Synthesis and characterization of ultra-high anisotropy magnetic ferrites

Resum

La ràpida transició cap a una “societat centrada en les dades” i l’emergència del nou Internet de les Coses requereixen canvis revolucionaris en els sistemes de comunicació sense fils i d’emmagatzematge de dades. Hi ha molt interès en preparar nous materials magnètics per fer dispositius que operin a altes freqüències, per sobre dels 100 GHz, i també per a memòries d’alta densitat. En aquest context els materials d’elevada anisotropia magnètica que no contenen terres rares tenen molt d’interès per a aquestes aplicacions i, per tant, les ferrites ultradures que exhibeixen una gran anisotropia magnetocristal·lina i ressonància ferromagnètica natural a freqüències superiors als 100 GHz són molt atractives. Aquesta tesi ha investigat dues d’aquestes ferrites, ε-Fe₂O₃ i Sr1-(x/12)Ca(x/12)AlxFe12-xO19, centrant-se en la síntesi escalable a gran escala de la fase ε-Fe₂O₃ i en l’estudi de com canvien les seves propietats magnètiques amb la substitució dels cations Fe³⁺ per altres metalls de transició. Pel que fa al segon sistema d’interès, Sr1-(x/12)Ca(x/12)AlxFe12-xO19, s’ha estudiat la influència de la substitució del Fe³⁺ per Al³⁺._x000D_ En aquesta tesi, hem investigat l’efecte de diferents paràmetres en la síntesi de la fase ε-Fe₂O₃ mitjançant el mètode sol-gel en la puresa de la fase. S’han considerat alguns paràmetres que cal controlar per obtenir ε-Fe₂O₃ d’alta puresa, com ara la mida del recipient on es forma el gel i el període de maduració del gel. Hem establert un mètode innovador per preparar nanopartícules d’ε-Fe₂O₃ de gran mida mitjançant una síntesi pràctic i sostenible, utilitzant silicats d’Y³ i d’altres silicats de terres rares trivalents com a tall de surfactants a altes temperatures. Les partícules obtingudes amb aquest nou mètode no exhibeixen relaxació magnètica, fet que les fa adequades per a aplicacions en dispositius i memòries. Per comprendre millor les propietats magnètiques d’aquesta fase, hem substituït els ions Fe³⁺ per diferents metalls de transició i hem investigat els canvis en les propietats estructurals i magnètiques. Hem observat que amb la substitució de Cr³⁺ en nanopartícules d’ε-Fe₂O₃ de gran mida preparades amb el nostre nou mètode sol-gel es manté el seu caràcter magnètic dur fins a un 15 % atòmic en de Cr, evitant el superparamagnetisme observat prèviament en partícules petites d’aquestes composicions. A més, hem vist que els ions Sc³⁺ i In³⁺ amplien el camp d’estabilitat de la fase incommensurable de baixa temperatura i per tant tendeixen a desestabilitzar l’ordre ferromagnètic col·liniar d’alta anisotropia magnètica. En canvi, el Cr³⁺ no promou especialment l’aparició de l’ordre incommensurable, tot i que disminueix l’anisotropia de la fase magnètica dura, encara que es mantinguin les coercivitats elevades en les mesures magnètiques. Aquestes observacions obren noves vies per comprendre millor les propietats magnètiques d’aquesta fase i els orígens de la seva elevada anisotropia magnetocristal·lina._x000D_ Pel que fa a la ferrita Sr1-(x/12)Ca(x/12)AlxFe12-xO19, hem estudiat alguns paràmetres importants que afecten la síntesi dels materials i la morfologia final de la pols, la qual cosa influeix directament en les seves propietats magnètiques. Hem observat que es produeix una transició magnètica significativa quan el contingut d’Al-Ca es troba en un rang entre x=5 i x=6. Aquest petit canvi en la química cristal·lina altera significativament la resposta magnètica del material i també obre una nova via per comprendre l’origen i el mecanismes subjacents de la seva elevada anisotropia magnetocristal·lina. També hem comparat la ressonància ferromagnètica de ε-Fe₂O₃ i Sr₀.₆₇Ca₀.₃₃Al₄Fe₈O₁₉ i hem observat que, per a la mateixa quantitat de pols, ε-Fe₂O₃ presenta una absorció més alta que Sr₀.₆₇Ca₀.₃₃Al₄Fe₈O₁₉.

Data del Ajut	7 de maig 2025
Idioma original	Anglès
Supervisor	Marti Gich Garcia (Director/a)