Как галлий помогает настраивать магниты: новый материал для сенсоров

Российские физики разработали метод синтеза и точного прогноза свойств нового магнитного материала — галлий-замещенного гексаферрита бария. Исследование опубликовано в журнале Ceramics International и может послужить основой для создания датчиков, способных работать в широком диапазоне температур — от комнатных условий до экстремальных значений.

В современном мире мы всё чаще сталкиваемся с умной электроникой — от климат-контроля в «умных домах» до сложных противопожарных систем. В их основе — сенсоры, то есть датчики, реагирующие на изменения окружающей среды: температуры, давления, влажности и прочих параметров. Чтобы датчики были надёжными и точными, необходимы особые магнитные материалы с заданными свойствами.

Ферриты — один из таких классов. Это сложные оксиды, содержащие трёхвалентное железо и другие элементы. Их магнитные свойства можно тонко настраивать с помощью допирования, то есть введения в кристаллическую решётку дополнительных атомов. Именно этим занялись учёные из МФТИ и других российских институтов, сосредоточившись на одном перспективном веществе — гексаферрите бария.

Как синтезировали новый материал?

Исследователи создали соединение BaFe₁₁GaO₁₉ — феррит, в котором один из атомов железа заменён галлием. Это кажется мелочью, но даже такое небольшое изменение радикально влияет на поведение материала.

Синтез проводили методом твёрдофазной реакции: смешали карбонат бария с оксидами железа и галлия, измельчили смесь, спрессовали в таблетки и подвергли нагреву до 1400 °C. Всего через пять часов получился прочный монокристаллический феррит, готовый к исследованию. Преимущество метода — простота масштабирования и внедрения в технологическое производство.

Для изучения структуры и свойств нового материала учёные использовали:

рентгеновскую дифракцию — чтобы убедиться в однородности кристаллов;

мессбауэровскую спектроскопию — для определения того, где именно в решётке «осел» галлий;

нейтронографию и сканирующую электронную микроскопию — чтобы понять, как выглядит и устроена поверхность материала;

магнитометр — для измерения магнитных характеристик.

Оказалось, что материал сохраняет гексагональную структуру природного минерала магнетоплюмбита, но с важным отличием: галлий выбирает строго определённую позицию в решётке — так называемую 12k-позицию в октаэдрическом окружении. Это критично: именно такие «точечные» замещения позволяют точно управлять свойствами материала.

Почему это важно?

Главное открытие: введение галлия снижает температуру Кюри феррита почти в 20 раз. Если у чистого гексаферрита бария она составляет 457 °C, то у модифицированного материала — около комнатной температуры. А это значит, что он подходит для использования в биосенсорах, медицинской электронике и других чувствительных системах, где перегрев недопустим.

«Мы научились подбирать состав феррита под конкретную задачу, регулируя рабочий температурный диапазон», — отмечает заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ Денис Винник. В будущем это позволит создавать сенсоры нового поколения: адаптируемые, надёжные и точные, способные работать в самых разных условиях — от промышленности до живых организмов.

Источник: Разработан метод высокоточного прогнозирования эксплуатационных характеристик магнитных материалов — За науку