Наука и образование

Минералоподобные материалы с настраиваемым низким и отрицательным термическим расширением для высокоточной оптики и электроники

Подавляющее большинство материалов при нагревании расширяются. Даже незначительное изменение размеров деталей при температурных флуктуациях на 10–20 градусов может приводить к растрескиванию кристаллов, деформациям оптических систем, разрушению композитов и деградации функциональных характеристик высокоточных устройств. Для решения этой проблемы необходимы материалы с низкими и отрицательными коэффициентами термического расширения. Однако таких соединений известно немного, а боратов, проявляющих объемное отрицательное термическое расширение – единицы, например, LiBeBO₃, LiBO₂, минералы вонсенит Fe_2.65Mg_0.35(BO₃)O₂ и халсит Fe_2.80Mg_0.18Sn_0.02(BO₃)O₂. Один из возможных механизмов, обуславливающих отрицательное и низкое термическое расширение, связан с магнитострикционными явлениями в области магнитных фазовых переходов, где положительное расширение может компенсироваться значительным сжатием, вызванным перестройкой магнитной структуры.

Коллектив кристаллографов и физиков из филиала НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС, КФУ, ИФ СО РАН, СПБГУ и СФУ изучил влияние замещения железа на хром в высокотемпературном борате-магнетике FeBO₃, являющегося в том числе незаменимым элементом для генерации синхротронного мёссбауэровского излучения. Однако для такой работы кристалл необходимо нагревать до температуры магнитного перехода T_с ~350 K, что увеличивает энергозатраты  (требуется система нагрева) и риск возникновения термически-индуцированных дефектов.

В результате исследований было впервые обнаружено, что состав с x_Cr = 0.14 демонстрирует отрицательное объемное термическое расширение (сжатие) при нагреве в узком интервале 295–305 K, что обусловлено магнитострикцией в области магнитного фазового перехода. Во всех изученных боратах с x_Cr = 0.0, 0.14 и 1.0 обнаружено низкое термическое расширение, что делает их пригодными для прецизионных приложений. Замещение железа на хром в то же время снижает температуру магнитного перехода, позволяя настраивать ее от 348 K (FeBO₃) через 314–318 K (Fe_0.86Cr_0.14BO₃) до 11 K (CrBO₃), позволяя адаптировать материал под различные условия эксплуатации. Введение хрома также позволило улучшить термическую стабильность соединений – так, температура разложения FeBO₃ составляет ~903 K, Fe_0.86Cr_0.14BO₃ ~993 K и CrBO₃ >1173 K, что расширяет диапазон рабочих температур.

«Полученные результаты показывают, что частичное замещение железа на хром в кальцитоподобных боратах позволяет гибко настраивать физические свойства материала, что открывает перспективы для поиска и создания соединений с заданным коэффициентом термического расширения для высокоточной оптики и электроники. Учитывая практическую значимость матрицы FeBO₃ (в частности, как монохроматора для синхротронных установок), результаты исследования могут представлять интерес для специалистов, занимающихся разработкой таких элементов для мегаустановок. В дальнейшем перспективным выглядит направление расширения серии твёрдых растворов за счёт введения других переходных металлов, что позволит изучить влияние изоморфного замещения на температуры магнитного перехода и термические свойства», — поясняет Ярослав Бирюков, вед. научн. сотр. филиала филиала НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС.

Работа опубликована в коллекции «Hot papers» в Journal of Materials Chemistry C (IF = 5.2): https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/tc/d6tc01009a.