В новом классе мощных магнитов используются распространенные в земной коре элементы, что исключает применение редкоземельных металлов

Ключевым показателем качества магнита является способность его намагниченности сильно смещаться в определенном направлении, известная как магнитная анизотропия, которая является основополагающим свойством современных магнитных технологий.

Сегодня материалы с наиболее выраженной анизотропией для постоянных магнитов в значительной степени зависят от редкоземельных элементов, которые дороги, наносят вред окружающей среде при добыче и подвержены сбоям в цепочке поставок и геополитической нестабильности. Для тонкопленочных применений в качестве материалов для магнитных носителей следующего поколения стали предпочтительными, поскольку они содержат драгоценный металл платину. Поэтому поиск высокоэффективных альтернатив на основе распространенных в земной коре элементов является давней научной и технологической задачей.

Группа исследователей под руководством профессоров Кая Лю и Ген Инь, а также аспиранта Уилли Бисона (G'25) с кафедры физики Колледжа искусств и наук Джорджтаунского университета недавно открыла новый тип сильных магнитов на основе высокоэнтропийных боридов с использованием распространенных в земной коре переходных металлов и бора. Эти материалы не содержат редкоземельных элементов и драгоценных металлов, что предлагает перспективную новую стратегию для устойчивого проектирования магнитов.

«Мы предлагаем экологичный подход к созданию мощных магнитов, которые могут использоваться в самых разных областях, от будущих носителей магнитной информации до постоянных магнитов», — сказал Лю, один из ведущих авторов исследования. «Что еще важнее, это указывает на потенциал снижения зависимости от критически важных материалов для магнитов и других применений».

Высокоэнтропийные сплавы — это материалы, содержащие пять или более элементов в почти равных пропорциях. В последнее время они стали мощной платформой для открытия новых материалов. Их обширное композиционное пространство позволяет получать доступ к новым электронным структурам и свойствам. Однако большинство исследований таких сплавов сосредоточено на химически неупорядоченных кубических структурах, которые плохо подходят для сильной магнитной анизотропии, предпочитающей более низкую кристаллическую симметрию.

Исследователи преодолели это ограничение, сосредоточившись на боридах с высокой энтропией, где бор способствует химическому упорядочению и образованию кристаллических структур с более низкой симметрией. Они выбрали кристаллическую структуру с тетрагональной симметрией — представьте, что вы растянули куб вдоль одной из его сторон — так называемую фазу C16. Эта структура известна в материалах на основе бора, состоящих из двух или трех элементов, но в более сложных материалах она практически не изучена.

Бисон синтезировал эти высокоэнтропийные бориды, используя метод комбинаторного распыления в лаборатории Лю, при котором атомы различных материалов-мишеней тщательно перемешиваются к моменту их сбора на нагретой подложке. Такой подход также позволил быстро исследовать большое количество составов материалов. На одной подложке можно одновременно изготовить около 50 образцов в идентичных условиях, но с различным составом.

Основные выводы

• Открытие нового класса сильных магнитов: команда исследователей получила первые высокоэнтропийные бориды в кристаллической структуре C16, используя распространенные в земной коре 3d-переходные металлы — те, которые занимают первый ряд d-блока периодической таблицы, — создав новый класс упорядоченных высокоэнтропийных магнитных материалов.
• Усиление анизотропии за счет химического смешивания: путем введения нескольких 3d-переходных металлов и систематического исследования пространства составов с использованием комбинаторного метода совместного распыления исследователи преобразовали намагниченность таким образом, чтобы она указывала в предпочтительном направлении со значительно большей анизотропией.
• Рекордные показатели без редкоземельных элементов: недавно обнаруженные пятерные боридные композиции демонстрируют сильную магнитную анизотропию, приближающуюся к анизотропии постоянных магнитов с редкоземельными элементами и превосходящую ранее сообщенные значения для высокоэнтропийных материалов без редкоземельных элементов.
• Теория и эксперимент согласуются: расчеты с использованием теории функционала плотности подтверждают экспериментальные тенденции и определяют оптимизированную электронную структуру, в частности концентрацию валентных электронов и эффективный магнитный момент, как причину усиления анизотропии.

«Мы продолжаем исследовать еще более совершенные постоянные магниты или носители информации с различным составом на основе различных кристаллических структур», — сказал Инь, еще один из ведущих авторов исследования. «С помощью машинного обучения мы надеемся добиться более быстрого прогресса».

Влияние и применение

Полученные результаты подтверждают стратегию синтеза с использованием бора и высокой энтропии для достижения сильной магнитной анизотропии с применением только распространенных в земной коре элементов. Эти материалы особенно перспективны для применений, требующих высокой анизотропии, таких как:

• Магнитные носители информации с подогревом
• Спинтронные устройства и магнитные туннельные переходы
• Энергоэффективные постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов.

Демонстрируя возможность получения высокой магнитной анизотропии без использования редкоземельных элементов, а только распространенных переходных металлов, данное исследование открывает новые пути к устойчивым магнитным технологиям. Помимо магнетизма, эта работа подчеркивает огромный и в значительной степени неизученный потенциал упорядоченных высокоэнтропийных материалов как платформы для поиска передовых функциональных свойств.