Ученые получили магнитный нанопорошок для 6G-технологий

Материаловеды разработали быстрый метод получения эпсилон-оксида железа и продемонстрировали его перспективность для применения в устройствах связи нового поколения. Выдающиеся магнитные свойства делают его одним из самых желанных материалов, например для устройств связи грядущего поколения 6G и для высоконадежных приборов магнитной записи. Работа опубликована в журнале Королевского химического сообщества Journal of Materials Chemistry C.

Рисунок. Кристаллические структуры оксидов железа (III). Предоставлен Евгением Горбачевым

Оксид железа (III) является одним из самых распространенных оксидов на планете. Чаще всего он встречается в виде минерала гематита (или альфа-оксида железа, α-Fe2O3). Другой стабильной и распространенной модификацией является маггемит (или гамма-модификация, γ-Fe2O3). Первый материал широко используется в промышленности как красный пигмент, а второй — в качестве среды для магнитной записи. Обе модификации отличаются не только кристаллической структурой (альфа-оксид железа имеет гексагональную сингонию, а гамма-оксид — кубическую), но и магнитными свойствами

Помимо этих форм оксида железа (III), существуют более экзотические модификации, например эпсилон-, бета-, дзета- и даже аморфная. Наиболее привлекательной фазой является именно эпсилон-оксид железа, ε-Fe2O3. Данная модификация обладает экстремально высокой коэрцитивной силой (способностью материала сопротивляться внешнему магнитному полю). Сила достигает 20 кЭ при комнатной температуре, что сравнимо с параметрами магнитов на основе дорогостоящих редкоземельных элементов. Кроме того, данный материал поглощает электромагнитное излучение в субтерагерцовом диапазоне частот (100–300 ГГц) за счет эффекта естественного ферромагнитного резонанса.Частота такого резонанса является одним из критериев для применения материалов в устройствах беспроводной связи — 4G-стандарт использует мегагерцы, а 5G — десятки гигагерц. Субтерагерцовый диапазон планируется использовать в качестве рабочего в беспроводных технологиях шестого поколения (6G), которое готовится к активному внедрению в нашу жизнь с начала 2030-х годов.

Полученный материал применим для производства преобразующих или поглощающих устройств на данных частотах. Например, с использованием композитных нанопорошков ε-Fe2O3 можно будет делать краски, поглощающие электромагнитные волны, и таким образом экранировать помещения от посторонних сигналов и защищать сигнал от перехвата извне. Сам же ε-Fe2O3 можно применять в устройствах приема 6G-сигнала.

Эпсилон-оксид железа — чрезвычайно редкая и трудная в получении форма окиси железа. На сегодня его получают в очень малых количествах, причем сам процесс получения занимает до месяца. Конечно, в такой ситуации речь о широком применении не идет. Авторы исследования разработали методику ускоренного синтеза эпсилон-оксида железа, которая позволяет сократить время синтеза до одного дня (то есть проводить полный цикл более чем в 30 раз быстрее!) и увеличить количество получаемого продукта. Методика проста в воспроизведении, дешева и может быть легко внедрена в промышленность, а необходимые для проведения синтеза материалы — железо и кремний — являются одними из самых распространенных на Земле элементов.

«Несмотря на то, что фаза эпсилон-оксида железа была получена в чистом виде сравнительно давно, в 2004 году, из-за сложного синтеза она до сих пор не находит промышленного применения, например в качестве среды для магнитной записи информации. Нам же удалось значительно упростить технологию», — говорит Евгений Горбачев, аспирант факультета наук о материалах МГУ и первый автор работы.

Фото. Авторы эксперимента Людмила Алябьева и Евгений Горбачев в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ

Ключом к успешному применению материалов с рекордными характеристиками является исследование их фундаментальных физических свойств. Без подробного изучения материал может быть незаслуженно забыт на долгие годы, как это уже не раз происходило в истории науки. Именно тандем материаловедов из МГУ, которые синтезировали соединение, и физиков из МФТИ, подробно его изучивших, стал залогом успешной разработки.

«Материалы со столь высокими частотами ферромагнитного резонанса имеют огромный потенциал для практических применений. Сегодня происходит бурное развитие терагерцовых технологий: это Интернет вещей, это сверхбыстрая связь, это научные приборы более узкого применения, это медицинские технологии нового поколения. Столь нашумевший в последний год стандарт связи 5G оперирует частотами в десятки гигагерц, мы же с нашими материалами открываем перспективы для перехода к существенно более высоким частотам (сотни гигагерц), то есть имеем дело уже со стандартами 6G и выше. Теперь дело за инженерами, мы с удовольствием делимся с ними полученной информацией и с нетерпением ждем возможности подержать в руках свой 6G-телефон», — отмечает Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, где проводились терагерцовые исследования.

Редакция посчитала разработку настолько важной, что вынесла иллюстрацию к статье на обложку 19-го номера журнала Королевского химического общества Journal of Materials Chemistry C. На рисунке показано изменение частоты поглощения частицами различных размеров.