СПИН-СТЕКОЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С СОДЕРЖАНИЕМ ИТТЕРБИЯ Российский патент 2018 года по МПК C04B35/40 C04B35/462 H01L43/10 

Изобретение относится к области получения новых магнитных материалов, а именно оксидных керамических материалов с магнитным состоянием спинового стекла, характеризуемых вырожденным магнитным состоянием, и может найти применение в химической промышленности и электронной технике, в частности, для разработки моделей новых типов устройств магнитной памяти.

В связи с неослабляющим интересом к поиску новых материалов, перспективных для использования в различных областях техники, целенаправленное получение веществ с разнообразными магнитными свойствами и типами магнитного упорядочения является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния. Разработка и создание магнитных материалов, в том числе оксидных соединений, содержащих редкоземельные элементы и элементы переходных металлов, требует исследования их свойств. Среди методов изучения важным является нейтронография, позволяющая дать информацию о магнитной структуре материала, о магнитных фазовых состояниях и их изменении.

Известно оксидное соединение GdFeTi₂O₇, содержащее редкоземельный элемент, [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)], обладающее свойствами спинового стекла.

Этот материал содержит гадолиний, существенно поглощающий нейтроны (сечение захвата нейтронов 44000 барн) и имеющий высокое электрическое сопротивление (141 ом*см*10^-6).

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является самарийсодержащий спин-стекольный магнитный материал SmFeTi₂O₇ [патент RU №2470897 С2, МПК С04В 35/40, опубл. 27.12.2012], в состав которого входят магнитные ионы железа и самария, а также титан и кислород при следующем соотношении ат. %: Fe - 9,09; Ti - 18,18; О - 63,64; Sm - 9,09.

Недостатком известного технического решения является содержание самария, характеризуемого высоким поглощением нейтронов, затрудняющим применение нейтронографии для исследования свойств, и большим электросопротивлением.

Техническим результатом изобретения является получение нового магнитного материала с состоянием спинового стекла и содержащего редкоземельный элемент с низкими значениями сечения захвата тепловых нейтронов и удельного электросопротивления.

Указанный технический результат достигается тем, что в спин-стекольном магнитном материале, включающем железо, титан, кислород и редкоземельный элемент, новым является то, что в качестве редкоземельного элемента содержится иттербий, при следующем соотношении компонентов, ат. %: иттербий - 9,09; железо - 9,09; титан - 18,18; кислород - 63,64.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного составом, содержит иттербий с низким сечением захвата нейтронов, допускающим проведение нейтронографических исследований, и с лучшей электропроводностью среди лантаноидов.

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 иттербий позволяет устранить указанные недостатки прототипа. В формировании магнитного состояния участвуют два вида магнитных ионов: редкоземельный ион Yb³⁺ и ион железа Fe³⁺. Заявляемый материал обладает магнитным состоянием спинового стекла, содержит иттербий, слабо поглощающий нейтроны (сечение захвата нейтронов иттербия составляет 36 барн, в сравнении, самарий - 6800 барн) и характеризующийся низким удельным электрическим сопротивлением (27 ом*см*10^-6, в сравнении, для самария удельное электрическое сопротивление - 88 ом*см*10^-6).

Способ получения иттербийсодержащего спин-стекольного магнитного материала представляет собой твердофазный синтез. В качестве исходных компонентов используются оксиды Fe₂O₃, TiO₂ и Yb₂O₃ при следующем соотношении, мас.%:

Fe₂O₃ - 18,29; TiO₂ - 36,58; Yb₂O₃ - 45,13.

Исходные соединения, составляющие шихту, перед развеской высушиваются, затем смешиваются и перетираются с добавлением этилового спирта. Из приготовленной шихты формируются таблетки под давлением около 10 кбар диаметром 10 мм и толщиной 1,5-2,0 мм. Полученные таблетки отжигают в печи в четыре этапа (табл. 1). Максимальная температура каждого отжига 1250°С. После завершения каждого этапа синтеза таблетки перетираются, прессуются и помещаются в печь для последующего отжига.

Содержание элементов в материале YbFeTi₂O₇ показано в таблице 2.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующим:

Анализ синтезированных образцов (фиг. 1) осуществлялся с помощью рентгеновской дифракции. Порошковая рентгенограмма YbFeTi₂O₇ отснята при комнатной температуре на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker, используя линейный детектор VANTEC и Cu-Kα излучение. В таблице 3 приведены результаты уточнения кристаллической структуры соединения YbFeTi₂O₇ и основные параметры рентгеновского эксперимента Данные исследования методом рентгеновской дифракции показали, что кристаллическая решетка соединения YbFeTi₂O₇ характеризуется ромбической пространственной группой Pcnb.

На фиг. 2 показана температурная зависимость магнитного момента заявляемого иттербийсодержащего соединения. Измерения проведены в магнитном поле Н=0,05 Т. Масса образца m=0.045 г. Результаты магнитных измерений показали, что наблюдается разница зависимостей FC (охлаждение образца в магнитном поле Н=0,05 Т) и ZFC (охлаждение образца в нулевом магнитном поле). Таким образом, магнитный момент зависит от магнитной предыстории образца при температурах ниже температуры замерзания T_f = 4,5 К. Это является характерной особенностью веществ со спин-стекольным магнитным состоянием.

Таким образом, заявляемый материал, полученный из оксидов железа, титана, иттербия обладает магнитным состоянием спинового стекла и содержит иттербий с низкими значениями электросопротивления и сечения захвата нейтронов.

Полученный новый магнитный материал, отвечающий формуле YbFeTi₂O₇, расширяет класс соединений с магнитным состоянием спинового стекла.

Изобретение относится к области разработки новых керамических редкоземельных оксидных 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 YbFeTi₂O₇ включает железо, титан, кислород и иттербий при следующем соотношении компонентов, ат.%: иттербий - 9,09; железо - 9,09; титан - 18,18; кислород - 63,64. Способ получения иттербийсодержащего спин-стекольного материала включает приготовление шихты из оксидов Fe₂O₃, Yb₂O₃ и TiO₂, формование таблеток и их спекание в четыре этапа с максимальной температурой отжига 1250°С. Техническим результатом изобретения является получение нового магнитного материала с состоянием спинового стекла и содержащего редкоземельный элемент с низкими значениями сечения захвата тепловых нейтронов и удельного электросопротивления. 3 табл., 2 ил.

Спин-стекольный магнитный материал с содержанием иттербия, включающий железо, титан, кислород и редкоземельный элемент, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного элемента содержит иттербий при следующем соотношении компонентов, ат.%:

иттербий 9,09 железо 9,09 титан 18,18 кислород 63,64