Создание инновационных материалов — одно из наиболее значимых направлений современной науки. Активное развитие Индустрии 4.0 требует новых свойств от составляющих элементов электроники. В рамках этого направления реализуются исследования ученых Южно-Уральского государственного университета. Лаборатория роста кристаллов ЮУрГУ занимается модифицированием свойств и структуры ферритов, представляющих собой оксиды железа с оксидами других металлов. Эта задача осуществляется путем внедрения в структуру гексаферрита бария других химических элементов для получения новых рабочих характеристик материала.
Одна из последних научных статей, посвященных данной теме, опубликована в конце 2017 года в высокорейтинговом журнале Ceramics International, индексируемом базами данных Scopus и Web of Science. Среди авторов статьи – сотрудники лаборатории: кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Научно-практического центра Национальной академии наук Беларуси по материаловедению Алексей Труханов; кандидат технических наук, заведующий Лабораторией роста кристаллов Денис Винник; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории роста кристаллов Светлана Гудкова.
.jpg)
Тематика и количество публикаций по теме гексаферритов бария по данным Scopus
Позиции железа и новые свойства материалов
«Особенность кристаллической структуры ферритов в том, что она имеет 5 различных позиций железа в кристаллической решетке. Именно это позволяет модифицировать структуру и свойства материала в достаточно широких пределах. Структура исходного материала меняет свои свойства при внедрении других элементов, и это расширяет возможности его использования. Таким образом, путем изменения химического состава мы можем модифицировать рабочие характеристики материала. Нами было исследовано размещение индия по позициям замещающего элемента», — рассказывает заведующий Лабораторией роста кристаллов Денис Винник.
Особый интерес для ученых представляет то, какая из позиций железа в решетке гексаферрита бария наиболее предпочтительна для нового элемента: от структуры модифицированного материала зависят его свойства. В настоящее время определены кристаллографические позиции, которые займет индий. Ведутся работы в направлении исследования СВЧ-характеристик и изучения природы других разнообразных свойств ферритов.
.jpg)
Кристаллическая структура гексагонального феррита М-типа (тип магнетоплюмбита)
«Наш интерес к бариевым ферритам обусловлен их высокими функциональными свойствами, — объясняет Алексей Валентинович. — Химическая стабильность и коррозионная стойкость делает эти материалы экологически безопасными и годными к применению практически без ограничений во времени. Гексаферриты обладают превосходными магнитными параметрами. Низкая удельная электропроводность позволяет применять гексаферритовые магниты при наличии высокочастотных магнитных полей, что перспективно для микроэлектроники. Сейчас данный материал имеет большой потенциал в поглощении электромагнитного излучения (ЭМИ) в микроволновом диапазоне. Таким образом, гексаферриты находят применение в микроволновых технологиях, а также при передаче данных, защите от волнового воздействия на высоких частотах».
Другие проекты и «палитра» химических элементов
«Мы работаем с широкой «палитрой» химических элементов: это вольфрам, алюминий, титан, марганец, кремний и др. Нас интересует, как влияют на свойство материала такие замещения, — отмечает Светлана Александровна. — Сейчас работаем с германатом свинца. Кроме того, мы занимаемся изучением физических характеристик, поведения при высоких температурах гексаферрита бария, замещенных свинцом. При нагреве до определенной температуры образец начинает сжиматься — это довольно необычное явление. В рамках данного эксперимента производилось измерение коэффициента линейного расширения, и получились интересные зависимости. Есть материалы с отрицательным или нулевым коэффициентом расширения, они практически не меняют размеров при нагреве. Это важно при экстремальных температурах, так как даже в обычных условиях некоторые электронные детали перегреваются».
Квантовый компьютер и другие возможности применения
Гексаферрит бария с замещением свинцом — одно из направлений деятельности Лаборатории роста кристаллов. На сегодняшний день ученым удалось вырастить монокристаллы с низкой плотностью дефектов. Они могут применяться в качестве рабочих элементов устройств электроники. Потенциально материал может найти применение при создании квантового компьютера, имеющего самую высокую производительность среди существующих вычислительных устройств.
Следует отметить, что разработка новых магнитных материалов в XXI веке позволит создавать элементы памяти с высоким быстродействием, а также значительным объемом и надежностью. Данный класс материалов обладает большими перспективами, и это лишь некоторые из потенциальных возможностей их применения.
