СПИН-СТЕКОЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2015 года по МПК C04B35/40 

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=T_f - 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=σ_FC-σ_ZFC 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, ų 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 T_f=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.

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.

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.