Новые материалы улучшат датчики для «умного дома»

Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International. Современные здания оборудованы системами противопожарной безопасности. Благодаря «умному дому» при входе человека в помещение автоматически включается свет и климат-контроль. Бесперебойную работу названной электронной продукции обеспечивают входящие в ее состав датчики. Так именуют устройства, которые фиксируют изменения определенного параметра среды: влажности, давления, концентрации веществ — и преобразуют их в электрический сигнал.

Для усовершенствования электроники необходимы новые функциональные материалы, в первую очередь магниты. Уникальными магнитными свойствами обладают ферриты — сложные оксиды трехвалентного железа и других металлов. Внедрение в структуру ферритов различных элементов, так называемое допирование, является перспективным способом повышения их эксплуатационных характеристик.

Коллектив российских ученых разработал метод получения и прогнозирования эксплуатационных характеристик галлий-замещенного гексаферрита бария BaFe11GaO19. Сначала ученые смешали реагенты: карбонат бария и оксиды трехвалентного железа и галлия — в количественном соотношении, необходимом для химического превращения. Смесь тонко измельчили в агатовой ступке и спрессовали в таблетки диаметром 25 миллиметров. Затем их постепенно нагрели до 1400°C, увеличивая температуру на 200°C в час. Синтез проводили в течение пяти часов. После чего образцы охладили в печи до комнатной температуры. Преимуществом описанного твердофазного синтеза является легкое внедрение в производство и масштабирование.

Рисунок 1. Рентгенограммы образцов недопированного и галлий-замещенного гексаферрита бария.
Скорость сканирования — 5°/мин / © S.A. Gudkova et al., Ceramics International

Для исследования структуры полученных образцов ученые применяли дифракционный структурный анализ, нейтронографию и мессбауэровскую спектроскопию. Рельеф поверхности образцов изучали методом сканирующей электронной микроскопии, а магнитные свойства оценивали на магнитометре.

С помощью рентгеновского дифрактометра были сняты рентгенограммы полученных образцов. Рассеивание рентгеновских лучей электронной оболочкой атомов изучаемых соединений позволило наблюдать дифракционную картину. Расположение и ширина пиков на ней указывают на однофазность материалов, иными словами, на однородность по составу и строению. Допирование образца галлием привело к изменению интенсивности излучения, что отразилось на форме пиков рентгенограммы, но появление новых пиков зафиксировано не было.

Установлено, что кристаллическая решетка синтезированных образцов гексагональная, как у природного минерала магнетоплюмбита. Элементарная ячейка из 64 атомов представляет собой шестиугольную призму. Она образована тетраэдрами и октаэдрами, расположенными таким образом, что каждая вершина одного тетраэдра и трех октаэдров является общей.

Поверхность материала ученые исследовали сканирующим электронным микроскопом. Прибор предназначен для формирования увеличенного изображения изучаемого объекта за счет регистрации сигналов, возникающих при подаче на объект пучка электронов, сфокусированных электромагнитным полем. Установлено, что на поверхности образцов расположены скопления агломератов из шестиугольных призм размером 10-50 мкм, также есть участки из более мелких частиц. Замещение железа галлием искажает кристаллическую решетку кристаллов и влияет на строение частиц.

«Замещение железа галлием в структуре гексаферрита бария почти в 20 раз снижает температуру Кюри, — сказала Светлана Гудкова, заместитель заведующего лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ. — Благодаря этому синтезированный нашей командой материал можно использовать при изготовлении датчиков, устанавливаемых даже в живых системах».

Надо отметить, что температура Кюри исходного гексаферрита бария составляет 457°C. Следовательно, ниже этого значения фазовое состояние и магнитные свойства соединения изменяться не будут, и срабатывание датчика тоже не произойдет. Узкий диапазон рабочих температур резко ограничивает применение датчиков.

При определенных условиях модифицирования ферритов температура Кюри может быть снижена до комнатной. Наибольшего эффекта ученые достигли, когда в качестве допантов использовали p-элементы с большим ионным радиусом, в частности галлий. Эти элементы занимают определенное положение в кристаллической решетке, не изменяя ее, но оказывая влияние на магнитные свойства ферритов.

В синтезированном кристалле 12k позиция железа в окружении кислорода, образующего октаэдр, наиболее благоприятна для замещения, поэтому галлий занимает именно ее. Ученые определили это, работая на мессбауэровском спектрометре. Принцип действия оборудования основан на эффекте Мессбауэра, то есть явлении испускания или поглощения гамма-излучения исследуемым веществом без потери энергии на отдачу ядра.

Рисунок 2. Кристаллическая решетка недопированного (слева) и галлий-замещенного гексаферрита бария (справа). Плоскости проведены через позиции замещения / © S.A. Gudkova et al., Ceramics International

«Нашей научной группой накоплены результаты исследований в области синтеза и изучения ферритов, использование которых позволяет целенаправленно выбирать составы под требования конкретных приложений, в частности, можно выбрать феррит с определенным интервалом рабочих температур, — заключил Денис Винник, заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ — Это, в свою очередь, открывает возможности для выхода на новый этап прикладных исследований, а именно разработку датчиков на основе магнитов с заданными рабочими характеристиками».