Магнитный материал на основе кобальтита неодима

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТИТА НЕОДИМА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Лобановский Леонид Сергеевич Троянчук Игорь Олегович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Магнитный материал на основе кобальтита неодима, отличающийся тем, что его химический состав соответствует формуле 2, гдесоставляет 5,70-5,74. Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к магнитным материалам на основе сложных оксидов кобальта со структурой перовскита. В связи с потребностями микроэлектроники актуальна проблема создания и использования новых материалов, обладающих одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами, - магнитных полупроводников. Они необходимы для создания головок магнитной записи, высокочувствительных датчиков магнитного поля и т.д. Одним из основных параметров, характеризующих магнитные материалы, является величина намагниченности. Практическое использование магнитных полупроводников сдерживается тем, что нередко для намагничивания необходимы сильные магнитные поля. Поэтому поиск новых оксидных соединений, обладающих высокой намагниченностью в достаточно слабых магнитных полях, является актуальным. Для редкоземельных кобальтитов намагниченность и температура Кюри существенно зависят от состава и условий получения. Магнитные свойства таких соединений в значительной степени определяются структурными особенностями элементарной ячейки. Среди магнитных материалов известна система слоистых перовскитов 25(Ередкоземельный ион, 01), где при определенном содержании кислорода возникает чередование слоев / (01) и специфическое упорядочение кислородных вакансий. При 0 формируется цепочка противоположно ориентированных квадратных пирамид СоО 5 вместо октаэдров СоО 6 в стехиометрических перовскитах с 1, а изменение координации ионов кобальта приводит к изменению их спинового со 10239 1 2008.02.28 стояния. Таким образом, меняя содержание кислорода в этих соединениях, можно влиять на спиновое состояние ионов кобальта и магнитные свойства кобальтитов. Важную роль в формировании магнитных свойств кобальтитов со структурой перовскита играет замещение в А-подрешетке. Так, в 25,5 ионы Со 3 в октаэдрах 6 находятся в низкоспиновомсостоянии, а в пирамидах 5 - в промежуточномсостоянии в температурных областях существования как ферромагнитной фазы(260 Т 280 К), так и антиферромагнитной (250 Т 260 К). Магнитные моменты ионов Со в обеих фазах образуют неколлинеарную структуру 1. В то же время для ВаСо 2 О 5 в двух различных антиферромагнитных фазах (зарядово разупорядоченной при 250 КТ 360 К и зарядово-упорядоченной при Т 250 К) все ионы Со находятся в высокоспиновомсостоянии и их магнитные моменты образуют магнитную структуру -типа. Магнитными свойствами редкоземельных кобальтитов можно управлять, повышая содержание кислорода. Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является магнитный материал на основе кобальтита неодима с частичным замещением неодима барием. Нейтронографическое исследование монокристаллического соединения 25,5 установило при снижении температуры наличие магнитных переходов при Т 170 К и затем при Т 30 К, причем обе антиферромагнитные структуры относятся к -типу, но отличаются спиновым состоянием ионов Со 3 при разной их координации промежуточное в октаэдрах и высокоспиновое в пирамидах 2. По своей сущности этот материал наиболее близок к заявляемому техническому решению и выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого технического решения является то, что в обоих случаях в качестве функционального материала для изготовления магнитного материала используется кобальтит неодима с частичным замещением ионовионами Ва. К недостаткам указанного материала следует отнести невысокую намагниченность (магнитный момент полученного магнитного материала 25,5 не превышает 0,4 Б на ион кобальта даже в сильных магнитных полях до 50 кЭ, что затрудняет его использование в приборах без специальных источников сильного магнитного поля), а также дорогостоящая техника и многоступенчатая сложная технология получения магнитного материала, а также необходимость в источниках сильных магнитных полей при использовании в устройствах микроэлектроники. Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка магнитного материала на основе кобальтита неодима с частичным замещением ионовионами Ва с повышенной намагниченностью для использования в устройствах микроэлектроники, обладающего повышенной намагниченностью и не требующего при использовании сильных магнитных полей. Поставленная задача решается созданием магнитного материала на основе кобальтита неодима. Новым является то, что его химический состав соответствует формуле 2, гдесоставляет 5,70-5,74. Сущность изобретения заключается в том, что магнитный материал на основе кобальтита неодима содержит повышенное количество кислорода, в результате чего меняется координация ионов кобальта, кристаллическая структура перовскита характеризуется упорядоченным послойным расположением ионов / и кислородных полиэдров СоОх,что приводит к формированию новой кристаллографической фазы 25,75 с упорядочением кислородных вакансий в позиции 1 с (0, 0, 1/2) и катионным соотношением 1-1-25,75 3, изменению спинового состояния ионов кобальта и, как следствие, к изменению характера обменных взаимодействий и переходу от одного магнитного состояния к другому, при этом намагниченность повышается более чем вдвое в слабых магнитных полях 4, что позволяет использовать его в устройствах записи и считывания информации, ра 2 10239 1 2008.02.28 ботающих при низких температурах без громоздких источников сильных магнитных полей. Для достижения поставленной цели предлагается магнитный материал на основе манганита неодима с частичным замещением в исходной шихте ионовионами Ва с общей химической формулой 2, отличающийся тем, что содержание кислорода составляет 5,70-5,74, в результате чего изменяются координация и спиновое состояние ионов кобальта в кислородных полиэдрах, характер обменных взаимодействий и магнитное состояние, а в результате повышается намагниченность магнитного материала более чем вдвое при наложении магнитных полей, меньших более чем в тысячу раз по сравнению с прототипом, что позволяет использовать его в устройствах записи и считывания информации, работающих при низких температурах без громоздких источников сильных магнитных полей. Таким образом, при использовании заявляемого технического решения достигается повышение намагниченности магнитного материала более чем вдвое при уменьшении эксплуатационных затрат за счет отказа от громоздких источников сильных магнитных полей. Перечисленные особенности заявляемого магнитного материала на основе кобальтита неодима являются существенными отличиями по сравнению с прототипом, так как их отсутствие не позволяет достичь поставленной цели - разработать магнитный материал на основе кобальтита неодима с более высокой намагниченностью для использования в приборах, работающих при низких температурах без источников сильных магнитных полей. Пример конкретного осуществления. Образцы 25,72 синтезируются на воздухе в два этапа методом твердофазных реакций из оксидов соответствующих элементов, взятых в стехиометрическом соотношении. Сначала образцы обжигаются при температуре 1000 С с последующим медленным охлаждением и помолом после обжига. Синтез проводился при температуре и 1100 С. Медленная скорость охлаждения (менее 20 С/ч) от температуры синтеза и выдержка при 250 С в течение 24 часов способствовали насыщению соединения кислородом свыше коэффициента 5,70-5,74. Полученные таким образом образцы характеризуются орторомбически искаженной структурой перовскита при комнатных температурах с параметрами элементарной ячейки(7,7804 ,7,8001 ,7,6052) (пространственная группа Рттт) 3. Параметр а элементарной ячейки 25,72 удвоен по сравнению с прототипом, что обусловлено упорядочением кислородных вакансий в позиции 1 с (0, 0, 1/2) пространственной группы Рттт 3. Такой тип кристаллографического упорядочения позволяет рассматривать состав 25,72 как индивидуальное соединение с новой кристаллической структурой с катион-анионным упорядочением 1-1-2-5,75. Доказательства упорядочения катионов 3 и Ва 2 в чередующихся плоскостях, перпендикулярных оси с, и предпочтительное формирование кислородных вакансий в плоскости, содержащей редкоземельные ионы в позициях 1 с с координатами (0, 0, 1/2),получены методами дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Полученный материал обладает при 5 К магнитным моментом 0,70 Б/формульную единицу в поле до 15 кЭ,что в 2-3 раза больше, чем у прототипа, при использовании которого требуются в 5 раз более сильные магнитные поля. Состав Спонтанная намагниченность при температуре 5 К (Б/ф. ед.) 0,26 0,70 Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемый магнитный материал на основе кобальтита неодима позволяет получить магнитный материал с повышенной намагниченностью в слабых магнитных полях при низких температу 3 10239 1 2008.02.28 рах. В то время как при использовании старого способа полученный магнитный материал имел намагниченность в 2-3 раза меньшую, при этом требовалось использование в 5 раз более сильных магнитных полей, что не позволяло его использовать в приборах, работающих без мощных источников магнитного поля. Источники информации 1.М.,.,Т.,Т.,.,К. . . . . 72. 2003. - . 1729. 2..,.,.,.,.,., . . . . 73. - 2004. Р. 2857. 3. Лобновский Л.С., Троянчук И.О. Письма в ЖЭТФ 82. - 2005. - С. 814. 4. Лобновский Л.С., Троянчук И.О., Чобот А.Н., Шимчак Г. Актуальные проблемы физики твердого телаСборник докладов международной научной конференции 26-28 октября, 2005. - Мн. Беларусь, 2005. - С. 197. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4