Материаловеды разработали быстрый метод получения эпсилон-оксида железа и продемонстрировали его перспективность для применения в устройствах связи нового поколения. Выдающиеся магнитные свойства делают его одним из самых желанных материалов, например для устройств связи грядущего поколения 6G и для высоконадежных приборов магнитной записи. Работа опубликована в журнале Королевского химического сообщества Journal of Materials Chemistry C.

Оксид железа (III) является одним из самых распространенных оксидов на планете. Чаще всего он встречается в виде минерала гематита (или альфа-оксида железа, α-Fe2O3). Другой стабильной и распространенной модификацией является маггемит (или гамма-модификация, γ-Fe2O3). Первый материал широко используется в промышленности как красный пигмент, а второй — в качестве среды для магнитной записи. Обе модификации отличаются не только кристаллической структурой (альфа-оксид железа имеет гексагональную сингонию, а гамма-оксид — кубическую), но и магнитными свойствами

Помимо этих форм оксида железа (III), существуют более экзотические модификации, например эпсилон-, бета-, дзета- и даже аморфная. Наиболее привлекательной фазой является именно эпсилон-оксид железа, ε-Fe2O3. Данная модификация обладает экстремально высокой коэрцитивной силой (способностью материала сопротивляться внешнему магнитному полю). Сила достигает 20 кЭ при комнатной температуре, что сравнимо с параметрами магнитов на основе дорогостоящих редкоземельных элементов. Кроме того, данный материал поглощает электромагнитное излучение в субтерагерцовом диапазоне частот (100–300 ГГц) за счет эффекта естественного ферромагнитного резонанса.Частота такого резонанса является одним из критериев для применения материалов в устройствах беспроводной связи — 4G-стандарт использует мегагерцы, а 5G — десятки гигагерц. Субтерагерцовый диапазон планируется использовать в качестве рабочего в беспроводных технологиях шестого поколения (6G), которое готовится к активному внедрению в нашу жизнь с начала 2030-х годов. 

Полученный материал применим для производства преобразующих или поглощающих устройств на данных частотах. Например, с использованием композитных нанопорошков ε-Fe2O3 можно будет делать краски, поглощающие электромагнитные волны, и таким образом экранировать помещения от посторонних сигналов и защищать сигнал от перехвата извне. Сам же ε-Fe2O3 можно применять в устройствах приема 6G-сигнала.

Эпсилон-оксид железа — чрезвычайно редкая и трудная в получении форма окиси железа. На сегодня его получают в очень малых количествах, причем сам процесс получения занимает до месяца. Конечно, в такой ситуации речь о широком применении не идет. Авторы исследования разработали методику ускоренного синтеза эпсилон-оксида железа, которая позволяет сократить время синтеза до одного дня (то есть проводить полный цикл более чем в 30 раз быстрее!) и увеличить количество получаемого продукта. Методика проста в воспроизведении, дешева и может быть легко внедрена в промышленность, а необходимые для проведения синтеза материалы — железо и кремний — являются одними из самых распространенных на Земле элементов. 

«Несмотря на то, что фаза эпсилон-оксида железа была получена в чистом виде сравнительно давно, в 2004 году, из-за сложного синтеза она до сих пор не находит промышленного применения, например в качестве среды для магнитной записи информации. Нам же удалось значительно упростить технологию», — говорит Евгений Горбачев, аспирант факультета наук о материалах МГУ и первый автор работы.

Ключом к успешному применению материалов с рекордными характеристиками является исследование их фундаментальных физических свойств. Без подробного изучения материал может быть незаслуженно забыт на долгие годы, как это уже не раз происходило в истории науки. Именно тандем материаловедов из МГУ, которые синтезировали соединение, и физиков из МФТИ, подробно его изучивших, стал залогом успешной разработки. 

«Материалы со столь высокими частотами ферромагнитного резонанса имеют огромный потенциал для практических применений. Сегодня происходит бурное развитие терагерцовых технологий: это Интернет вещей, это сверхбыстрая связь, это научные приборы более узкого применения, это медицинские технологии нового поколения. Столь нашумевший в последний год стандарт связи 5G оперирует частотами в десятки гигагерц, мы же с нашими материалами открываем перспективы для перехода к существенно более высоким частотам (сотни гигагерц), то есть имеем дело уже со стандартами 6G и выше. Теперь дело за инженерами, мы с удовольствием делимся с ними полученной информацией и с нетерпением ждем возможности подержать в руках свой 6G-телефон», — отмечает Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, где проводились терагерцовые исследования.