驯服太赫兹：快速合成 $\epsilon\text{-}\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$ 用于6G时代

Epsilon铁氧化物（$\epsilon\text{-}\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$）是未来无线通信的"圣杯"材料。它具有巨大的磁性矫顽力和亚太赫兹范围内的自然共振，是$6\mathrm{G}$硬件和超快速磁记录的主要候选材料。本研究揭示了生产这些纳米粒子的突破——比传统方法快$240$倍——并首次展示了如何仅通过调整粒度来调节其共振频率。

挑战

作为亚稳定相，$\epsilon\text{-}\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$的合成极其困难。传统的二氧化硅基质方法通常需要缓慢的水解过程，持续数周以确保相纯度。此外，虽然该材料的铁磁共振（FMR）是其对$6\mathrm{G}$应用最有价值的资产，但科学家们长期认为改变这个频率需要用$\mathrm{Al}^{3+}$或$\mathrm{Rh}^{3+}$等离子进行复杂的化学掺杂。这种掺杂往往会引入不需要的杂质或降低目标epsilon相的产率。

创新：快速溶胶-凝胶合成

研究小组引入了高速、无表面活性剂的溶胶-凝胶方法。通过在硝酸铁(III)（$\mathrm{Fe}(\mathrm{NO}_3)_3 \cdot 9\mathrm{H}_2\mathrm{O}$）的水-酒精溶液中加速四乙基硅酸酯（$\mathrm{Si}(\mathrm{OC}_2\mathrm{H}_5)_4$）的水解，研究人员将制备时间从数周缩短到仅$2$小时。通过改变$1000$°C至$1250$°C之间的退火温度，他们控制了粒子的生长（$7$–$38$ nm）。这使得他们能够通过尺寸效应和结晶度而不是化学改变来"调节"磁性能和共振频率。

关键结果

• 巨大矫顽力: 样品表现出磁硬度的显著增加，在$1200$°C时达到$21$ kOe的矫顽力。
• 频率调节: 首次，自然铁磁共振（NFMR）频率仅通过增加粒度从$161$ GHz转移到$170$ GHz。
• 吸收锐度: 增加退火温度导致共振吸收线的显著变窄，阻尼因子$\Gamma$从$40$ GHz下降到尖锐的$2$ GHz。
• 相纯度: 该方法在$1200$°C时达到了$100$质量%的epsilon相产率，证明了快速合成不会降低材料的质量。

影响

这种高效的合成方法为$\epsilon\text{-}\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$的工业规模生产铺平了道路。它与$100$–$300$ GHz范围内的电磁辐射相互作用的能力使其对紧凑型$6\mathrm{G}$无线设备、太赫兹屏蔽和高密度磁记录介质至关重要。作为唯一已知的能够进行如此高频吸收的纳米级铁氧体，它有望成为未来能源高效电子元件的基石。

引用本文

@article{Gorbachev2021,
  author = {Gorbachev, Evgeny and Soshnikov, Miroslav and Wu, Mingxi and Alyabyeva, Liudmila and Myakishev, Dmitrii and Kozlyakova, Ekaterina and Lebedev, Vasilii and Anokhin, Evgeny and Gorshunov, Boris and Brylev, Oleg and Kazin, Pavel and Trusov, Lev},
  title = {Tuning the particle size, natural ferromagnetic resonance frequency and magnetic properties of $\epsilon\text{-}\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3$ nanoparticles prepared by a rapid sol-gel method},
  journal = {Journal of Materials Chemistry C},
  year = {2021},
  volume = {9},
  issue = {19},
  pages = {6173-6179},
  doi = {10.1039/d1tc01242h}
}