Materiali Magnetici e Multiferroici
Referente: Albertini Franca
Magneti permanenti e materiali superconduttori

Magneti permanenti senza Terre Rare

   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: César de Julián Fernández (cesar.dejulian@imem.cnr.it)

 

Lo scopo di questa attività è lo sviluppo di nuovi tipi di materiali per magneti che non contengano Terre Rare e investigare le loro proprietà e il loro meccanismo di smagnetizzazione. Al giorno d’oggi, dovuto alla situazione socioeconomica attuale, le Terre Rare sono fra le Materie Prime Critiche (Critical Raw Materials-CRM) le più importanti. La ricerca di materiali alternativi che possano sostituire ai magneti che contengono le Terre Rare è una tematica di massima importanza nella Scienza dei Materiali.

La ricerca del gruppo MAGFUN si focalizza nelle ferriti dure senza terre rare, in particolare l’essaferriti di tipo M e le ferriti di Cobalto. L’attività si sviluppa considerando diversi tipi di materiali:

(a) nanoferriti nel regime di singolo dominio magnetico,

(b) materiali ibridi con meccanismi di scambio tipo exchange bias o spring magnet,

(c) ferriti drogate con altri elementi, 

(d) miglioramento delle proprietà con miscele e l’orientamento magnetico.

Inoltre, si studiano le proprietà magnetiche, quale la magnetizzazione, la temperatura di Curie e l’anisotropia magnetica, e i meccanismi fisici che determinano la coercitività.

 

Highlights

  • Ottimizzazione delle nanoparticelle di ferrite di Cobalto per lo sviluppo di magneti

Abbiamo investigato la struttura e le proprietà magnetiche di una serie di nanoparticelle di ferrite di cobalto con dimensione media fra 8 e 80 nm. Le ferriti di cobalto sono fra le ferriti con struttura cubica spinella quelle che hanno la maggiore anisotropia magnetica. Queste ferriti in dimensione micro e macro presentano una anisotropia magneto-cristallina di tipo cubico. Noi abbiamo dimostrato che l’anisotropia di questi materiali quando hanno una dimensione nanometriche è una combinazione della anisotropia magneto-cristallina con termini dovuti ad effetti di superficie e di forma che dipende della dimensione. Dalla misura della dipendenza in funzione dalla temperatura della magnetizzazione e anche dei cicli d’isteresi abbiamo osservato che a bassa temperatura (5 K) le particelle con maggiore anisotropia (1.2 MJm-3) e campo coercitivo (1.6 T) hanno una dimensione media di 20 nm ed hanno una morfologia cubica. Invece a temperatura ambiente sono le particelle di 40 nm di dimensioni quelle che presentano il maggiore campo coercitivo (0.3T). Magneti fatti da questi nanomateriali avrebbero un prodotto d’energia di 18 kJ/m-3 paragonabile a quello dei magneti ceramici commerciali.

Graph anisotropy vs size

Variazione della anisotropia effettiva in funzione dalla dimensione delle particelle calcolata a bassa temperatura. Sottofondo: evoluzione della morfologia delle particelle.

Riprodotto con autorizzazione da A. López-Ortega et al. Chem. Mater. 2015, 27, 4048−4056. Copyright 2015 American Chemical Society, 10.1021/acs.chemmater.5b01034

 

  • Nanoparticelle con morfologia nucleo-guscio (core@shell) con alta anisotropia magnetica

Abbiamo investigato le correlazioni fra morfologia, la struttura cristallina e le proprietà magnetica di nuove nanoparticelle ibride, magneticamente dure. Queste particelle sono state ottenute tramite l’ossidazione o la riduzione di particelle seme. (Rif. 1,2,3). In particolare, l’ossidazione di nanoparticelle antiferromagnetiche di monossido di Fe e Co dà luogo a particelle magnetiche formate da un nucleo del monossido sul quale cresce epitassialmente uno strato nanometrico di ferrite di cobalto. Queste strutture esibiscono uno spostamento dei cicli d’isteresi tipo exchange-bias che indica l’accoppiamento per scambio alla interfaccia fra il core e lo shell. In condizioni di raffreddamento sottocampo magnetico, dove lo effetto exchange-bias è più efficiente, il prodotto d’energia (BH)max delle particelle è 7 volte superiore a quello misurato in condizioni di raffreddamento senza campo. Abbiamo studiato nanostrutture con diverse caratteristiche (dimensioni principalmente) e proposto diversi contributi allo effetto exchange-bias. Queste ricerche hanno dimostrato la possibilità di sfruttare lo effetto exchange-bias per sviluppare nuovi magneti senza Terre-Rare.

Graph core-shell nanoparticleModello di nanoparticella con morfologia Core@Shell con l’effetto exchange-bias. Questo effetto è dovuto ad un accoppiamento antiferromagnetico alla interfaccia e produce uno spostamento dei cicli d’isteresi dopo un raffreddamento in presenza di campo in paragone ai cicli ottenuti raffreddando senza campo. (b) Variazione del campo coercitivo, sotto condizioni di raffreddamento in campo e senza campo, e del campo di exchange per particelle Core@Shell di diverse dimensione e shell fisso di 2 nm. Riprodotto con autorizzazione da E. Lottini et al. Chem. Mater. 2017, 29, 1279-1289. Copyright 2016 American Chemical Society, 10.1021/acs.chemmater.6b00623

 

Principali pubblicazioni

  1. "Topotaxial phase transformation in cobalt doped iron oxide core/shell hard magnetic nanoparticles" - A. López-Ortega, E. Lottini, G. Bertoni, C. de Julián Fernández, C. Sangregorio - Chemistry of Materials, 29 (2017), 1279–1289 - DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b04768
  2. "Strongly Exchange Coupled Core|Shell Nanoparticles with High Magnetic Anisotropy: A Novel Strategy towards Rare Earth-Free Permanent Magnets" - E. Lottini, Al. López-Ortega, G. Bertoni, S. Turner, M. Meledina, G. Van Tendeloo, C. de Julián Fernández, C. Sangregorio - Chemistry of Materials. 28 (2016) 4214–4222 - DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b00623
  3. ”Energy product enhancement in imperfectly exchange-coupled nanocomposite magnets" - A. Quesada, C. Granados, A. López-Ortega, S. Erokhin, E.Lottini, J. Pedrosa, A. Bollero, A. M. Aragón, F. Rubio-Marcos, M. Stingaciu, G. Bertoni, C. de Julián Fernández, C. Sangregorio, J. F. Fernández, D. Berkov, M. Christensen - Advanced Electronic Materials 2 (2016) 1500365 - DOI: 10.1002/aelm.201500365
  4. "Exploring the magnetic properties of cobalt-ferrite nanoparticles for the development of rare-earth-free permanent magnet" - A. López-Ortega, C. Lottini,C. de Julián Fernández,C. Sangregorio - Chemistry of Materials 27 (2015) 4048–4056 - DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b01034+ESI

 


 

Superconduttori ad alta temperatura di transizione

   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Edmondo Gilioli (edmondo.gilioli@imem.cnr.it)

 

IMEM ha una lunga e prestigiosa esperienza sulla sintesi e caratterizzazione di materiali superconduttori (SPC), in particolare nella preparazione (bulk e cristallo singolo) di cuprati ad alta temperatura di transizione (HTS) e nella deposizione di nastri bidimensionali su substrati flessibili (YBCO-based Coated Conductors).

Grazie alla disponibilità di potenti presse capaci di operare in condizioni di altissima pressione e temperatura (HP/HT), negli ultimi anni lo studio si é concentrato sulla sintesi HP/HT di HTS con lo scopo di: i) ottenere nuovi materiali metastabili. ii) Effettuare sostituzioni chimiche non consentite su materiali noti. iii) applicare alte pressioni di ossigeno per studiare e rivedere in particolare la regione “overdoped”.

L’obiettivo finale é di ottenere fasi con temperatura di transizione superconduttiva (Tc) superiore e/o di correlare Tc con distorsioni strutturali stabilizzate dalla HP/HT.

Grafico temperature di transizioneFrom: doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.23700

Highlight

Particolari sostituzioni chimiche praticabile solo con la sintesi HP/HT (es. Ba / Sr in YBCO> YSCO) e la disponibilità di HTS ottenuti in alta pressione di ossigeno, consentono di definire il diagramma di  fase dei cuprati HTS nel regime "overdoped". Le temperature di transizione dei composti HPO continuano ad aumentare oltre i valori di stechiometria O e carica di Cu, dove la SPC convenzionale svanisce. La sostanziale analogia strutturale tra HPO e cuprati convenzionali, suggerisce che l'elevato Tc di HPO (per esempio in YSCO-Mo) può originare da una eterogeneità su scala nanometrica.

Transition temperature graph          

 

 

 

 

From: doi.org/10.1073/pnas.1918704117