ЛЮТЕЦИЙСОДЕРЖАЩИЙ СПИН-СТЕКОЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
LUTETIUM-CONTAINING SPIN-GLASS MAGNETIC MATERIAL

Изобретение относится к области изготовления новых спин-стекольных материалов, которые могут быть полезны для развития магнитных информационных технологий и химической промышленности.
2
2
7
1
Известно монокристаллическое четырехкомпонентное оксидное соединение BaFeGeO [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 P42m, и синтезированное методом раствор-расплавной кристаллизации.
Данное соединение характеризуется сложностью технологического процесса синтеза монокристаллов.
2
7
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является оксидное соединение SmFeTiO, 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.
3+
Техническим результатом изобретения является получение нового четырехкомпонентного оксидного материала, содержащего немагнитный редкоземельный ион Lu 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».
2
7
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
Способ получения спин-стекольного материала LuFeTiO представляет собой синтез реакцией в твердой фазе. В качестве исходных компонентов используются оксиды FeO, TiO и LuO. Используется следующее соотношение исходных соединений, масс.%: FeO - 18,21, LuO - 45,37 и TiO - 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.
2
7
Химический и фазовый состав полученных образцов контролируется методом рентгеноструктурного анализа. Содержание элементов в лютецийсодержащем спин-стекольном материале показано в табл.2. Основные кристаллографические характеристики LuFeTiO 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:
2
7
Из экспериментальных данных следует, что полученный материал (LuFeTiO) характеризуется "беспорядком" в распределении ионов железа по кристаллографическим позициям (табл.4), что характерно для соединений со спин-стекольным магнитным состоянием.
f
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=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.
2
7
2
7
Синтезированный новый магнитный материал, отвечающий формуле LuFeTiO, расширяет ряд материалов с магнитным состоянием спинового стекла, формируемого ионами одного сорта, что способствует более глубокому пониманию физики спин-стекольных состояний в системе RFeTiO, 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 LuFeTi<sub>2</sub>O<sub>7</sub> 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, Å<sup>3</sup>
967.61(2)
Z
8
D<sub>x</sub>, г/см<sup>3</sup>
6.069
η, мм<sup>-1</sup>
92.808
2θ-интервал, °
5-140
Число рефлексов
927
Число уточняемых параметров
74
R<sub>wp</sub>, %
2.011
R<sub>exp</sub>, %
0.642
R<sub>p</sub>, %
1.862
GOF(χ)
3.134
Таблица 4
Координаты атомов, заселенности позиций р и тепловые параметры B<sub>iso</sub>
Атом
Кратность позиции
X
Y
Z
P
Biso, Å<sup>2</sup>
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)