Выращивание монокристаллов бората железа

Борат железа на сегодняшний день является одним из наиболее интересных и привлекательных с научной точки зрения материалов. С одной стороны, его слабые ферромагнитные свойства в купе с низкой температурой Нееля делают его удобным объектом для изучения магнитных свойств [1–6], с другой – достаточно низкая стоимость и распространенность веществ, входящих в состав исходной шихты, позволяют говорить о его потенциальной широкой применимости в создании различных магнитооптических устройств [4]. Тенденции в развитии магнитной микроэлектроники подталкивают ученых к изучению поверхностных магнитных явлений [7].

Впервые монокристаллы бората железа FeBO3 были получены и исследованы в 60-х гг. прошлого века [8, 9]. Соединение FeBO3 является слабым ферромагнетиком с температурой Нееля TN » 348 К. При этом, оно сочетает в себе такие свойства, как магнитное упорядочивание при комнатной температуре и прозрачность в видимой области [4]. Кристалл FeBO3 имеет ромбоэдрическую структуру кальцита и принадлежит к пространственной группе симметрии R3c (D36d) [3, 10–12]. Получают данные монокристаллы методом спонтанной кристаллизации из раствора.

Экспериментальная часть

Для синтеза монокристаллов бората железа были использованы оксиды железа Fe₂O₃, бора B₂O₃ и свинца PbO . Кристаллы были получены методом спонтанной кристаллизации из раствора в системе PbO - B 2 O 3 . Выращивание проводилось на воздухе в резистивной печи в платиновых тиглях объемом 30 мл. Регулирование температуры осуществляли с помощью прецизионного ПИД-регулятора. Для измерения температуры использо-

а)                                                                        б)

Рис. 1. Снимки поверхности кристалла бората железа, сделанные с увеличением: а - х1, б - х5

а)

Рис. 2. Снимки поверхности кристалла бората железа, сделанные с увеличением: а - х50, б - х20 000

б)

вали термопару ПР-30/6. Общий вес шихты составлял 20 г. Для гомогенизации раствора ростовую систему выдерживали при температуре 1000 ° С в течение 2 часов, после чего включали охлаждение со скоростью 10 ° С/ч . Полученные образцы отделяли от растворителя кипячением в азотной кислоте.

В результате двух серий экспериментов с соотношениями «кристалл – раствор» 1 : 1 и 1 : 2,5 были получены темные непрозрачные кристаллы. В первом случае кристаллы достигали размеров 0,5 мм. Это можно объяснить недостаточно высокой начальной температурой, что не обеспечивало эффективного перемешивание питающего раствора при данном содержании оксида бора. В результате второй серии экспериментов были получены кристаллы в виде пластин толщиной 0,1–0,2 мм, длиной до 20 мм. Концентрация FeBO3 в растворе составляла 30 мол. %. На рис. 1 приведены фотографии, сделанные с помощью оптического микроскопа Nikon с различным увеличением.

Снимки поверхностей образцов, сделанные с помощью электронного микроскопа Jeol JSM7001F, приведены на рис. 2. Дефектность структуры, обусловленная захватом растворителя между растущими вдоль базисной плоскости пластинами, объясняется высокими скоростями роста кристаллов. Структура полученных кристаллов была проанализирована дифрактометром ДРОН-3М и с базой данных ICSD. Исследование, проведенное в диапазоне углов 2 0 от 15 до 90°, подтвердило, что полученные кристаллы являются боратами железа FeBO₃ .

Заключение

Для успешного синтезирования бората железа при относительно невысоких температурах (до 1000 °С) при выращивании из раствора оптимальным является смещение соотношения компонен- тов растворителя системы PbO - B2O3 в сторону менее вязкого оксида свинца. При выращивании на затравку данный состав растворителя также создаст лучшее перемешивание питающего раствора и тем самым обеспечит лучшее качество кристаллов.