Старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Михаил Платунов предложил метод повышения магнитных свойств монокристаллов путём целенаправленного замещения ионов 3d-металлов в кристаллической решётке.
Этот подход позволяет управлять магнитными характеристиками материалов, что открывает перспективы для создания нового поколения магнитов с высокой устойчивостью к размагничиванию и без использования дорогостоящих редкоземельных элементов. Такие материалы востребованы для использования в электронике, энергетике и космических технологиях.
Постоянные магниты, способные сохранять намагниченность без внешнего магнитного поля, играют критически важную роль в современных технологиях. Они используются в самых разных сферах: от электроники и устройств хранения данных до электродвигателей и генераторов ветряных турбин.
Начиная с последних десятилетий XX века магниты, изготовленные из редкоземельных металлов, таких как неодим, празеодим и диспрозий, стали стандартом благодаря их высокой энергоэффективности. Например, на один современный электромобиль требуется не менее одного килограмма постоянных неодимовых магнитов, а ветряная турбина мощностью 3 МВт содержит примерно 600—1000 килограммов магнитов, большая часть которых изготовлена на основе неодима и диспрозия.
Однако добыча редкоземельных элементов сопряжена с экологическими рисками: извлечение и переработка руды требуют использования токсичных реагентов и воды, что часто приводит к загрязнению окружающей среды. Кроме того, более 70 процентов мировых запасов редкоземельных элементов сосредоточено в Китае, что объясняется его богатыми минеральными ресурсами и относительно низкими затратами на добычу. Это делает мировую индустрию магнитов уязвимой к рыночным и геополитическим факторам.
На фоне этих вызовов растёт интерес к альтернативным материалам, свободным от редкоземельных элементов. Одним из перспективных поисковых направлений является использование модельных кристаллов со структурами различных природных минералов, например, минерала людвигита. Этот минерал, в составе которого в исходной форме преобладают магний, железо и бор, отличается сложной кристаллической структурой.
Материалы на основе людвигита известны своим сложным магнитным поведением, которое связано с нестабильностью атомов в их кристаллической структуре. Это затрудняет достижение дальнего магнитного порядка, но тем не менее точная настройка магнитных свойств возможна. Недавние спектроскопические исследования, выполненные на европейских синхротронных установках, показали, что целенаправленное замещение атомов в определённых позициях кристаллической решётки позволяет значительно улучшить магнитные характеристики этих материалов, повышая их коэрцитивное поле (характеристику, отражающую способность материала сопротивляться размагничиванию под воздействием внешнего поля).
Графическая иллюстрация, демонстрирующая способ контроля и принцип замещения ионов кобальта на ионы железа, что приводит к увеличению коэрцитивной силы
Графическая иллюстрация, демонстрирующая способ контроля и принцип замещения ионов кобальта на ионы железа, что приводит к увеличению коэрцитивной силы
«В рамках нашего исследования мы изучили влияние зарядового упорядочения атомов на магнитные свойства модельных монокристаллов кобальтового людвигита и модифицированного кобальт-железного состава, синтезированных высокотемпературным методом получения из раствора-расплава. Используя элементно-чувствительные синхротронные методы, мы исследовали то, как распределение ионов 3d-металлов влияет на магнитные свойства этих материалов, в частности, на установление дальнего магнитного порядка со значительным, даже рекордным, повышением коэрцитивной силы. Экспериментальные данные подтверждают, что взаимодействия между различными магнитными подрешётками в структуре оказывают значительное влияние на конечные характеристики материала», — рассказал кандидат физико-математических наук Михаил Платунов, автор исследования.
Проведённые эксперименты продемонстрировали, что температура магнитного перехода (точка, при которой материал переходит в новое магнитное состояние) увеличилась более чем на 70 кельвинов, что демонстрирует потенциал достижения стабильности соответствующих свойств при комнатной температуре.
Кроме того, коэрцитивное поле достигло значений выше 9 тесла при низких температурах. Для сравнения, коэрцитивное поле распространённых магнитов на основе редкоземельных элементов варьируется от 4 до 6,5 тесла при низких температурах. Это делает разработанный материал одним из наиболее устойчивых к размагничиванию среди известных магнитных систем.
«Важно также отметить, что данное исследование служит подготовительным этапом для формирования компетенций научных команд и разработки сложных синхротронных методик, которые, как мы надеемся, станут доступны в России с запуском синхротрона СКИФ в Кольцово, Новосибирская область», — добавил Михаил Платунов.