ИСТИНА

Цель проекта: разработка методов получения двухфазных обменно-связанных магнитных наночастиц на основе магнитотвердого (гексаферрит стронция) и антиферромагнитного / магнитомягкого материалов и исследование их магнитных свойств.

The project is based on the fundamental scientific problem of creating new exchange-coupled nanocomposites with high values of coercive force and remanence. To improve the magnetic characteristics, we propose to use the exchange coupling interaction between the layers of different magnetic phases: soft magnetic / hard magnetic and hard magnetic / antiferromagnetic phases and, thus, to obtain two types of double-phase magnetic materials with a core-shell structure. The microstructure of double-phase core/shell nanoparticles (NPs) will be precisely controlled during synthesis, using M-type hexagonal ferrite NPs as hard magnetic phase. In these types of composite NPs, remanence will be increased by hard magnetic and soft magnetic exchange coupling interactions, or coercivity of nanocomposites will be enhanced by ferromagnetic antiferromagnetic exchange coupling interactions. Influences of magnetocrystalline anisotropy, shape anisotropy, volume ratio and interface morphology of phases on magnetic properties, such as different exchange coupling interactions, remanence, coercivity and maximum magnetic energy product, will be investigated. The dynamic magnetic structure and the magnetic moment distribution of NPs will be simulated using micromagnetic simulation methods. The results will provide experimental and theoretical guidance for increasing the magnetic energy product of nanocomposite permanent magnets.

Отработана методика получения магнитотвердых наночастиц гексаферрита стронция, которые будут использованы в качестве ядер для обменно-связанных композитов, а также жидкофазные методики химического синтеза композитных частиц. На примере композитов магнитотвердый/магнитомягкий материал продемонстрировано, что обменное связывание приводит к повышению максимальной магнитной энергии.

На примерах феррита кобальта и магнетита был продемонстрирован синтетический подход для получения композитных наночастиц шпинельный феррит / гексаферрита стронция. Этот метод основан на разложении органических солей металлов в высококипящих инертных растворителях в инертной атмосфере с использованием неагрегированных наночастиц гексаферрита стронция в качестве ядер. Он позволяет получать высококристаллические композиты с различной толщиной слоя шпинельного феррита. Полученные композиты имеют сэндвичевую структуру с эпитаксиально нарастающим на отдельные частицы гексаферрита шпинельным ферритом. Магнитные измерения подтверждают, что две магнитные фазы композита обменно связаны между собой, демонстрируя магнитные характеристики, сильно отличающиеся от свойств исходных фаз. Мы впервые использовали высококачественные хром замещенные нанопластинки гексаферрита стронция в качестве ядер для многослойных сэндвичевых композитных наномагнетиков. Тонкие внешние слои магнетита Fe3O4 были выращены эпитаксиально путем разложения органических солей в растворе гексадекана, содержащем хорошо диспергированные наночастицы гексаферрита. Синтез в высококипящем растворителе выявил два ключевых преимущества по сравнению с методами соосаждения на водной основе. Во-первых, при повышенных температурах магнитные моменты частиц гексаферрита резко уменьшаются, что способствует образованию коллоидов неагрегированных частиц. Это позволяет покрывать каждую частицу в отдельности. Во-вторых, рост магнетита при более высоких температурах приводил к однородным непрерывным слоям с высокой степенью кристалличности. Мы показали, что толщину слоев можно регулировать, изменяя концентрацию ионов металлов. В то время как ядра гексаферрита имели средний диаметр 16 нм и толщину 4,9 нм, толщина слоя магнетита варьировалась от 3,9 нм до 5,0 нм. Внешние слои Fe3O4 продолжают шпинельный блок структуры гексаферрита, таким образом, ось [111] магнетита сонаправлена с осью [001] решетки гексаферрита. Ядра гексаферрита служат шаблоном-основой для образования весьма необычной пластинчатой морфологии шпинельной фазы. Разработанный подход может быть распространен на любой материал типа шпинели с соответствующими параметрами решетки. Это открывает путь к созданию многофункциональных наномагнетиков, в которых магнитотвердые свойства гексаферритовых сердечников и их способность ориентироваться в магнитном поле сочетаются с оптическими, каталитическими, сегнетоэлектрическими и т. д. свойствами внешних слоев. В нашем случае эпитаксиальная граница между магнитотвердой и магнитомягкой фазами приводила к эффекту обменной связи, в результате чего этот двухфазный композит действовал как единая магнитная фаза. Это позволяет создавать новые наномагнетики с синергетически комбинированными свойствами, которые невозможно наблюдать в исходных материалах. В случае синтеза с ферритом кобальта были получены обменно-связанные сэндвичевые композиты с толщиной покрытия около 4–5 нм; массовая доля феррита кобальта в композитах составляет от 5 до 50%. Магнитное произведение композитных частиц сильно изменяется при охлаждении за счет перехода феррита кобальта в магнитотвердое состояние. При этом происходит повышение коэрцитивной силы частиц, увеличивается соотношение MR/MS, а также растет намагниченность. Рекордные образцы изменяют свою магнитную энергию более, чем на 500% при охлаждении от комнатной температуры до 5 К. При этом они превосходят по величине магнитной энергии исходные частицы более, чем на 60%.