Исследование магнитных и структурных свойств ферритов BaFe12 – xCuxO19, полученных методом гидротермального синтеза

Гексагональные ферриты М-типа (в частности, BaFe₁₂O₁₉) — магнитные материалы, на функциональные характеристики которых влияют как химический состав, так и технология изготовления. В работе представлены результаты исследования магнитных и структурных свойств гексаферритов BaFe_{12 – x}Cu_xO₁₉ (x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4), полученных методом гидротермального синтеза, при частичном замещении железа медью. Состав синтезированных образцов анализировали с помощью рентгенофазового анализа, магнитные характеристики измеряли с помощью вибрационного магнитометра. Установлено, что коэрцитивная сила исследуемых порошков зависит от концентрации меди немонотонно и принимает максимальное (5629 Э) и минимальное (4698 Э) значения при x = 0 и x = 0,2. То есть присутствие меди принципиально снижает коэрцитивную силу, но при этом ее значения остаются довольно высокими относительно результатов аналогичных исследований. С ростом x намагниченность насыщения полученных ферритов постепенно снижается (с 65,88 до 60,75 А · м²/кг при x = 0 и x = 0,4 соответственно). Распределение Cu по подрешеткам феррита исследовали с использованием мессбауэровской спектроскопии. Показано, что в структуре гексаферрита ионы меди предпочтительно занимают позиции 12k и 4f₁. Из этого следует, что снижение намагниченности насыщения с ростом х скорее всего обусловлено наличием побочных немагнитных фаз, наблюдаемых на рентгеновских дифрактограммах. Выявлено также, что в процессе синтеза медь участвует в образовании на поверхности зерен гексаферрита легкоплавких фаз, способствующих агломерации частиц. Это значит, что полученные порошки потенциально можно спекать при пониженных температурах и, следовательно, без существенного увеличения размеров кристаллитов. Коэрцитивная сила при этом сохраняет исходные высокие значения. Полученные результаты могут быть использованы при создании ферритовых постоянных магнитов с улучшенными характеристиками.

1. Townes W. D., Fang J. H., Perrotta A. J. The crystal structure and refinement of ferrimagnetic barium ferrite, BaFe12O19 / Z. Kristallogr. Krist. 1967. Vol. 125. N 1 – 6. P. 437 – 449. DOI: 10.1524/zkri.1967.125.16.437

2. Chao L., Fu E., Koomson V., Afsar M. Millimeter wave complementary metal-oxide-semiconductor on-chip hexagonal ferrite circulator / J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115. N 17. P. 17E511. DOI: 10.1063/1.4864136

3. Akkapanthula S., Kagita S., Voma U. Microstrip-line-based K-band isolator and Ku-band phase shifter with barium hexa ferrite disc / Microw. Opt. Technol. Lett. 2024. Vol. 66. N 1. P. e33974. DOI: 10.1002/mop.33974

4. Tahanian H., Aliahmadi M., Faiz J. Ferrite permanent magnets in electrical machines: Opportunities and challenges of a non-rare-earth alternative / IEEE Trans. Magn. 2020. Vol. 56. N 3. P. 1 – 20. DOI: 10.1109/TMAG.2019.2957468

5. Pullar R. C. Hexagonal ferrites: a review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics / Prog. Mater. Sci. 2012. Vol. 57. N 7. P. 1191 – 1334. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2012.04.001

6. Wang Z., Song Y., Sun Y., et al. Millimeter wave phase shifter based on ferromagnetic resonance in a hexagonal barium ferrite thin film / Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. N 7. P. 072509. DOI: 10.1063/1.3481086

7. Muratov D. G., Kozhitov L. V., Popkova A. V., et al. Study of the radar absorption of metal-carbon nanocomposites (review) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 1. P. 35 – 45 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-1-35-45

8. Yakovleva N. M., Kokatev A. N., Oskin K. I., et al. Study of black protective-decorative nanocomposite anodic coatings on the surface of AMg5 aluminum alloy / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. V. 89. N 7. P. 34 – 44 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-7-34-44

9. Zahn D., Diegel M., Valitova A., et al. Magnetic Barium Hexaferrite Nanoparticles with Tunable Coercivity as Potential Magnetic Heating Agents / Nanomaterials. 2024. Vol. 14. N 12. P. 992 – 1011. DOI: 10.3390/nano14120992

10. Kostishin V. G., Korovushkin V. V., Pokholok K. V., et al. Cation Distribution and Magnetic Properties of Polycrystalline Hexagonal BaFe12 – xSnxO19 Ferrites / Phys. Solid State. 2021. Vol. 63. N 11. P. 1680 – 1689. DOI: 10.1134/S1063783421100176

11. Sharma M., Kashyap S. Improvement in magnetic parameters of polycrystalline barium hexaferrite by nonmagnetic cation substitution and microwave processing / Ceram. Int. 2019. Vol. 45. N 9. P. 11226 – 11232. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.02.136

12. Jasrotia R., Prakash J., Verma R., et al. Synthesis, characterization, and applications of doped barium hexaferrites: a review / Phys. B: Condens. 2023. Vol. 667. 415202. DOI: 10.1016/j.physb.2023.415202

13. Satyapal H. K., Singh R. K., Kumar S. S., Das S. B. Tuning the structural, magnetic and multiferroic properties of Sm3+ substituted barium hexaferrites BaFe12 – xSmxO19 nanoceramics / Mater. Today: Proc. 2021. Vol. 44. P. 1833 – 1840. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.011

14. Sözeri H., Deligöz H., Kavas H., Baykal A. Magnetic, dielectric and microwave properties of M-Ti substituted barium hexaferrites (M = Mn2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+) / Ceram. Int. 2014. Vol. 40. N 6. P. 8645 – 8657. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.01.082

15. Vakhitov M. G., Klygach D. S., Vinnik D. A., et al. Microwave properties of aluminum-substituted barium hexaferrite BaFe12 – xAlxO19 ceramics in the frequency range of 32 – 50 GHz / J. Alloys Compd. 2020. Vol. 816. P. 152682. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152682

16. Vinnik D. A., Starikov A. Y., Zhivulin V. E., et al. Structure and magnetodielectric properties of titanium substituted barium hexaferrites / Ceram. Int. 2021. Vol. 47. N 12. P. 17293 – 17306. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.03.041

17. Lu S., Liu Y., Yin Q., et al. Effects of Ce-Zn co-substitution on the structural and magnetic properties of M-type barium hexaferrites / J. Magn. Magn. Mater. 2022. Vol. 564. P. 170068. DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.170068

18. Kostishin V. G., Korovushkin V. V., Isaev I. M., et al. Features of the Cation Distribution and Magnetic Properties of BaFe12 – xYxO19 Hexaferrites / Phys. Solid State. 2021. Vol. 63. P. 253 – 260. DOI: 10.1134/S106378342102013X

19. Mahadevan S., Sankar A., Singh S., Sharma P. Enhanced X-band absorption and shielding performance of Gd-substituted barium hexaferrite / J. Alloys Compd. 2023. Vol. 959. P. 170456. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.170456

20. Fasate S. K., Salunke P. S., Rode S. A., et al. Electrical, dielectric and magnetic properties of Mn2+ substitution in barium hexaferrites nanoparticles / Mater. Today: Proc. 2023. Vol. 92. P. 980 – 985. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.590

21. Dhage V. N., Mane M. L., Rathod S. B., et al. Electric, dielectric and AC electrical conductivity study of Al3+ substituted barium hexaferrite nanoparticles synthesized by Sol-gel auto-combustion technique / Mater. Today: Proc. 2021. Vol. 47. P. 1982 – 1987. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.04.119

22. Chokprasombat K., Lohmaah A., Pinitsoontorn S., Sirisathitkul C. Effects of bismuth and bismuth-copper substitutions on structure, morphology, and magnetic properties of sol-gel derived barium hexaferrites / J. King Saud Univ. Sci. 2022. Vol. 34. N 1. P. 101682. DOI: 10.1016/j.jksus.2021.101682

23. Sharma S., Satyapal H., Kumar S., et al. Effect of Gd3+ substitution on the structural and magnetic properties of barium hexaferrite nanomaterials / Mater. Today: Proc. 2021. Vol. 44. P. 2587 – 2592. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.650

24. Godara S., Kaur V., Malhi P., et al. Sol-gel auto-combustion synthesis of double metal-doped barium hexaferrite nanoparticles for permanent magnet applications / J. Solid State Chem. 2022. Vol. 312. P. 123215. DOI: 10.1016/j.jssc.2022.123215

25. Korovushkin V. V., Trukhanov A. V., Kostishin V. G., et al. Correlation between the Chemical Composition, Crystal Structure, and Magnetic Properties of Hexagonal Barium Ferrite with Zn2+ Heterovalent Substitution / Inorg. Mater. 2020. Vol. 56. P. 707 – 715. DOI: 10.1134/S0020168520070080

26. Rana K., Thakur P., Tomar M., et al. Investigation of cobalt substituted M-type barium ferrite synthesized via co-precipitation method for radar absorbing material in Ku-band (12 – 18 GHz) / Ceram. Int. 2018. Vol. 44. N 6. P. 6370 – 6375. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.01.028

27. Khaliq N., Bibi I., Majid F., et al. Zn and Mn doped Ba1 – xZnxFe12 – yMnyO19 as highly photoactive under visible light with enhanced electrochemical and dielectric properties / Mater. Sci. Semicond. Process. 2022. Vol. 139. P. 106324. DOI: 10.1016/j.mssp.2021.106324

28. Muhiuddin G., Bibi I., Nazeer Z., et al. Synthesis of Ni doped barium hexaferrite by microemulsion route to enhance the visible light-driven photocatalytic degradation of crystal violet dye / Ceram. Int. 2023. Vol. 49. N 3. P. 4342 – 4355. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.09.319

29. Wang M., Xu Q., Wang S., et al. Formation of BaFe12 – xNixO19 ceramics with considerably high dielectric and magnetic property coexistence / J. Alloys Compd. 2018. Vol. 765. P. 951 – 960. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.06.221

30. Waqar M., Rafiq M., Mirza T., et al. Synthesis and properties of nickel-doped nanocrystalline barium hexaferrite ceramic materials / Appl. Phys. A. 2018. Vol. 124. P. 1 – 7. DOI: 10.1007/s00339-018-1717-z

31. Mironovich A. Y., Kostishin V. G., Al-Khafaji H. I., et al. Study of structure, cation distribution and magnetic properties of Ni substituted M-type barium hexaferrite / Materialia. 2023. Vol. 32. P. 101898. DOI: 10.1016/j.mtla.2023.101898

32. Döbelin N., Kleeberg R. Profex: a graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN / J. Appl. Crystallogr. 2015. Vol. 48. P. 1573 – 1580. DOI: 10.1107/S1600576715014685

33. Makovec D., Belec B., Goršak T., et al. Discrete evolution of the crystal structure during the growth of Ba-hexaferrite nanoplatelets / Nanoscale. 2018. Vol. 10. N 30. P. 14480 – 14491. DOI: 10.1039/C8NR03815E

34. Liu X., Wang J., Gan L., Ng S. Improving the magnetic properties of hydrothermally synthesized barium ferrite / J. Magn. Magn. Mater. 1999. Vol. 195. N 2. P. 452 – 459. DOI: 10.1016/S0304-8853(99)00123-7

35. Mironovich A. Y., Kostishin V. G., Shakirzyanov R. I., et al. Effect of the Fe/Ba and Fe/Sr ratios on the phase composition, dielectric properties and magnetic characteristics of M-type hexaferrites prepared by the hydrothermal method / J. Solid State Chem. 2022. Vol. 316. P. 123625. DOI: 10.1016/j.jssc.2022.123625

36. Mironovich A. Y., Kostishin V. G., Al-Khafaji H. I., et al. Magnetic and structural properties of Co-substituted barium hexaferrite synthesized by hydrothermal method / J. Magn. Magn. Mater. 2023. Vol. 588. P. 171469. DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.171469

37. Lisjak D. The low-temperature sintering of M-type hexaferrites / J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. N 12. P. 3351 – 3360. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2012.04.003

38. Vu H., Nguyen D., Fisher J., et al. CuO-based sintering aids for low temperature sintering of BaFe12O19 ceramics / J. Asian Ceram. Soc. 2013. Vol. 1. N 2. P. 170 – 177. DOI: 10.1016/j.jascer.2013.05.002

39. Wu C., Wang W., Li Q., et al. Barium hexaferrites with narrow ferrimagnetic resonance linewidth tailored by site-controlled Cu doping / J. Am. Ceram. Soc. 2022. Vol. 105. N 12. P. 7492 – 7501. DOI: 10.1111/jace.18702

40. Shannon R. T., Prewitt C. T. Effective ionic radii in oxides and fluorides / Acta Crystallogr. B. 1969. Vol. 25. N 5. P. 925 – 946. DOI: 10.1107/S0567740869003220

41. Lohmaah A., Chokprasombat K., Pinitsoontorn S., Sirisathitkul C. Magnetic properties and morphology copper-substituted barium hexaferrites from sol-gel auto-combustion synthesis / Materials. 2021. N 14(19). P. 5873. DOI: 10.3390/ma14195873

42. Mahmoud M. H. Low temperature Mössbauer study of gallium substitution for iron in manganese — ferrite / Solid State Ion. 2005. Vol. 176. N 13 – 14. P. 1333 – 1336. DOI: 10.1016/j.ssi.2005.02.017

43. Panda R., Balaji G., Gajbhiye N. Enhancement of Hyperfine Fields for Iron Atoms in γ’-Fe4 – xNixN (0.2 ≤ x ≤ 0.8) Compounds / Hyperfine interact. 2002. Vol. 141. P. 187 – 191. DOI: 10.1023/A:1021278709080

44. Novák P., Idland K., Zalesskij A., et al. Magnons and sublattice magnetisations in hexagonal Ba ferrite / J. Phys. Condens. Matter. 1989. Vol. 1. N 43. P. 8171. DOI: 10.1088/0953-8984/1/43/017

45. Novák P., Rusz J. Exchange interactions in barium hexaferrite / Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. N. 18. P. 184433. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.184433