Oxizi ferimagnetici compensati pentru comutatoare magnetice rapide


Project Director: Dr. Maria Cristina BARTHA

Cod Proiect:  676 PED din 21/06/2022

(PN-III-P2-2.1-PED-2021-2007)

Tip Proiect: National

Program: PED

Finantat de: Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării (UEFISCDI)

Contractor: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM)

Status: In desfasurare

Data Inceperii:  21 iunie , 2022

Data Finalizarii:  21 iunie, 2024

Rezumatul Proiectului:

Scopul acestui proiect a fost obtinerea și validarea unui material avansat, și anume un oxid cu structura de garnet de tipul RE3Fe5O12 (RIG), cu RE=Tb, Gd, Dy și Ho pentru generațiile viitoare de dispozitive electronice. Obiectivul general al proiectului a fost selectarea unui material (model demonstrator) cu proprietăți magnetice adecvate pentru aplicații in spintronica de înaltă performanță, și anume un dispozitiv de comutare magnetică. Garnetii de pamanturi rare si fier mentionati au fost obtinuti prin doua metode diferite de procesare, una dintre acestea, inovativa si prietenoasa cu mediul fiind utilizata in premiera pentru dezvoltarea acestor materiale. Testarea si validarea functionalitatii s-a realizat in laborator, in final selectandu-se Gd3Fe5O12 si Dy3Fe5O12 ca materiale demonstrative. Acestea au caracteristici structurale, morfologice si proprietati magnetice optime pentru  aplicatiile de tip comutator magnetic.

Prezentare succintă a rezultatelor obținute în cadrul proiectului

In cadrul proiectului au fost obtinute materiale  oxidice cu structura de garnet, de tipul Gd3Fe5O12, Tb3Fe5O12, Ho3Fe5O12, Dy3Fe5O12  cu caracteristici structurale si microstructurale apropiate si/sau cu  stoechiometrie ideala in functie de tehnologia de procesare  si proprietati magnetice optimizate cu potential practic ridicat ( de ex. temperaturi de compensare apropiate si/sau usor peste temperatura camerei, temperaturi de tranzitie magnetica ridicate, comportament magnetic si distributie de cuplaje favorabile diferitelor functionalitati). Doua dintre materiale au fost selectate ca materiale demonstrative, si anume Gd3Fe5O12 si Dy3Fe5O12  procesate prin tehnologii inovatoare  care au caracteristici structurale, microstructurale si magnetice optime pentru proprietatile de comutare testate in laborator. Ambele materiale prezinta faze stoechiometrice de garnet  intr-o proprtie de peste 90 %, restul fiind faze de garnet cu inversie cationica, dar cu o influenta nesemnificativa asupra proprietatilor magnetice. Dy3Fe5O12 procesat prin SPS a fost obtinut  100% ca faza stoechiometrica. Caracteristicile functionale au fost testate si validate in laborator, ambele materiale inregistrand variatii ale magnetizarii la aplicarea unei polarizari electrice. Acestea au fost verificate la intensitati de curent diferite, de la 2 mA si 50 mA si temperaturi situate in jurul celor de compensare.  Efectul de comutare este mai consistent la curenti de peste 20 mA proba fiind in forma de corp solid masiv ceea ce necesita stimuli electrici mai puternici. De asemenea a fost demonstrata si performanta rutei inovative  de procesare propusa de noi pentru obtinerea corpurilor solide de garneti, care presupune obtinerea de nanopulberi mezoporoase precursoare  printr-o metoda hidrotermala modificata, utilizata in premiera pentru aceste materiale, urmata de sinterizarea acestora prin SPS si tratamente de post-recoacere.

Figura 1. Selectie de proprietati obtinute pe Dy3Fe5O12 sinterizat SPS.

 

Figura 2. Variatia magnetizarii in timp si in functie de temperatura,

la aplicarea/indepartarea unei polarizari electrice (indexata prin curentul citit) cu intensitati variate

 

 

 

 

 

Dr. Maria Cristina Bartha (Director de Proiect)

Dr. Victor Kuncser

Dr. Petre Badica

Dr. Cezar Comanescu

Dr. Alina Crisan

Dr. Andrei Kuncser

Dr. Mihai Alexandru Grigoroscuta

Ph.D Student Andrei Alexandru-Dinu

MSc. Student  Ani Sergentu

Rezumatul Etapei I/2022: 

In aceasta prima etapa de realizare a proiectului au fost  preparate nanopulberi precursoare oxidice cu structura de garnet de tipul RE3Fe5O12, unde RE= Gd, Tb, Dy si Ho si au fost caracterizate complex atat din punct de vedere structural cat si morfologic. Pentru obtinerea materialelor au fost utilizate doua metode de procesare (una dintre acestea fiind utilizata in premiera pe acest tip de compusi). Totodata, s-au realizat cateva studii legate de evolutia proprietatilor, in aceasta etapa, accentul fiind pus pe proprietatile magnetice ale oxizilor cu structura de garnet obtinuti prin metoda clasica.

Rezumatul Etapei II/2023

Etapa a doua a proiectului experimental demonstrativ cu titlul de mai sus a vizat obtinerea corpurilor solide cu structura de garnet de tipul RE3Fe5O12, unde RE= Gd, Tb, Dy si Ho prin metoda Spark Plasma Sintering si caracterizarea lor complexa atat din punct de vedere morfo- structural cat si investigarea proprietatilor magnetice. Metoda SPS permite realizarea tratamentelor termice de sinterizare la temperaturi ridicate (pana la 2400 °C) folosind viteze mari de incalzire si/sau racire (pana la 500 °C/min). Printre avantajele utilizarii acestei metode se numara: obtinerea unor corpuri solide cu densitate ridicata (peste 90 % din densitatea teoretica a materialului procesat), mentinerea unor dimensiuni scazute de particule datorita rapiditatii tratamentului termic, obtinerea unor caracteristici microstructurale superioare celor obtinute prin tratamentele de sinterizare clasica etc. Investigarea structurala si microstructurala a materialelor evidentiaza obtinerea a doua faze cu structura de garnet; faza stoechiometrica  de tipul (Gd3(Feoct+tet)5O12)  care este majoritara (≥ 90%), in unele dintre probe aceasta fiind chiar faza unica, si o faza care prezinta defecte cationice si/sau defecte in stoechiometria oxigenului de tipul  (Gd)3-x[(Fe2-x)oct(Fe3-x)tet]O12-x . Coexistenta celor doua faze influenteaza semnificativ proprietatile, in special cele magnetice care sunt extrem de sensibile la schimbarile locale care implica distributia cationica si/sau defecte generate de variatia stoechiometriei oxigenului. Prin urmare, materialele obtinute prezinta o distributie de cuplaje magnetice favorizand obtinerea de proprietati cu potential aplicativ variat. Acestea vor fi explorate in etapa finala de realizare a proiectului, scopul fiind selectarea materialului demonstrator cu proprietati optime pentru aplicatiile propuse. Totodata s-au realizat cateva studii legate de proprietatile de comutare a materialului selectat.

Rezumatul Etapei III/2024

Etapa cu numarul 3 din planul de realizare a proiectului s-a axat pe centralizarea, analizarea  si diseminarea rezultatelor obtinute pe parcursul intregului proiect, precum si partea de management care a implicat comunicare, leadership, coordonare a echipei, diminuarea riscurilor, aspecte organizatorice și administrative, formare și mentorat etc. Trebuie mentionat faptul ca aceasta etapa s-a intins pe toate cele 24 de luni ale proiectului, diseminarea rezultatelor si managementul proiectului fiind desfasurate pe toata perioada de implementare. Din punct de vedere al exploatarii practice a materialelor de tip   Gd3Fe5O12, Tb3Fe5O12, Ho3Fe5O12, Dy3Fe5O12  obtinute in cadrul proiectului, cat si a tehnologiilor inovative de procesare propuse, datele experimentale colectate si validate pe parcursul proiectului, studiile teoretice care descriu detaliat caracteristicile structurale ale materialelor, etapele si parametrii tehnologici de procesare, precum si metodologia de testare a functionalitatii acestor materiale se constituie in elemente relevante pentru indeplinirea obiectivelor din planul de realizare. Din punct de vedere stiintific, diseminarea rezultatelor s-a realizat in reviste   ISI (de ex. Ceramics International, Scientific Reports etc.) si in  conferinte relevante in domeniu ( de ex. International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect -ICAME, 8th  International Conference on Superconductivity and Magnetism etc.). Au fost inregistrate  2 cereri de brevet la OSIM si a fost obtinuta o medalie de argint la EUROINVENT 2024.

O parte din rezultatele obtinute in cadrul proiectului vor constitui un capitol din teza de doctorat cu titlul: Metode de preparare si caracterizare locala complexa in sisteme nanostructurate functionale" care va fi sustinuta in perioada Septembrie-Octombrie, 2024 la Facultatea de Fizica a Universitatii Bucuresti de catre Andrei Alexandru-Dinu sub coordonarea CS1 Dr. Victor Kuncser (ambii fiind membrii in echipa de implementare a proiectului).

Articole publicate sau acceptate in jurnale cotate Web of Science:

1. "Advance of Nanoparticles and Thin Films", Bogdana Borca and Cristina Bartha, Coatings 2022, 12(8), 1138; https://doi.org/10.3390/coatings12081138

2. "Up-Conversion Luminescence and Magnetic Properties of Multifunctional Er3+/Yb3+-Doped SiO2-GdF3/LiGdF4 Glass Ceramics", Corina Secu, Cristina Bartha and Mihai Secu, Magnetochemistry 2023, 9, (11); https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9010011

3. "Kinetics and the Effect of Thermal Treatments on the Martensitic Transformation and Magnetic Properties in Ni49Mn32Ga19 Ferromagnetic Shape Memory Ribbons", Tolea, F.; Popescu, B.; Bartha, C.; Enculescu, M.; Tolea, M.; Sofronie, M., Magnetochemistry 2023, 9, 7. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9010007

4. Synthesis of CoFe2O4 Through Wet Ferritization Method Using an Aqueous Extract of Eucalyptus Leaves, Gingasu D., Culita DC., Moreno JMC., Marinescu G., Bartha C., Oprea O.,Preda S., Chifiriuc MC., Popa M., Coatings 2023, 13(7), 1250; https://doi.org/10.3390/coatings13071250.

Articole aflate in evaluare:

5.“Microstructure and coupling mechanisms in MnBi-FeSiB nanocomposites obtained by spark plasma sintering”, A. Alexandru-Dinu, C. Locovei, C. Bartha, M.A. Grigoroscuta, M. Burdusel, A. Kuncser, P. Palade, G. Schinteie, N. Iacob, Lu W., D. Batalu, P. Badica, V. Kuncser (Scientific Reports).

6. "Crystallization processes of rare-earth doped GdF3 nanocrystals in silicate glass matrix: dimorphism and photoluminescence properties”, C. E. Secu, C. Bartha, C. Radu and M. Secu (Ceramic International).

 Articole in pregatire

7. Complex structural characterization of Gd3Fe5O12 obtained by different routes”, Cristina Bartha, Claudiu Locoveia, Andrei Alexandru-Dinua, Cezar Comanescu, Mihai Grigoroscuta, Nicusor Iacob, Andrei Kuncser, Magda Galatanu, Aurel Leca, Petre Badica and Victor Kuncser va fi trimis la Scripta Materialia.

 8. Articol ce va fi trimis la Ceramics International.

Conferinte si manifestari stiintifice internationale:

  1. Cristina Bartha, Andrei Alexandru Dinu, Cezar Comanescu, Simona Greculeasa, Nicusor Iacob, Aurel Leca, and Petre Badica, Rare earth garnet of Gd3Fe5O12 type for future generation of electronic devices, 7th edition of the International Workshop Of Materials Physics, Recent Trends in Magnetism and Superconductivity, 31 of August- 2 of September, Magurele, 2022 (poster).
  2.  Structural, Mössbauer Spectroscopy and Magnetic Investigations of Gd3Fe5O12 garnets obtained by different routes”, Bartha, C. Comanescu, M. Grigoroscuta, A. Alexandru-Dinu, P. Badica and V. Kuncser, International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect -ICAME 2023, 3- 9 Septembrie 2023, Cartagena de Indias, Columbia ( prezentare orala).
  3. Magnetic Properties of Rare Earth Iron Garnets Prepared by Two Synthesis Routes”, A. Alexandru-Dinu, C. Bartha, M. Grigoroscuta, C. Comanescu, V. Kuncser and P. Badica, 8th  International Conference on Superconductivity and Magnetism,  4-11 Mai 2023, Ölüdeniz-Fethiye Turcia (poster).
  4. Magnetic Oxide Ceramics for Spintronics Applications” C. Bartha, A. Alexandru-Dinu, M. Grigoroscuta, C. Comanescu and P. Badica, 8th  International Conference on Superconductivity and Magnetism,  4-11 Mai 2023, Ölüdeniz-Fethiye Turcia (poster).
  5. Bulk MgB2 and Rare Earth Iron Garnets Processed by Spark Plasma Sintering”, P. Badica, 8th  International Conference on Superconductivity and Magnetism,  4-11 Mai 2023, Ölüdeniz-Fethiye Turcia (Prezentare orala).
  6. „Magnetic interactions and associated effects in rare-earth iron garnets processed by different routes”, Cristina Bartha et al. 8th International Conference on Superconductivity and Magnetism, 27 April-4 Mai 2024, Ölüdeniz-Fethiye Turcia (prezentare orala).
  7.  "Process for obtaining oxide materials with garnet structure based on iron and rare earths", Cristina Bartha et al. E U R O I N V E N T , 16th European Exhibition of Creativity and Innovation Iasi, Romania, 6-8 June 2024 (poster).

Premii:

Medalie de argint la EUROINVENT 2024.

Brevete:

  1. "Procedeu de obtinere a materialelor oxidice cu structura de garnet pe baza de fier si pamanturi rare si tipuri de sisteme obtinute”, cerere de brevet nr. A/00200 din 25/04/2023 depusa la OSIM.
  2. Materiale compozite funcționale cu pulbere de garnet înglobată în matrice polimerică”, cerere de brevet nr. A/00324 din 13/06/2024 depusa la OSIM.

 

 

 

Dr. Maria Cristina Bartha (Valsangiacom)

Cercetator stiintific gradul II

Telefon: +40-(0)21-2418 146

Departament: Magnetism si Supraconductibilitate

Email: cristina.bartha@infim.ro

PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE

Back to top

Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved