Спин-стекольный магнитный материал
Владельцы патента RU 2555719:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к разработке новых магнитных материалов с магнитным состоянием спинового стекла и может найти применение в химической промышленности и электронной технике, в частности, для разработки моделей новых типов устройств магнитной памяти. Спин-стекольный магнитный материал HoFeTi2O7 получен твердофазным синтезом из исходных компонентов Fe2O3, TiO2 и Но2О3 при следующем соотношении, мас. %: Fe2O3 - 18,63, TiO2 - 37,28, Но2О3 - 44,09. Техническим результатом изобретения является получение нового спин-стекольного магнитного материала, обладающего большой разностью намагниченности, обусловленной изменением условий охлаждения образца, а также низким поглощением нейтронов. Намагниченность спин-стекольного материала почти в 20 раз больше, чем у известного материала. 2 табл., 1 ил.
Изобретение относится к созданию новых материалов с магнитным состоянием спинового стекла, которое характеризуется "замороженным" пространственным распределением ориентации спиновых магнитных моментов и может найти применение в химической, атомной и электронной технике, в частности, для разработки моделей новых типов устройств магнитной памяти.
Одной из актуальных задач физики конденсированного состояния является поиск новых материалов с разнообразными магнитными свойствами и типами магнитного упорядочения, перспективных для использования в различных областях техники. Изучение свойств новых спин-стекольных магнитных материалов позволит расширить возможности их применения, в частности, как модельных систем для нейронных сетей в приоритетной области исследований моделей искусственного интеллекта.
Для спин-стекольного состояния характерны макроскопические необратимые эффекты: магнитная вязкость, магнитный гистерезис и связанные с ними явления магнитного последействия и памяти. Одним из основных свойств соединений с магнитным состоянием спинового стекла является зависимость магнитного момента от магнитной предыстории образца, что может использоваться для создания новых материалов магнитной памяти.
При охлаждении образца ниже определенной температуры T=Tf - температуры замерзания намагниченность зависит не только от температуры, но и от условий охлаждения образца: в нулевом магнитном поле (ZFC) или в магнитном поле (FC). Разность намагниченностей Δσ=σFC-σZFC при фиксированных значениях внешнего магнитного поля Н и температуры Т может являться характеристикой пространства состояний в моделях памяти.
Известен спин-стекольный магнитный материал GdFeTi2O7 [Г.А. Петраковский, Т.В. Дрокина, Д.А. Великанов, О.А. Баюков, М.С. Молокеев, А.В. Карташев, А.Л. Шадрина, А.А. Мицук ФТТ 54, 1701 (2012)], содержащий железо, титан, кислород и гадолиний, при следующем соотношении, мас. %: Fe - 13,27; Ti - 22,75; О - 26,61; Gd-37,37.
Этот материал имеет низкую величину разности намагниченностей (Δσ=0.501689 emu/g при Т=2 К, Н=0,05 Т) и высокое поглощение нейтронов гадолинием (сечение захвата тепловых нейтронов 46617 барн).
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является спин-стекольный магнитный материал SmFeTi2O7 [патент RU №2470897 С2, С04В 35/40 (2011), содержащий железо, титан, кислород и самарий, при следующем соотношении, мас. %: Fe - 13,49; Ti - 23,13; О - 27,06; Sm - 36,32.
Недостатком этого технического решения является относительно малая величина разности намагниченности (Δσ=0.058667 emu/g при Т=2 К, Н=0,05 Т) и высокое поглощение нейтронов самарием (сечение захвата - 6800 барн).
Техническим результатом изобретения является получение нового магнитного материала HoFeTi2O7 с магнитным состоянием спинового стекла, обладающего сравнительно большой разностью намагниченности и низким поглощением нейтронов.
Указанный технический результат достигается тем, что спин-стекольный магнитный материал HoFeTi2O7 получен твердофазным синтезом из исходных компонентов Fe2O3, TiO2 и Но2О3 при следующем соотношении, мас. %: Fe2O3 - 18,63, TiO2 - 37,28, Ho2O3 - 44,09.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного составом и характеристиками (большей разностью намагниченности и низким сечением захвата нейтронов (сечение захвата тепловых нейтронов гольмием - 65 барн, что позволяет проведение нейтронографических исследований). Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Замещение в составе известного технического решения самария на гольмий позволяет устранить указанные недостатки прототипа. Заявленный материал обладает магнитным состоянием спинового стекла, формируемым магнитными ионами Fe3+ и Но3+, слабо поглощает нейтроны и обладает сравнительно большой разностью намагниченности.
Спин-стекольный магнитный материал HoFeTi2O7 получен твердофазным синтезом. В качестве исходных компонентов используются оксиды Fe2O3, TiO2 и Ho2O3 при следующем соотношении, мас. %:
Fe2O3 - 18,63
TiO2 - 37,28
Ho2O3 - 44,09
Исходные компоненты, составляющие шихту, перед развеской высушиваются в течении 6 часов при температуре 105°C, смешиваются и перетираются вручную пестиком в ступке с добавлением этилового спирта. Из приготовленной шихты с помощью пресс-формы формуются таблетки под давлением около 10 кбар диаметром 10 мм и толщиной 1,5-2,0 мм. Таблетки помещаются в алундовый тигель и отжигаются в печи. Нагрев печи осуществляется со скоростью 150 град/час и регулируется программным регулятором. Температура в печи измеряется с помощью платинородиевых термопар с точностью 0,1°C. Охлаждение печи происходит естественным путем.
Синтез производится в четыре этапа (табл. 1). Максимальная температура отжига 1250°C. После завершения каждого этапа синтеза таблетки вновь перетираются, прессуются и снова помещаются в печь для последующего отжига. Химический и фазовый состав полученных образцов контролируется методом рентгеноструктурного анализа, а также с помощью оптического микроскопа после каждого отжига.
| Таблица 1 | ||
| Режим температурной обработки в технологическом процессе изготовления тербийсодержащего спин-стекольного магнитного материала HoFeTi2O7 | ||
| № отжига | Температура отжига, °C | Длительность отжига, час |
| 1 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 | |
| 2 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 | |
| 3 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 | |
| 4 | 1200 | 16 |
| 1250 | 8 |
Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующим:
В таблице 2 приведены параметры кристаллической ячейки соединения HoFeTi2O7, определенные с помощью рентгеноструктурного анализа при комнатной температуре.
| Таблица 2 | |
| Основные кристаллографические характеристики соединения HoFeTi2O7 | |
| Пространственная группа | Pcnb |
| Параметры элементарной ячейки | Значения параметров элементарной ячейки |
| а, Å | 9.8353 (2) |
| b, Å | 13.5572 (2) |
| c, Å | 7.3497 (1) |
| V, Å3 | 980.01 (3) |
| Примечание: | |
| а, b, c - параметры ячейки; | |
| V - объем ячейки |
На фиг. 1 показана температурная зависимость магнитного момента заявляемого соединения HoFeTi2O7 (охлаждение образца в магнитном поле Н=0,05 Т (FC) и без поля Н=0 Т (ZFC)). Магнитные измерения образцов HoFeTi2O7 выполнены на магнитометре MPMS-XL в интервале температур 2-300 К и в магнитном поле 500 Ое. Масса образца m=0.015 g. Из фиг. 1 следует, что магнитный момент соединения HoFeTi2O7 зависит от магнитной предыстории образца при температурах ниже температуры замерзания Tf=4,5 К. Это является характерной особенностью магнитных образцов с магнитным состоянием спинового стекла.
Сравнительный анализ показывает, что интервал изменения намагниченности Δσ заявляемого технического решения больше, чем у прототипа. Например, при температуре Т=2 К Δσ заявляемого гольмийсодержащего спин-стекольного магнитного материала почти в 20 раз больше, чем у прототипа.
Замещение в составе известного технического решения самария на гольмий позволяет увеличить разность намагниченности Δσ (для HoFeTi2O7 Δσ=1.113467 emu/g, для SmFeTi2O7 Δσ=0.058667 emu/g при Т=2 К, Н=0,05 Т) и снизить поглощение тепловых нейтронов (сечение захвата нейтронов для гольмия составляет 65 барн, для самария - 6800 барн).
Таким образом, заявляемый материал, полученный из оксидов железа, титана и гольмия, в магнитном состоянии спинового стекла при фиксированных температуре и магнитном поле обладает широким интервалом изменения намагниченности при различных условиях охлаждения образца, а также содержит элемент Но с низким сечением захвата нейтронов, что расширяет ряд материалов с магнитным состоянием спинового стекла и обогащает их свойства.
Спин-стекольный магнитный материал HoFeTi2O7, полученный твердофазным синтезом из исходных компонентов Fe2O3, TiO2 и Но2О3, при следующем соотношении, мас. %:
Fe2O3 - 18,63
TiO2 - 37,28
Ho2O3 - 44,09
O - 24,14.
