Оксидный керамический магнитный материал на основе натрия, ванадия, железа и никеля

Изобретение относится к разработке новых материалов, которые могут быть полезны для химической промышленности, материаловедения, спинтроники. Оксидный керамический магнитный материал содержит кислород, железо и ванадий и дополнительно натрий и никель при следующем соотношении компонентов, ат. %: железо - 10,53; никель - 5,26; натрий - 5,26; ванадий - 15,79; кислород - 63,16. Изобретение позволяет создавать материал с нескомпенсированным магнитным моментом, сохраняющимся при комнатной температуре, и возможностью управления им с помощью внешнего магнитного поля. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к разработке магнитных соединений, которые могут быть полезны для химической промышленности, материаловедения, спинтроники как новые материалы с возможностью управления величиной магнитного момента с помощью внешнего магнитного поля.

Известен оксидный материал - поливанадат Cu₁₃Fe₄V₁₀O₄₄, в состав которого входят магнитные ионы меди и железа [J. Typek, G. Zolnierkiewicz at el. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 382, 2015, 71-77].

Недостатком этого материала является низкая температура магнитного фазового перехода и антиферромагнитное упорядоченное состояние (температура Нееля T_N=2.7 K).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является пятикомпонентное оксидное соединение поливанадат LiCuFe₂(VO₄)₃, характеризующееся антиферромагнитным типом магнитного порядка [Дрокина Т.В., Петраковский Г.А. и др. ФТТ, 2016, 58 (10). Стр. 1913-1920]. В состав данного соединения входят элементы, в том числе магнитные ионы меди и железа, при следующем соотношении компонентов, ат. %: железо - 10,53; медь - 5,26; литий - 5,26; ванадий - 15,79; кислород - 63,16.

К недостаткам прототипа можно отнести антиферромагнитный тип магнитного упорядочения спиновой системы и низкую температуру магнитного фазового перехода (температура Нееля T_N=7 K).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка материала, отличающегося качественным и количественным составом и обладающего нескомпенсированным магнитным моментом при комнатной температуре.

Техническим результатом изобретения является получение нового оксидного керамического материала на основе натрия, ванадия, железа и никеля с нескомпенсированным магнитным моментом, сохраняющимся при комнатной температуре, и возможностью управления им с помощью внешнего магнитного поля.

Технический результат достигается тем, что в оксидном керамическом магнитном материале на основе натрия, ванадия, железа и никеля, включающем железо и ванадий, новым является то, что дополнительно содержит натрий и никель, при следующем соотношении компонентов, ат. %: железо - 10,53; никель - 5,26; натрий - 5,26; ванадий - 15,79; кислород - 63,16.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного качественным и количественным составом, обуславливающим изменение типа магнитного порядка. Эти отличия позволяют 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».

Изобретение осуществляется следующим образом. Указанное соединение - многокомпонентный ванадат NaNiFe₂(VO₄)₃, обладающее нескомпенсированным магнитным моментом при комнатной температуре и допускающее возможность управления величиной магнитного момента с помощью внешнего магнитного поля, было приготовлено методом твердофазного синтеза из стехиометрических смесей Na₂CO₃ (20.29 вес. %), Fe₂O₃ (30.58 вес. %), V₂O₅ (34.83 вес. %) и NiO (14.30 вес. %). Исходные соединения, составляющие шихту, смешиваются и перетираются вручную пестиком в ступке с добавлением этилового спирта. Из приготовленной шихты с помощью пресс-формы формируются 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, регулируемый программным регулятором, осуществляется со скоростью 150 град/час. Температура в печи измеряется с помощью термопар (платино - платино-родиевые) с точностью 0,1°С. Перепад температур в рабочей области не превышает 5°С. Охлаждение печи происходит естественным путем. Отжиг проводится в два этапа (Таблица 1). После завершения первого отжига таблетки перетираются, смесь снова формуется в таблетки, которые помещаются в печь для второго отжига.

Анализ синтезированных образцов осуществлялся с помощью рентгеновской дифракции. Порошковая рентгенограмма материала NaNiFe₂(VO₄)₃ отснята при комнатной температуре на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker, используя линейный детектор VANTEC и Cu-Kα излучение. На рентгенограмме не было обнаружено рефлексов, соответствующих фазам примесей.

В таблице 2 приведены основные параметры рентгеновского эксперимента и результаты уточнения кристаллической структуры соединения NaNiFe₂(VO₄)₃. Кристаллическая решетка соединения NaNiFe₂(VO₄)₃ характеризуется триклинной пространственной группой Р1(-).

Примечание. а, b, с, α, β, γ - параметры ячейки; V - объем ячейки;

факторы недостоверности: Rwp - весовой профильный, Rp - профильный,

R_B - интегральный; χ² - качество подгонки.

Намагниченность синтезированного материала NaNiFe₂(VO₄)₃ измерялась SQUID- и вибрационным магнетометрами.

На фиг. 1 приведена кривая температурной зависимости магнитного момента М(Т) соединения NaNiFe₂(VO₄)₃. На фиг. 2 показана зависимость магнитного момента М образца NaNiFe₂(VO₄)₃ от магнитного поля Н. Можно видеть, что магнитный момент сохраняется до комнатной температуры, и приложение магнитного поля приводит к изменению магнитного момента.

Таким образом, новый ванадат NaNiFe₂(VO₄)₃ обладает магнитным моментом, что подтверждают измерения температурной М(Т) и полевой М(Н) зависимостей магнитного момента, причем эффект сохраняется при комнатной температуре (фиг. 1, 2).

Полученный новый материал, отвечающий формуле NaNiFe₂(VO₄)₃, расширяет ряд материалов, допускающих возможность управления величиной магнитного момента внешним магнитным полем при высоких температурах.

Оксидный керамический магнитный материал на основе натрия, ванадия, железа и никеля, включающий железо и ванадий, отличающийся тем, что дополнительно содержит натрий и никель, при следующем соотношении компонентов, ат. %:

железо - 10,53;

никель - 5,26;

натрий - 5,26;

ванадий -15,79;

кислород - 63,16.