CC BY
13УДК 621.318.1
Хамдамов Б.И.
доцент кафедры «Электротехнологии» Джизакский Политехнический институт (г. Джизак, Узбекистан)
Нуруллаев О.У.
старший преподаватель кафедры «Электротехнологии» Джизакский Политехнический институт (г. Джизак, Узбекистан)
ФЕРРИТЫ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ В СОЛНЕЧНОЙ ПЕЧИ
Аннотация: синтезированы сплавы на основе Ba-Fe-O в большой солнечной печи НПО «Физика солнца». Получен гексаферрит бария с магнитными характеристиками пригодными для решения технических задач для изготовления защитных покрытий. Экспериментально наблюдаемый рост величины удельной намагниченности BiFe0.75Ni0.25O3 по отношению к данным, полученным в номинально чистом феррите висмута связан как с подавлением циклоидальной спиновой структуры вследствие частичного замещения катионов железа катионами никеля, так и с установлением ферримагнитного обменного взаимодействия между соседними ионами Fe3+ и М3+.
Ключевые слова: кристаллическая структура, магнитные свойства, ферриты, синтез, солнечная печь.
Разработка и исследование веществ, проявляющих магнитные свойства и свойства мультиферроиков представляет интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Интерес к исследованию бариевых ферритов Ва-Бе-О, в частном случае М-типа с гексагональной структурой ВаБе12О19) и твердых растворов на их основе, [1-4], обусловлен особым сочетанием их физико-химических характеристик: высокая коррозионная стойкость [5] и химическая
стабильность делает их экологически безопасными и годными к применению практически без ограничений во времени. Сочетание коэрцитивной силы Fc =~ 160-55 кА/т) [6-8] с высокой остаточной индукцией позволяет изготавливать постоянные магниты с необходимой удельной магнитной энергией и низкой электропроводностью (р ~ 110 Омет). До недавнего времени гексаферриты бария использовались только при изготовлении постоянных магнитов [10] и для магнитных носителей записи информации высокой плотности [11]. В последние годы появились работы, показывающих возможность использования таких составов в сочетании с мультиферроиками [12,13]. Эксперимент показал, что гексаферрит барияВаРе12019 является перспективным материалом для поглощения электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне. Известны работы по эффективному поглощению электромагнитного излучения BaFe12O19 в дециметровой и сантиметровой области спектра [14,15]. К преимуществам бариевых гексаферритов относятся большая кристаллическая и магнитная анизотропия, высокие значения температуры фазового перехода ферримагнетик-парамагнетик. Это является следствием особого сочетания обменных магнитных взаимодействий в подрешетках, которые приводят к формированию коллинеарного ферримагнитного упорядочения с температурой Кюри Тс~ 740К. Изменение магнитных обменных связей ионов железа в многокомпонентных оксидных системах при введении диамагнитных ионов [16,17] или отклонении от стехиометрии по кислороду [18]) позволяет управлять функциональными свойствами ферритов бария. Мультиферроика феррит висмута BiFeO3 обладает двумя параметрами порядка: антиферромагнитным упорядочениемG-типа (TN = 643 К) и сегнетоэлектрическим упорядочением (ТС= 1083 ^ [19,20]. Использование BiFeO3 в технических устройствах ограничено из-за наличия в его структуре спиновой циклоиды, несоразмерной периоду кристаллической решетки, которая приводит к состоянию практически нулевой намагниченности [21]. Для подавления циклоиды, используют различные методы, реализацией, одного из которых является частичное
замещение катионов Bi3+ изовалентными катионами редкоземельных элементов [22, 23]. Согласно современным представлениям основной причиной нарушения коллинеарности магнитных моментов катионов Fe3+ является взаимодействие Дзялошинского-Мория [24]. Поэтому также представляет интерес вариант замещения катионов Fe3+ катионами переходных металлов. При этом возможны как эффекты возникновения слабого ферромагнетизма вследствие подавления спиновой циклоиды в результате структурной модификации, так и установление ферримагнитного взаимодействия между катионами Fe и катионами переходных 3ё-металлов.
Цель работы - изучение кристаллической структуры и магнитных свойств ферритовна основе Ba-Fe-O, Bi-Fe-O, синтезированных в различных условиях, и выявление особенностей магнитных характеристик при отклонении от стехиометрии состава.
Температурные зависимости удельной намагниченности и магнитной восприимчивости изучены пондеоромоторным методом. Погрешность измерений удельной амагниченности±0,005 А-м2-кг-1, магнитной восприимчивости ±0,005- 10-8 м3кг-1 [25]. Петли магнитного гистерезиса исследованы на установке фирмы "Cryogenic LTD").
На рис.1 приведен спектр рентгенофлюорицентного анализа ферритов бария и стронция, полученных плавлением на солнечной печи.
Рис.1. Спектры рентгенофлюорицентного анализа составов BаС03+Fe203 и SrС03+Fe203 синтезированных на солнечной печи
Как видно из рис.1 по распределению значения импульсов рентгеновского излучения от мишени (материала) можно судить о стехиометрии рассматриваемого соединения. Т.е. относительное содержание компонентов позволяет судит об истинной стехиометрии рассматриваемого соединения. Например, высокотемпературные процессы по следующим химическим уравнениям
BаС03+Fe203,—BaFeO3 SrС03+Fe203 —SrFeO3
Кроме того, такие данные позволяют точно описать формулу соединения. Например, ВаРе12019 Ba3Fe2O6 Ba2Fe2O5 =BaOFeOBaFeO3, Ba7Fe10O22 = 6(BaO)4(Fe2O3)(FeO)BaFeO3 и ВаРе12019= 4(Fe2O3)4(FeO)BaFeO3 или SrFe12O19 2Sr0Fe0SrFe03-x Fe05Fe203SrFe03-x 6Sr0Fe04Fe203SrFe03-x 3Sr0Fe203SrFe03-x
Рентгенограмма сплава Ва^-О, синтезированных в БСП, представлены на рис.2
№7 Ва^е-О
10 20 30 40 50 60 70 80 90
2®, с1едгее
Рис.1.Рентгенограмма расплава Ba-Fe-O, полученного в «большой солнечной печи»
На рис. 2 представлена температурная зависимость удельной намагниченности сплава Ba-Fe-O. Присутствие примесных фаз уменьшает температуру магнитного фазового превращения от 740 К. характерного для стехиометрического ВаРе12019,до ~690 К при наличии примесных фаз BaFe15O239 и BaFe18O27 . Следует отметить, что магнитные характеристики расплава, полученного в большой солнечной печи, устойчивы к прогреву до 800 К. Зависимости а = Д(Т), полученные в режиме «нагрев-охлаждение» практически идентичные.
300
250
200
50
0
т, к
Рис.2. температурная зависимость удельной намагниченности сплава Ва^Ю.
Форма петель гистерезиса удельной намагниченности образцов (рис.3) указывает на наличие в них различных типов магнитоактивных взаимодействий: wFM, FiM и ЛБМ в магнитной подрешетке, образованной катионами Fe3+ и М3+.
о
Т (К)
Рис. 3. Магнитополевые зависимости величин удельных намагниченностей М (В) образца BiFe0.75Ni0.25O3
С целью разделения данных вкладов, петли гистерезиса моделировали с помощью уравнения, обобщенного на случай трех видов магнитных взаимодействий:
M(H) = 2М^п 1 к
H ± H
~Е
<=1 ( А' с1 1ап 1
V
2
+ ■
2М„
-1ап
к
Н ± Н
Н
1;ап
(кБ,
с2
2
+ Х е1Н
Замещение катионов Fe3+ катионами 3d металлов и редкоземельных приводит к подавлению пространственной спин-модулированной структуры и к возникновению магнитного отклика, определяемого коллективным действием различных типов магнитных взаимодействий.
Заключение
1. Синтез сплавов на основе Ва-Бе-О в большой солнечной печи НПО «Физика солнца» позволяет получать гексаферрит бария с магнитными
характеристиками пригодными для решения технических задач для изготовления защитных покрытий. .
2. Экспериментально наблюдаемый рост величины удельной намагниченности BiFe0.75Ni0.2503 по отношению к данным, полученным в номинально чистом феррите висмута связан как с подавлением циклоидальной спиновой структуры вследствие частичного замещения катионов железа катионами никеля, так и с установлением ферримагнитного обменного взаимодействия между соседними ионами Fe3+ и Ni3+. Результаты первопринципных (LSDA+U приближение DFT метода) расчетов зонной структуры позволяют утверждать, что в основном состоянии BiFe0.75Ni0.2503 является полупроводником с шириной запрещенной зоны 1.94 eV.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
A.B. Труханов, В.А. Турченко, И.А. Бобриков, C.B. Труханов, A.M. Балагуров. Кристаллография 60, 693 (2015).
S.H. Jabarov, A.V. Trukhanov, S.V. Trukhanov, A.I. Mammadov, V.A. Turchenko, R.Z. Mehdiyeva, R.E. Huseynov.Optoelectron. Adv. Mater. — Rapid Commun. 9, 468 (2015).
Y. Tokunaga, Y. Kaneko, D. Okuyama, S. Ishiwata, T. Arima, S. Wakimoto, K. Kakurai, Y. Taguchi, Y. Tokura. Phys. Rev.Lett. 105, 257 201 (2010). A. Trukhanov, L. Panina, S. Trukhanov, V. Turchenko,M. Salem. Chin. Phys. B 25, 016 102 (2016).
X. Liu, J. Wang, L.M. Gan, S.C. Ng, J. Ding. J. Magn. Magn.Mater. 184, 344 (1998). Д.В. Гуденаф. Магнетизм и химическая связь. Металлургия, М. (1968). 328 с. S. Castro, M. Gayoso, J. Rivas, J.M. Greneche, J. Mira, C. Rodr'guez. J. Magn. Magn. Mater. 152, 61 (1996).
M.H. Makled, T. Matsui, H. Tsuda, H. Mabuchi, M.K. ElMansy, K. Morii. J. Mater. Proc. Tech. 160, 229 (2005).
J.J. Went. Philips Tech. Rev. 13, 194 (1952).
E. Richter, T.J.E. Miller, T.W. Neumann, T.L. Hudson. IEEETrans. Industry Appl. 21, 644 (1985).
Q.A. Pankhurst, R.S. Pollard. J. Phys.: Condens. Mater. 5, 5457(1993).
C.В. Труханов, А.В. Труханов, Л.В. Панина, И.С. Казакевич, В.О. Турченко, В.В. Кочервинский. ПисьмавЖЭТФ103, 106 (2016).
A.V. Trukhanov, V.O. Turchenko, I.A. Bobrikov, S.V. Trukhanov, A.I. Balagurov, I.S. Kazakevich. J. Magn. Magn. Mater. 393, 253 (2015).
S.B. Narang, I.S. Hudiara. J. Ceram. Proc. Res. 7, 113 (2006).
A. Kumar, V. Agarwala, D. Singh. Progr. Electromagn. Res.29, 223 (2013).
V.N. Dhage, M.L. Mane, A.P. Keche, C.T. Birajdar, K.M. Jadhav. Physica B: Condens.
Matter 406, 789 (2011).
D. Chen, Y. Liu, Y. Li, K. Yang, H. Zhang. J. Magn. Magn.Mater. 337, 65 ((2013). С.В. Труханов, А.В. Труханов, А.Н. Васильев, Г. Шимчак.ЖЭТФ, 138, 2, 236 (2010).
G. Catalan, J.F. Scott, Physicsandapplicationsofbismuthferrite, Adv. Mater. 21 (2009) 2463-2485.
G.A. Smolenskii, I.E. Chupis, Ferroelectromagnets, Sov. Phys. Usp. 25 (7) (1982) 475-493.
I. Sosnowska, M. Loewenhaupt, W.I.F. David, R.M. Ibberson, Investigation oftheunusualmagnetic spiral arrangement in BiFeO3, Physica B 180/181 (1992) 117118.
A.P. Pyatakov, A.K. Zvezdin, Magnetoelectricmaterialsandmultiferroics, Sov. Phys. Usp. 55 (2012) 557-581.
Эрназаров, A. A. (2019). Необходимость применения систем автоматизированного проектирования при обучении студентов инженерных специальностей высших учебных заведений. Вестник науки, 1(11), 20-26.
I.A. Sergienko, E. Dagotto, Role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in multiferroicperovskite, Phys. Rev. B 73 (2006) 094434-1 - 094434-5.
Khamdamov B.I.
Associate Professor of the Department of "Electrotechnology" Jizzakh Polytechnic Institute (Jizzakh, Uzbekistan)
Nurullaev O.U.
senior lecturer of the department "Electrotechnology" Jizzakh Polytechnic Institute (Jizzakh, Uzbekistan)
FERRITES SYNTHETIZED IN A SOLAR FURNACE
Abstract: alloys based on Ba-Fe-O were synthesized in a large solar furnace of NPO "Physics of the Sun". Barium hexaferrite has been obtained with magnetic characteristics suitable for solving technical problems for the manufacture of protective coatings. The experimentally observed increase in the value of the specific magnetization of BiFe0.75Ni0.25O3 with respect to the data obtained in nominally pure bismuth ferrite is associated both with the suppression of the cycloidal spin structure due to the partial replacement of iron cations by nickel cations, and with the establishment of a ferrimagnetic exchange interaction between neighboring Fe3+ and Ni3+ ions.
Keywords: crystal structure, magnetic properties, ferrites, synthesis, solar furnace.
