной обработки в технологическом процессе изготовления лютецийсодержащего спин-стекольного магнитного материала | ||
| № отжига | Температура отжига, °C | Длительность отжига, час |
| 1 | 1200 | 24 |
| 2 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 | |
| 3 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 |
| Таблица 2 | ||||
| Содержание элементов в лютецийсодержащем спин-стекольном материале | ||||
| Вещество | Содержание элементов, масс.% | |||
| Соединение | Элементы и их содержание в соединении, масс.% | |||
| Лютецийсодержащий цирконолит | Lu | Fe | Ti | O |
| 39,90 | 12,73 | 21.83 | 25,54 |
| Таблица 3 | |
| Основные кристаллографические характеристики соединения LuFeTi2O7 с пространственной группой Pcnb (a, b, c - параметры ячейки, V - объем ячейки) и параметры рентгеноструктурного эксперимента | |
| Величина | Значение |
| a, Å | 9.8093(1) |
| b, Å | 13.5069(1) |
| c, Å | 7.30302(7) |
| v, Å3 | 967.61(2) |
| Z | 8 |
| Dx, г/см3 | 6.069 |
| η, мм-1 | 92.808 |
| 2θ-интервал, ° | 5-140 |
| Число рефлексов | 927 |
| Число уточняемых параметров | 74 |
| Rwp, % | 2.011 |
| Rexp, % | 0.642 |
| Rp, % | 1.862 |
| GOF(χ) | 3.134 |
| Таблица 4 | ||||||
| Координаты атомов, заселенности позиций р и тепловые параметры Biso | ||||||
| Атом | Кратность позиции | X | Y | Z | P | Biso, Å2 |
| Lu | 8 | 0.24831(73) | 0.13186(12) | 0.00462(39) | 1 | 1.404(27) |
| Ti1 | 8 | 0.2550(18) | 0.38632(39) | 0.4887(10) | 1.000(31) | 1.5 |
| Fe1 | 8 | 0.2550(18) | 0.38632(39) | 0.4887(10) | 0.000(31) | 1.5 |
| Ti2 | 4 | 0.5 | 0.25 | 0.2613(20) | 0.84(12) | 1.5 |
| Fe2 | 4 | 0.5 | 0.25 | 0.2613(20) | 0.16(12) | 1.5 |
| Ti3 | 8 | 0.00603(77) | 0.48713(43) | 0.2587(15) | 0.140(70) | 1.5 |
| Fe3 | 8 | 0.00603(77) | 0.48713(43) | 0.2587(15) | 0.860(70) | 1.5 |
| Fe | 4 | 0 | 0.25 | 0.3379(17) | 0.78 | 2.51(27) |
| Fei | 8 | 0.0272(59) | 0.2846(39) | 0.1899(72) | 0.11 | 2.51(27) |
| O1 | 8 | 0.16385(90) | 0.3920(11) | 0.2340(32) | 1 | 0.97(14) |
| O2 | 8 | 0.4026(17) | 0.1134(16) | 0.2563(51) | 1 | 0.97(14) |
| O3 | 8 | 0.1100(20) | 0.14916(98) | 0.2352(40) | 1 | 0.97(14) |
| O4 | 8 | 0.3636(23) | 0.2921(15) | 0.4429(31) | 1 | 0.97(14) |
| O5 | 8 | 0.3881(26) | 0.2673(15) | 0.0533(33) | 1 | 0.97(14) |
| O6 | 8 | 0.3760(25) | 0.4901(19) | 0.4058(28) | 1 | 0.97(14) |
| O7 | 8 | 0.3720(24) | 0.4860(18) | 0.0421(30) | 1 | 0.97(14) |
Лютецийсодержащий спин-стекольный оксидный материал, содержащий железо, титан и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лютеций, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Железо 12,73;
Титан 21,83;
Лютеций 39,90;
Кислород 25,54.
