Лютецийсодержащий спин-стекольный магнитный материал

Лютецийсодержащий спин-стекольный магнитный материал

Реферат

Изобретение относится к области изготовления новых спин-стекольных материалов, которые могут быть полезны для развития магнитных информационных технологий и химической промышленности.

Известно монокристаллическое четырехкомпонентное оксидное соединение Ba₂Fe₂GeO₇ [Г. Петраковский, Л. Безматерных, И. Гудим, О. Баюков, А. Воротынов, А. Бовина, Р. Шимчак, М. Баран, К. Риттер. ФТТ, т.48, №10 (2006)] с "замороженным" пространственным распределением ориентации спиновых магнитных моментов в области низких температур - состоянием спинового стекла, содержащее один сорт магнитных ионов (ионы железа), с кристаллической решеткой, характеризуемой пространственной группой P42₁m, и синтезированное методом раствор-расплавной кристаллизации.

Данное соединение характеризуется сложностью технологического процесса синтеза монокристаллов.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является оксидное соединение SmFeTi₂O₇, проявляющее магнитное состояние спинового стекла в области низких температур, с кристаллической решеткой, характеризуемой пространственной группой Pcnb, и синтезированное с помощью твердотельной реакции [Патент РФ №2470897, МПК C04B 35/40, H01L 43/10, опубл. 27.12.12 бюл. №36, (прототип)].

В состав данного четырехкомпонентного соединения входят два сорта магнитных ионов самария и железа. Наличие в составе редкоземельного иона самария, обладающего большой нейтронной поглощающей способностью (сечение захвата нейтронов 6800 барн), затрудняет применение к данному оксидному соединению методов нейтронного исследования.

Техническим результатом изобретения является получение нового четырехкомпонентного оксидного материала, содержащего немагнитный редкоземельный ион Lu³⁺ с низкой нейтронной поглощающей способностью (сечение захвата нейтронов 112 барн).

Технический результат достигается тем, что в лютецийсодержащем спин-стекольном оксидном материале, содержащем железо, титан и кислород, новым является то, что он дополнительно содержит лютеций, при следующем соотношении компонентов, масс.%: железо 12,73, титан 21,83, лютеций 39,90 и кислород 25,54.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного качественным и количественным составом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Способ получения спин-стекольного материала LuFeTi₂O₇ представляет собой синтез реакцией в твердой фазе. В качестве исходных компонентов используются оксиды Fe₂O₃, TiO₂ и Lu₂O₃. Используется следующее соотношение исходных соединений, масс.%: Fe₂O₃ - 18,21, Lu₂O₃ - 45,37 и TiO₂ - 36,42.

Шихта составляется из чистых (степень чистоты - "осч") компонентов с учетом фактического содержания основного вещества в синтезируемом материале. С целью более точной навески при составлении шихты исходные компоненты предварительно высушиваются в течение 6-10 часов при температуре 105°C в сушильном шкафу, затем навешиваются с точностью 0,005 г. Исходные компоненты шихты смешиваются и затем перетираются вручную пестиком в агатовой ступке с добавлением этилового спирта. Из приготовленной шихты с помощью пресс-формы под давлением около 10 кбар формуются таблетки диаметром 10 мм и толщиной 1,5-2,0 мм, которые помещаются в алундовый тигель и отжигаются в печи. Нагрев печи, контролируемый программным регулятором, осуществляется со скоростью 150 град/час. Температура в печи измеряется с помощью платино-платино-родиевых термопар, точность измерения не превышает 0,1°C. Перепад температур в рабочей области не превышает 5°C. Охлаждение печи осуществляется естественным путем после отключения нагрева печи. В процессе синтеза лютецийсодержащего спин-стекольного магнитного материала проводится три отжига, режим температурной обработки представлен в табл.1. После завершения каждого отжига таблетки вновь перетираются, формуются и помешаются для последующего отжига в печь.

Химический и фазовый состав полученных образцов контролируется методом рентгеноструктурного анализа. Содержание элементов в лютецийсодержащем спин-стекольном материале показано в табл.2. Основные кристаллографические характеристики LuFeTi₂O₇ и параметры рентгеноструктурного эксперимента приведены в табл.3, 4. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа лютецийсодержащий спин-стекольный магнитный материал имеет ромбическую кристаллическую структуру, пространственную группу Pcnb.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующим:

Из экспериментальных данных следует, что полученный материал (LuFeTi₂O₇) характеризуется "беспорядком" в распределении ионов железа по кристаллографическим позициям (табл.4), что характерно для соединений со спин-стекольным магнитным состоянием.

Наличие состояния спинового стекла при низких температурах подтверждено измерениями температурной зависимости магнитного момента (фиг.1). Магнитный момент образца, измеренный в магнитном поле Н=500 Ое, при температурах ниже температуры замерзания T_f=4.7 К зависит от способа охлаждения образца (кривая 1 соответствует охлаждению образца во внешнем магнитном поле Н=500 Ое, кривая 2 - в отсутствие магнитного поля).

Таким образом, заявляемый материал, полученный из оксидов железа, титана, лютеция с помощью твердотельной реакции, магнитная подсистема которого формируется магнитными ионами одного сорта - ионами трехвалентного железа, обладает магнитным состоянием спинового стекла.

Синтезированный новый магнитный материал, отвечающий формуле LuFeTi₂O₇, расширяет ряд материалов с магнитным состоянием спинового стекла, формируемого ионами одного сорта, что способствует более глубокому пониманию физики спин-стекольных состояний в системе RFeTi₂O₇, выявлению роли магнитных подрешеток в формировании "замороженного" пространственного распределения ориентации спиновых магнитных моментов в области низких температур и, соответственно, развитию возможностей применения.

Таблица 1
Режим температурной обработки в технологическом процессе изготовления лютецийсодержащего спин-стекольного магнитного материала
№ отжига	Температура отжига, °C	Длительность отжига, час
1	1200	24
2	1200	16
1250	8
3	1200	16
1250	8

Таблица 2
Содержание элементов в лютецийсодержащем спин-стекольном материале
Вещество	Содержание элементов, масс.%
Соединение	Элементы и их содержание в соединении, масс.%
Лютецийсодержащий цирконолит	Lu	Fe	Ti	O
39,90	12,73	21.83	25,54

Таблица 3
Основные кристаллографические характеристики соединения LuFeTi2O7 с пространственной группой Pcnb (a, b, c - параметры ячейки, V - объем ячейки) и параметры рентгеноструктурного эксперимента
Величина	Значение
a, Å	9.8093(1)
b, Å	13.5069(1)
c, Å	7.30302(7)
v, Å3	967.61(2)
Z	8
Dx, г/см3	6.069
η, мм-1	92.808
2θ-интервал, °	5-140
Число рефлексов	927
Число уточняемых параметров	74
Rwp, %	2.011
Rexp, %	0.642
Rp, %	1.862
GOF(χ)	3.134

Таблица 4
Координаты атомов, заселенности позиций р и тепловые параметры Biso
Атом	Кратность позиции	X	Y	Z	P	Biso, Å2
Lu	8	0.24831(73)	0.13186(12)	0.00462(39)	1	1.404(27)
Ti1	8	0.2550(18)	0.38632(39)	0.4887(10)	1.000(31)	1.5
Fe1	8	0.2550(18)	0.38632(39)	0.4887(10)	0.000(31)	1.5
Ti2	4	0.5	0.25	0.2613(20)	0.84(12)	1.5
Fe2	4	0.5	0.25	0.2613(20)	0.16(12)	1.5
Ti3	8	0.00603(77)	0.48713(43)	0.2587(15)	0.140(70)	1.5
Fe3	8	0.00603(77)	0.48713(43)	0.2587(15)	0.860(70)	1.5
Fe	4	0	0.25	0.3379(17)	0.78	2.51(27)
Fei	8	0.0272(59)	0.2846(39)	0.1899(72)	0.11	2.51(27)
O1	8	0.16385(90)	0.3920(11)	0.2340(32)	1	0.97(14)
O2	8	0.4026(17)	0.1134(16)	0.2563(51)	1	0.97(14)
O3	8	0.1100(20)	0.14916(98)	0.2352(40)	1	0.97(14)
O4	8	0.3636(23)	0.2921(15)	0.4429(31)	1	0.97(14)
O5	8	0.3881(26)	0.2673(15)	0.0533(33)	1	0.97(14)
O6	8	0.3760(25)	0.4901(19)	0.4058(28)	1	0.97(14)
O7	8	0.3720(24)	0.4860(18)	0.0421(30)	1	0.97(14)

Лютецийсодержащий спин-стекольный оксидный материал, содержащий железо, титан и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лютеций, при следующем соотношении компонентов, масс.%:Железо 12,73;Титан 21,83;Лютеций 39,90;Кислород 25,54.