Wetenschappers verkrijgen magnetisch nanopoeder voor 6G-technologie

Materiaalwetenschappers hebben een snelle methode ontwikkeld om epsilon-ijzeroxide te produceren en hebben de belofte ervan voor communicatieapparatuur van de volgende generatie aangetoond. Zijn uitstekende magnetische eigenschappen maken het een van de meest begeerde materialen, zoals voor de komende 6G-generatie communicatieapparatuur en voor duurzame magnetische opnames. Het werk werd gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry C, een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry.

IJzeroxide (III) is een van de meest voorkomende oxiden op aarde. Het wordt meestal gevonden als het mineraal hematiet (of alfa-ijzeroxide, α-Fe₂O₃). Een andere stabiele en veel voorkomende modificatie is maghemiet (of gamma-modificatie, γ-Fe₂O₃). De eerste wordt in de industrie veel gebruikt als rood pigment en de laatste als magnetisch opnamemedium. De twee modificaties verschillen niet alleen in kristallijne structuur (alfa-ijzeroxide heeft hexagonale syngonie en gamma-ijzeroxide heeft kubische syngonie), maar ook in magnetische eigenschappen.

Naast deze vormen van ijzeroxide (III) zijn er meer exotische modificaties zoals epsilon-, beta-, zeta- en zelfs glasachtig. De meest aantrekkelijke fase is epsilon ijzeroxide, ε-Fe₂O₃. Deze modificatie heeft een extreem hoge coërcitiekracht (het vermogen van het materiaal om een ​​extern magnetisch veld te weerstaan). De sterkte bereikt 20 kOe bij kamertemperatuur, wat vergelijkbaar is met de parameters van magneten op basis van dure zeldzame-aarde-elementen. Bovendien absorbeert het materiaal elektromagnetische straling in het sub-terahertz-frequentiebereik (100-300 GHz) door het effect van natuurlijke ferromagnetische resonantie. De frequentie van dergelijke resonantie is een van de criteria voor het gebruik van materialen in draadloze communicatieapparatuur – de 4G standaard gebruikt megahertz en 5G gebruikt tientallen gigahertz. Er zijn plannen om het sub-terahertz-bereik te gebruiken als werkbereik in de zesde generatie (6G) draadloze technologie, die wordt voorbereid voor actieve introductie in ons leven vanaf het begin van de jaren 2030.

Het resulterende materiaal is geschikt voor de productie van conversie-eenheden of absorbercircuits bij deze frequenties. Door bijvoorbeeld composiet ε-Fe . te gebruiken₂O₃ nanopoeders zal het mogelijk zijn om verven te maken die elektromagnetische golven absorberen en zo kamers beschermen tegen externe signalen en signalen beschermen tegen onderschepping van buitenaf. De ε-Fe₂O₃ zelf kan ook worden gebruikt in 6G-ontvangstapparaten.

Epsilon-ijzeroxide is een uiterst zeldzame en moeilijk te verkrijgen vorm van ijzeroxide. Tegenwoordig wordt het in zeer kleine hoeveelheden geproduceerd, waarbij het proces zelf wel een maand duurt. Dit sluit natuurlijk een wijdverbreide toepassing uit. De auteurs van de studie ontwikkelden een methode voor een versnelde synthese van epsilon-ijzeroxide die in staat is de synthesetijd tot één dag te verkorten (dat wil zeggen, een volledige cyclus van meer dan 30 keer sneller uit te voeren!) en de hoeveelheid van het resulterende product te vergroten . De techniek is eenvoudig te reproduceren, goedkoop en kan gemakkelijk in de industrie worden geïmplementeerd, en de materialen die nodig zijn voor de synthese – ijzer en silicium – behoren tot de meest voorkomende elementen op aarde.

“Hoewel de epsilon-ijzeroxidefase relatief lang geleden in zuivere vorm werd verkregen, in 2004, heeft het nog steeds geen industriële toepassing gevonden vanwege de complexiteit van de synthese, bijvoorbeeld als medium voor magnetische opname. We zijn erin geslaagd om het te vereenvoudigen de technologie aanzienlijk”, zegt Evgeny Gorbachev, een Ph.D. student in de afdeling Materiaalwetenschappen aan de Staatsuniversiteit van Moskou en de eerste auteur van het werk.

De sleutel tot succesvolle toepassing van materialen met recordbrekende eigenschappen is onderzoek naar hun fundamentele fysische eigenschappen. Zonder diepgaande studie kan het materiaal jarenlang onterecht worden vergeten, zoals meer dan eens is gebeurd in de geschiedenis van de wetenschap. Het was de tandem van materiaalwetenschappers van de Staatsuniversiteit van Moskou, die de verbinding synthetiseerde, en natuurkundigen van MIPT, die het in detail bestudeerden, die de ontwikkeling tot een succes maakten.

“Materialen met zulke hoge ferromagnetische resonantiefrequenties hebben een enorm potentieel voor praktische toepassingen. Tegenwoordig is de terahertz-technologie booming: het is het internet der dingen, het is ultrasnelle communicatie, het zijn nauwer gerichte wetenschappelijke apparaten en het is de volgende generatie medische technologie Terwijl de vorig jaar zeer populaire 5G-standaard werkt op frequenties in de tientallen gigahertz, openen onze materialen de deur naar aanzienlijk hogere frequenties (honderden gigahertz), wat betekent dat we nu al te maken hebben met 6G-standaarden en hoger. Nu is het aan de ingenieurs, we zijn blij om de informatie met hen te delen en kijken ernaar uit om een ​​6G-telefoon in onze handen te kunnen houden”, zegt Dr. Liudmila Alyabyeva, Ph.D., senior onderzoeker bij het MIPT Laboratorium voor Terahertz-spectroscopie, waar het terahertz-onderzoek werd uitgevoerd.