В последнее время материалы с магнитными свойствами привлекают внимание в связи с возможностью их потенциального использования в современных технологиях. Железосодержащие гранаты и шпинели с подрешетками с неэквивалентными и антиферромагнитно направленными спинами представляют собой два наиболее важных класса данного типа материалов [5]. Ферримагнитные редкоземельно-железные гранаты с общей формулой R3Fe5O12 описываются как уникальная группа материалов, с особыми магнитными и магнитно-оптическими свойствами. Такие свойства позволяют применять материалы из этих веществ в различных устройствах. Ферримагнетики используются в пассивных микроволновых устройствах в качестве изоляторов, распространителей волн, сместителей фаз и миниатюрных антенн, работающих в широком диапазоне частот (от 1 до 100 ГГц), а так же как магнитные запоминающие устройства [6-8]. Нанокристаллические образцы гадолиний-железного граната, полученные с помощью микроволнового гидротермального метода, могут применяться как распространители волн, оптические изоляторы, а так же в волоконных системах связи [9,10]. Диспрозий-железные гранаты применяются при производстве телевизионных экранов и запоминающих устройств, благодаря своему выраженному магнитооптическому эффекту Фарадея.
Гранаты с общей формулой R3Fe5O12 принадлежат к пространственной группе Ia3¯d, чья структура включает три типа кристаллографических позиций: додекаэдрическая позиция 24 c, которую занимают ионы R3+; октаэдрическая позиция 16 a, занимаемая двумя ионами Fe3+ и тетраэдрическая позиция 24 d, занимаемая тремя ионами Fe3+, указанными в общей формуле. Магнитные моменты ионов Fe3+ в октаэдрических и тетраэдрических позициях являются попарно антиферромагнитными, и их суммарный магнитный момент является антипараллельным магнитному моменту ионов редкоземельных элементов в позициях c. Магнитное взаимодействие между ионами Fe3+ в позициях 16 a и 24 d является сильным и преобладает при температурах выше 150 К. Однако, при температурах ниже 70 К оно ослабевает, в то время как магнитное взаимодействие между ионами R3+ в позициях 24c и ионами Fe3+ в позициях 24d становится значительным [11].
Для получения редкоземельно-железных гранатов может использоваться большое количество методов, среди которых реакции в твердой фазе, методы соосаждения, гидротермальный синтез, синтез золь-гель методом, низкотемпературное выращивание кристаллов в жидкой фазе (жидкофазная эпитаксия) и импульсное лазерное напыление. От технологии синтеза при получении частиц с магнитными свойствами зависят их свойства [12]. Магнитные свойства, такие как коэрцитивная сила, Hc, и намагниченность, Ms, зависят от морфологии и микроструктуры материалов [12]. Например, при уменьшении размера частиц наблюдается увеличение коэрцитивной силы [13]. Такие характеристики как намагниченность, температура Нееля (TN) и коэрцитивная сила определяют области практического применения данных материалов. Большое значение временной намагниченности, умеренное значение коэрцитивной силы, близкая по форме к квадрату петля гистерезиса - эти показатели делают данные материалы пригодными к применению в устройствах записи.
Синтез золь-гель методом имеет следующие преимущества перед другими способами получения гранатов: более низкая температура реакции, более высокая гомогенность и высокий уровень контроля свойств получаемого продукта. В современных работах используется водный золь-гель метод получения редкоземельно-железных гранатов R3Fe5O12 (R=Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), при этом выбор разных температур завершающего отжига позволяет получить индивидуальные фазы целевых соединений. Недавно была впервые получена серия такого типа материалов по водному золь-гель методу и установлены зависимости между микроструктурой, составом и магнитными свойствами изучаемых веществ.
Список литературы
1. М.И.Пыляев. «Драгоценные камни, их свойства, местонахождения и употребления». — третье, значительно дополненное. — СПб.: А.С.Суворина, 1896. — 406 с.
2. С.Ахметов. «Беседы о геммологии». — М.: «Молодая гвардия», 1989. — 237 с. — ISBN 5-235-00499-X.
3. акад. А.Е.Ферсман, «Рассказы о самоцветах», издание второе. - Москва: «Наука». – 1974 год, 240 стр.
4. Sim, S.M.; Keller, K.A.; Mah, T.I. (2000). "Phas formation in yttrium aluminum garnet powders synthesized by chemical methods.". Journal of Materials Science. 35: 713–717. Bibcode:2000JMatS..35..713S. doi:10.1023/A:1004709401795.
5. G.-Y. Zhang, X.-W. Xu, T.-C. Chong, Faraday rotation spectra of bismuth- substituted rare-earth iron garnet crystals in optical communication band, J. Appl. Phys. 95 (2004) 5267–5270
6. Ü. Özgür, Y. Alivov, H. Morkoç, Microwave ferrites, part 1: fundamental properties, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 20 (2009) 789–834
7. F. Grasset, S. Mornet, J. Etourneau, H. Haneda, J.L. Bobet, Effects of ball milling on the grain morphology and the magnetic properties of Gd3Fe3Al2O12 garnet compound, J. Alloy. Compd. 359 (2003) 330–337
8. T. Ramesh, R.S. Shinde, S.R. Murthy, Nanocrystalline gadolinium iron garnet for circulator applications, J. Magn. Magn. Mater. 324 (2012) 3668–3673
9. T. Ramesh, R.S. Shinde, S.R. Murthy, Nanocrystalline gadolinium iron garnet for circulator applications, J. Magn. Magn. Mater. 324 (2012) 3668–3673
10. G.-Y. Zhang, X.-W. Xu, T.-C. Chong, Faraday rotation spectra of bismuth- substituted rare-earth iron garnet crystals in optical communication band, J. Appl. Phys. 95 (2004) 5267–5270
11. D. Petrov, Lattice enthalpies and magnetic loops in lanthanide iron garnets, Ln3Fe5O12, J. Chem. Thermodyn. 87 (2015) 136–140
12. D.L. Leslie-Pelecky, R.D. Rieke, Magnetic properties of nanostructured materials, Chem. Mater. 8 (1996) 1770–1781
13. B. Xavier, L. Amílcar, Finite-size effects in fine particles: magnetic and transport properties, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) R15