Открыт новый класс мощных магнитов без редкоземельных металлов

Американские ученые открыли новый класс мощных магнитов, в которых нет редкоземельных или драгоценных металлов. Этот прорыв может значительно ускорить развитие технологий чистой энергии, а также потребительской электроники, такой как двигатели, робототехника, аппараты МРТ, системы хранения данных и смартфоны.

Главный параметр ферромагнетика — способность магнитных доменов в нем «предпочитать» определенное направление. Это свойство называется магнитной анизотропией. Сегодня материалы с наибольшей анизотропией для постоянных магнитов в значительной степени зависят от редкоземельных элементов, которые дороги, наносят вред окружающей среде при добыче, а их поставки уязвимы к сбоям и геополитической нестабильности. Для тонкопленочных применений, например, в магнитной записи нового поколения, часто используют сплавы железа и платины. Поэтому поиск эффективных альтернатив из числа широкодоступных элементов стал важной научной и технологической задачей.

Бор и переходные металлы

В Джорджтаунском университете недавно изучили новый тип мощных магнитов на основе высокоэнтропийных боридов. Эти соединения не содержат ни редкоземельных, ни драгоценных металлов, а только широко доступные переходные металлы и бор.

«Мы предлагаем экологически устойчивый подход к созданию мощных магнитов, которые могут найти применение в самых разных областях — от носителей информации будущего до постоянных магнитов. Что еще важнее, это дает возможность снизить зависимость от критически важных материалов при производстве магнитов и других устройств», — пояснил профессор Лю Кай с факультета физики, один из старших авторов исследования.

Высокоэнтропийные сплавы — это материалы, содержащие пять или более элементов в примерно равных пропорциях. В последнее время они стали мощной платформой для открытия новых материалов. Их огромное композиционное пространство позволяет получать новые электронные структуры и свойства. Однако большинство исследований таких сплавов сосредоточено на химически неупорядоченных кубических структурах, которые плохо подходят для создания сильной магнитной анизотропии, требующей меньшей симметрии кристаллов.

Это ограничение исследователи преодолели, сфокусировавшись на высокоэнтропийных боридах, в которых бор способствует химическому упорядочиванию и формированию структур с пониженной симметрией. Они выбрали кристаллическую структуру с тетрагональной симметрией, похожую на куб, вытянутый вдоль одной из сторон, которую назвали фазой C16. Эта структура характерна для боридов, состоящих из двух или трех элементов, но почти не изучена в более сложных материалах.

Для изучения свойств материалов разные их виды напыляли на нагретую подложку. Результатами исследования ученые поделились на страницах журнала Advanced Materials.

• Открытие нового класса сильных магнитов. Команда впервые получила высокоэнтропийные бориды в структуре C16, используя доступные 3d-переходные металлы (из первого ряда d-блока периодической таблицы), создав тем самым новый класс упорядоченных высокоэнтропийных магнитных материалов.
• Усиление анизотропии за счет химического смешивания. Путем введения нескольких 3d-переходных металлов и систематического изучения состава с помощью комбинаторного распыления исследователи добились улучшения магнитных свойств материала.
• Рекордные показатели без редкоземельных элементов. Новые пятикомпонентные составы боридов демонстрируют сильную магнитную анизотропию, близкую к показателям редкоземельных постоянных магнитов и превосходящую ранее зарегистрированные значения для безредкоземельных высокоэнтропийных материалов.
• Согласованость теории и эксперимента. Расчеты в рамках теории функционала плотности подтвердили экспериментальные тенденции и показали, что причина усиления анизотропии кроется в оптимизированной электронной структуре, в частности, в концентрации валентных электронов и эффективном магнитном моменте.

Области применения

По мнению изобретателей, их материалы особенно перспективны для применений, требующих высокой анизотропии, таких как:

• носители для термомагнитной записи,
• спинтроника и туннельные магнитные переходы,
• недорогие мощные магниты.

Помимо магнетизма, работа показала огромный и в значительной степени неисследованный потенциал упорядоченных высокоэнтропийных материалов как платформы для открытия новых функциональных свойств.