Красноярские ученые в рамках проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты», впервые предсказали возможность получения стабильных магнитных MAX-материалов, изменив их химический состав. Новые материалы обладают ферромагнетизмом, высокой намагниченностью и могут использоваться при комнатной температуре. В будущем это позволит применять такие материалы для создания устройств магнитного охлаждения и экранирования. Результаты исследования опубликованы в научном журнале.
MAX-фазы — это слоистые материалы, которые состоят из трех элементов: M — переходный металл, А — один из элементов третьей и четвертой групп таблицы Менделеева, Х — углерод или азот. Большой интерес представляет сочетание уникальных механических и магнитных свойств некоторых подобных материалов. Попытки синтеза таких соединений не прекращаются. Неудачи в синтезе в значительной степени связаны с неустойчивостью получаемых магнитных структур.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» впервые предсказали возможность получения стабильных магнитных МАХ материалов на основе марганца и железа. В своей работе исследователи предложили новый метод синтеза таких соединений. Он предполагает замену элементов в М- или А- слоях на магнитные атомы. Такой подход позволяет настраивать магнитные свойства МАХ-фаз, изменяя химический состав их компонентов.
Одним из перспективных кандидатов на включение в слоистые магнитные структуры является атом железа. Исследователи заменили в материале, состоящем из марганца, галлия и углерода, галлий на железо. В результате были получены стабильные МАХ-фазы, обладающие ярко выраженным ферромагнетизмом с большой намагниченностью. Это также позволило увеличить температуру, при которой материал не теряет своих магнитных свойств, и приблизить ее к комнатной, а значит стать на шаг ближе к использованию таких материалов в обычных условиях.
«МАХ-фазы с большой намагниченностью и температурой Кюри, близкой к комнатной, очень многообещающи. Например, они могут использоваться для спинтроники, магнитных запоминающих устройств и магнитного экранирования, для магнитного охлаждения серверных или дата центров, а также в качестве постоянных магнитов для электродвигателей и ветрогенераторов. Добавление атомов железа приводит к возникновению ферромагнетизма в МАХ-фазах. В итоге мы получили интригующий результат: предсказанный нами магнитный сплав стабилен и проявляет явные ферромагнитные свойства. Наше открытие позволяет изменять магнитные свойства МАХ-фаз и управлять ими за счет изменения химического состава материала», — рассказала Оксана Драганюк младший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, Красноярским краевым фондом науки (№ 20-42-240004) и Мегагрантом Правительства РФ на создание лабораторий мирового уровня (№ 075-15-2019-1886).
Мегагранты – это инициатива Правительства РФ, направленная на создание в научных организациях и университетах передовых лабораторий с привлечением для руководства и работы в них ученых с мировым именем. В 2019 году ученые Института физики им В.Н. Киренского СО РАН получили мегагрант на реализацию проекта «Естественные нанослойные материалы, перспективные для преобразования энергии». За три года работы сформировалась группа специалистов, занятых моделированием, разработкой, созданием и тестированием новых сверхпроводящих и магнитных MAX материалов.
«Работы по продолжению мегагранта развиваются в области теоретического моделирования новых возможных магнитных МАХ-материалов и их синтеза. Главное достижение в том, что за три года вместе с немецким руководителем Михаэлем Фарле мы собрали уникальное и необходимое нам оборудование для синтеза МАХ-структур. Такого больше нет нигде в мире. Сейчас сборка всей линии завершена, оборудование испытывается и в скором времени будет запущено в работу в полном объеме. На нем можно будет получить образцы и проверить просчитанные ранее теоретические разработки. Теоретическая часть проводится заранее, чтобы понимать, из каких материалов и как делать МАХ-фазы. Исследователи предсказывают, какие материалы и с какими свойствами могут быть сделаны. Мы выберем лучшие из них по набору свойств и параметров и проведем экспериментальные исследования на синтезированных образцах», – поделился некоторыми промежуточными итогами работ по мегагранту доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ, руководитель научного направления «магнетизм» Института физики им. Л.В Киренского СО РАН Сергей Овчинников.