Автор AZoNano 24 июня 2021 г.

Материаловеды изобрели быстрый метод получения эпсилон-оксида железа и раскрыли его потенциал для создания передовых устройств связи.

Превосходные магнитные свойства эпсилон-оксида железа делают его одним из самых востребованных материалов, например, для долговечной магнитной записи и устройств связи нового поколения 6G.

Исследование было опубликовано в J журнале Materials Chemistry C – журнале Королевского химического общества.

Оксид железа (III) является одним из самых распространенных оксидов на планете, и в основном он существует в форме минерального гематита (или оксида альфа-железа, α-Fe ₂ O ₃₎ ). Маггемит (или гамма-модификация, γ-Fe ₂ O ₃ ) – еще одна распространенная и стабильная модификация. Гематит обычно используется в промышленности как красный пигмент, а маггемит используется как носитель магнитной записи.

Обе эти модификации отличаются кристаллической структурой (гамма-оксид железа имеет кубическую сингонию, а альфа-оксид железа имеет гексагональную сингонию), а также магнитными свойствами.

Помимо этих форм оксида железа (III), существуют более необычные модификации, такие как эпсилон-, зета-, бета- и даже стеклообразные.

Среди них эпсилон-оксид железа, ε-Fe ₂ O ₃ является наиболее привлекательной фазой. Эта модификация имеет очень высокую коэрцитивную силу (способность материала противостоять внешнему магнитному полю).

При комнатной температуре сила достигает 20 кЭ, что аналогично параметрам магнита на основе дорогостоящих редкоземельных элементов. Материал также поглощает электромагнитное излучение в диапазоне частот субтерагерцового диапазона (от 100 до 300 ГГц) за счет эффекта естественного ферромагнитного резонанса.

Частота этого резонанса является основным критерием использования материалов в устройствах беспроводной связи – например, в стандарте 5G используются десятки гигагерц, а в стандарте 4G – мегагерцы.

Субтерагерцовый диапазон, вероятно, можно было бы использовать в качестве рабочего диапазона в беспроводной технологии шестого поколения (6G), которая в настоящее время готовится к активному внедрению в жизнь людей с начала 2030-х годов.

Полученный в результате материал подходит для изготовления схем поглотителя или преобразователей на таких частотах. Например, если использовать композитные нанопорошки ε-Fe ₂ O ₃ можно получить краски, которые поглощают электромагнитные волны и, таким образом, защищают помещения от посторонних сигналов, а также экранируют сигналы от внешнего перехвата. . Даже ε-Fe ₂ O ₃ может использоваться в приемных устройствах 6G.

Оксид железа Эпсилон – очень трудная и редкая форма оксида железа для получения. В настоящее время его создают только в очень небольших количествах, а сам процесс занимает до месяца. Это определенно исключает его широкое применение.

Исследователи разработали новую технику для ускорения синтеза эпсилон-оксида железа, сокращая время синтеза до одного дня (другими словами, чтобы выполнить полный цикл более чем в 30 раз быстрее), и увеличивая количество полученный продукт.

Новый метод экономичен, может быть легко воспроизведен и может быть легко реализован в промышленности. Материалы, необходимые для синтеза – кремний и железо – являются одними из самых распространенных элементов на планете.

Хотя эпсилон-оксидная фаза железа была получена в чистом виде относительно давно, в 2004 году она все еще не нашла промышленного применения из-за сложности ее синтеза, например, в качестве носителя для магнитной записи. Нам удалось значительно упростить технологию.

Евгений Горбачев, первый автор исследования, аспирант кафедры материаловедения МГУ

Чтобы успешно применять материалы с рекордными свойствами, необходимо изучить их основные физические свойства. Отсутствие детального изучения может привести к игнорированию материала в течение нескольких лет, как это уже неоднократно случалось в истории науки.

Это было сотрудничество материаловедов из Московского государственного университета, которые создали соединение, и физиков МФТИ, которые тщательно исследовали его, что сделало эту разработку успешной.

Материалы с такими высокими частотами ферромагнитного резонанса имеют огромный потенциал для практического применения. Сегодня терагерцовые технологии переживают бум: это Интернет вещей, это сверхбыстрая связь, это более узконаправленные научные устройства и медицинские технологии следующего поколения.

Д-р. Людмила Алябьева, к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ

Д-р. Алябьева добавила: « Хотя стандарт 5G, который был очень популярен в прошлом году, работает на частотах в десятки гигагерц, наши материалы открывают двери для значительно более высоких частот (сотни гигагерц), что означает, что мы уже работает со стандартами 6G и выше. Теперь дело за инженерами, мы рады поделиться с ними информацией и надеемся, что сможем держать в руках телефон 6G ».

Терагерцовое исследование проводилось в Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.

Ссылка на журнал:

Горбачев Е., и др. . (2021) Настройка размера частиц, частоты естественного ферромагнитного резонанса и магнитных свойств наночастиц ε-Fe ₂ O ₃ полученных быстрым золь-гель методом. Журнал химии материалов C . doi.org/10.1039/D1TC01242H.

Источник: https://mipt.ru/[19459008visible