mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2023-2-110-121BHQDOCmateltech-520Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYСинтез, структура и электромагнитные свойства нанокомпозитов FeCoCu/CSynthesis, structure and electromagnetic properties of FeCoCu/C nanocompositeshttps://orcid.org/0000-0002-4865-288XМуратовД. Г.MuratovD. G.

Ленинский просп., д. 29, Москва, 119991;

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Муратов Дмитрий Геннадиевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник (1), доцент (2)

29 Leninsky Ave., Moscow 119991;

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Dmitriy G. Muratov — Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher (1), Associate Professor (2)

muratovdg@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4973-1328КожитовЛ. В.KozhitovL. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Lev V. Kozhitov — Dr. Sci. (Eng.), Professor

kozitov@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9486-2482ЗапороцковаИ. В.ZaporotskovaI. V.

Университетский просп., д. 100, Волгоград, 400062

Запороцкова Ирина Владимировна — доктор физ.-мат. наук, профессор, директор института приоритетных технологий

100 Universitetsky Ave., Volgograd 400062

Irina V. Zaporotskova — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Director of the Institute of Priority Technologies

irinazaporotskova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4657-9305ПопковаА. В.PopkovaA. V.

ул. Железнодорожная, д. 24, Подольск, 142103

Попкова Алёна Васильевна — старший научный сотрудник

 

24 Zheleznodorozhnaya Str., Podolsk 142103

Alena V. Popkova — Senior Researcher

popkova-alena@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6688-2681ТаралаВ. А.TaralaV. A.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355017

Тарала Виталий Алексеевич — канд. хим. наук, старший научный сотрудник

1 Pushkin Str., Stavropol 355017

Vitaly А. Tarala — Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher

vitaly-tarala@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5213-2951КоровинЕ. Ю.KorovinE. Yu.

просп. Ленина, д. 36, Томск, 634050

Коровин Евгений Юрьевич — канд. физ.-мат. наук

36 Lenin Ave., Tomsk 634050

Evgeniy Yu. Korovin — Cand. Sci. (Phys.-Math.)

korovin_ey@mail.tsu.ruЗоринА. В.ZorinA. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Зорин Артём Викторович — аспирант, кафедра технологий материалов электроники

 

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Artem V. Zorin — Postgraduate Student

m1602075@edu.misis.ruИнститут нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева Российской академии наук; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияA.V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis of the Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationВолгоградский государственный университетРоссияVolgograd State UniversityRussian FederationАО «НИИ НПО «ЛУЧ»РоссияJSC “Research Institute NPO “LUCH”Russian FederationСеверо-Кавказский федеральный университетРоссияNorth Caucasian Federal UniversityRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияTomsk State UniversityRussian Federation202307072023262110121Copyright © Муратов Д.Г., Кожитов Л.В., Запороцкова И.В., Попкова А.В., Тарала В.А., Коровин Е.Ю., Зорин А.В., 20232023Муратов Д.Г., Кожитов Л.В., Запороцкова И.В., Попкова А.В., Тарала В.А., Коровин Е.Ю., Зорин А.В.Muratov D.G., Kozhitov L.V., Zaporotskova I.V., Popkova A.V., Tarala V.A., Korovin E.Y., Zorin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/520

Синтезированы тройные наночастицы FeCoCu, распределенные и стабилизированные в углеродной матрице металлоуглеродных нанокомпозитов FeCoCu/C. Синтез нанокомпозитов осуществлен методом контролируемого ИК-пиролиза прекурсоров типа «полимер — ацетилацетонат железа — ацетаты кобальта и меди», полученных совместным растворением компонентов с последующим удалением растворителя. Исследовано влияние температуры синтеза на структуру, состав и электромагнитные свойства нанокомпозитов. Методом рентгенофлуоресцентного анализа показано, что образование тройных наночастиц FeCoCu происходит за счет взаимодействия Fe3С с наночастицами твердого раствора CoCu. С повышением температуры синтеза увеличивается размер наночастиц металлов, что обусловлено процессами их агломерации и коалесценции при перестройке матрицы. Также в зависимости от температуры синтеза и соотношения металлов могут образовываться наночастицы тройного сплава с различным составом. Методом рамановской спектроскопии показано, что с повышением температуры синтеза степень кристалличности углеродной матрицы нанокомпозитов возрастает. Исследованы частотные зависимости относительной комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости нанокомпозитов в диапазоне 3—13 ГГц. Показано, что изменение соотношения металлов приводит к значительному увеличению как диэлектрических, так и магнитных потерь. Первые связаны с формированием сложной наноструктуры углеродной матрицы нанокомпозита, а вторые обусловлены увеличением размера наночастиц и сдвигом частоты естественного ферромагнитного резонанса в низкочастотную область. Расчеты потерь на отражение проведены по стандартной методике на основе экспериментальных данных частотных зависимостей комплексной магнитной и диэлектрической проницаемости. Показано, что регулирование частотного диапазона и значения поглощения электромагнитных волн (от –20 до –52 дБ) может осуществляться путем изменения соотношения металлов в прекурсоре. Полученные нанокомпозиты обеспечивают более высокие результаты по сравнению с нанокомпозитами FeCo/C, полученными при аналогичных условиях.

FeCoCu ternary nanoparticles distributed and stabilized in the carbon matrix of FeCoCu/C metal-carbon nanocomposites have been synthesized using controlled IR pyrolysis of precursors consisting of the “polymer / iron acetylacetate / cobalt and copper acetates” type system obtained by joint dissolution of components followed by solvent removal. The effect of the synthesis temperature on the structure, composition and electromagnetic properties of the nanocomposites has been studied. By XRD was shown that the formation of the FeCoCu ternary nanoparticles occurs due to the interaction of Fe3С with the nanoparticles of the CoCu solid solution. An increase in the synthesis temperature leads to an increase in the size of the metal nanoparticles due to their agglomeration and coalescence as a result of matrix reconstruction. Furthermore, ternary alloy nanoparticles having a variable composition may form depending on the synthesis temperature and the content ratio of the metals. Raman spectroscopy has shown that the crystallinity of the carbon matrix of the nanocomposites increases with the synthesis temperature. The frequency responses of the relative permittivity and permeability of the nanocomposites have been studied at 3–13 GHz. It has been shown that a change in the content ratio of the metals noticeably increases both the dielectric and the magnetic losses. The former loss is caused by the formation of a complex nanostructure of the nanocomposite carbon matrix while the latter one originates from an increase in the size of the nanoparticles and a shift of the natural ferromagnetic resonance frequency to the low-frequency region. The reflection loss has been calculated using a standard method from the experimental data on the frequency responses of the relative permittivity and permeability. It has been shown that the frequency range and the absorption of electromagnetic waves (from –20 to –52 dB) can be controlled by varying the content ratio of the metals in the precursor. The nanocomposites obtained as a result of the experiment deliver better results in comparison with FeCo/C nanocomposites synthesized under similar conditions.

металлоуглеродные нанокомпозитыкомплексная диэлектрическая и магнитная проницаемостьнаночастицы FeCoCuРаман-спектроскопияпотери на отражениетангенс потерьmetal-carbon nanocompositesrelative permittivity and permeabilityFeCoCu nanoparticlesRaman spectroscopyreflection lossloss tangentReferencesLu A.-H., Salabas Е.L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application. Angewandte Chemie International Edition. 2007; 46(8): 1222—1244. https://doi.org/10.1002/anie.200602866Lu A.-H., Salabas Е.L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application. Angewandte Chemie International Edition. 2007; 46(8): 1222—1244. https://doi.org/10.1002/anie.200602866Gubin S.P., Spichkin Y.I., Yurkov G.Yu., Tishin A.M. Nanomaterial for high-density magnetic data storage. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2002; 47(1): S32—S67.Gubin S.P., Spichkin Y.I., Yurkov G.Yu., Tishin A.M. Nanomaterial for high-density magnetic data storage. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2002; 47(1): S32—S67.Xu Y.H., Bai J., Wang J.-P. High-magnetic-moment multifunctional nanoparticles for nanomedicine applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007; 311(1): 131—134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.174Xu Y.H., Bai J., Wang J.-P. High-magnetic-moment multifunctional nanoparticles for nanomedicine applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007; 311(1): 131—134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.174Khadzhiev S.N., Kulikova M.V., Ivantsov M.I., Zemtsov L.M., Karpacheva G.P., Muratov D.G., Bondarenko G.N., Oknina N.V. Fischer-Tropsch synthesis in the presence of nanosized iron-polymer catalysts in a fixed-bed reactor. Petroleum Chemistry. 2016; 56: 522—528. https://doi.org/10.1134/S0965544116060049Khadzhiev S.N., Kulikova M.V., Ivantsov M.I., Zemtsov L.M., Karpacheva G.P., Muratov D.G., Bondarenko G.N., Oknina N.V. Fischer-Tropsch synthesis in the presence of nanosized iron-polymer catalysts in a fixed-bed reactor. Petroleum Chemistry. 2016; 56: 522—528. https://doi.org/10.1134/S0965544116060049Qiu F., Dai Y., Li Li, Xu Ch., Huang Y., Chen Ch., Wang Y., Jiao L., Yuan H. Synthesis of Cu@FeCo core-shellnanoparticles for the catalytic hydrolysis of ammonia borane. International Jornal of Hydrogen Energy. 2014; 39(1): 436—441.Qiu F., Dai Y., Li Li, Xu Ch., Huang Y., Chen Ch., Wang Y., Jiao L., Yuan H. Synthesis of Cu@FeCo core-shellnanoparticles for the catalytic hydrolysis of ammonia borane. International Jornal of Hydrogen Energy. 2014; 39(1): 436—441.Xu M.H., Zhong W., Qi X.S., Au C.T., Deng Y., Du Y.W. Highly stable Fe-Ni alloy nanoparticles encapsulated in carbon nanotubes: Synthesis, structure and magnetic properties. Journal of Alloys and Compounds. 2010; 495(1): 200—204. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.01.121Xu M.H., Zhong W., Qi X.S., Au C.T., Deng Y., Du Y.W. Highly stable Fe-Ni alloy nanoparticles encapsulated in carbon nanotubes: Synthesis, structure and magnetic properties. Journal of Alloys and Compounds. 2010; 495(1): 200—204. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.01.121Bahgat M., Paek M.-K., Pak J.-J. Comparative synthesize of nanocrystalline Fe-Ni and Fe-Ni-Co alloys during hydrogen reduction of NixCo1-xFe2O4. Journal of Alloys and Compounds. 2008; 466(1-2): 59—66. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.01.147Bahgat M., Paek M.-K., Pak J.-J. Comparative synthesize of nanocrystalline Fe-Ni and Fe-Ni-Co alloys during hydrogen reduction of NixCo1-xFe2O4. Journal of Alloys and Compounds. 2008; 466(1-2): 59—66. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.01.147Azizi A., Yoozbashizadeh H., Sadrnezhaad S.K. Effect of hydrogen reduction on microstructure and magnetic properties of mechanochemically synthesized Fe-16.5Ni-16.5Co nano-powder. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009; 321(18): 2729—2732. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.03.085Azizi A., Yoozbashizadeh H., Sadrnezhaad S.K. Effect of hydrogen reduction on microstructure and magnetic properties of mechanochemically synthesized Fe-16.5Ni-16.5Co nano-powder. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009; 321(18): 2729—2732. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.03.085Li X., Takahashi S. Synthesis and magnetic properties of Fe-Co-Ni nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000; 214(3): 195—203. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00081-0Li X., Takahashi S. Synthesis and magnetic properties of Fe-Co-Ni nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000; 214(3): 195—203. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00081-0Dalavi S.B., Theerthagiri J., Raja M.M., Panda R.N. Synthesis, characterization and magnetic properties of nanocrystalline FexNi80-xCo20 ternary alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2013; 344: 30—34. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.05.026Dalavi S.B., Theerthagiri J., Raja M.M., Panda R.N. Synthesis, characterization and magnetic properties of nanocrystalline FexNi80-xCo20 ternary alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2013; 344: 30—34. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.05.026Prasad N.Kr., Kumar V. Microstructure and magnetic properties of equiatomic FeNiCo alloy synthesized by mechanical alloying. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2015; 26(12): 10109—10118. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3695-7Prasad N.Kr., Kumar V. Microstructure and magnetic properties of equiatomic FeNiCo alloy synthesized by mechanical alloying. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2015; 26(12): 10109—10118. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3695-7Zehani K., Bez R., Boutahar A., Hlil E.K., Lassri H., Moscovici J., Mliki N., Bessais L. Structural, magnetic, and electronic properties of high moment FeCo nanoparticlesJ. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 591: 58—64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.208Zehani K., Bez R., Boutahar A., Hlil E.K., Lassri H., Moscovici J., Mliki N., Bessais L. Structural, magnetic, and electronic properties of high moment FeCo nanoparticlesJ. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 591: 58—64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.208Yang Y., Xu C., Xia Y., Wang T., Li F. Synthesis and microwave absorption properties of FECO nanoplates. Journal of Alloys and Compounds. 2010; 493(1-2): 549—552. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.12.153Yang Y., Xu C., Xia Y., Wang T., Li F. Synthesis and microwave absorption properties of FECO nanoplates. Journal of Alloys and Compounds. 2010; 493(1-2): 549—552. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.12.153Liu X.G., Ou Z.Q., Geng D.Y., Han Z., Jiang J.J., Liu W., Zhang Z.D. Influence of a graphite shell on the thermal and electromagnetic characteristics of FeNi nanoparticles. Carbon. 2010; 48(3): 891—897. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.011Liu X.G., Ou Z.Q., Geng D.Y., Han Z., Jiang J.J., Liu W., Zhang Z.D. Influence of a graphite shell on the thermal and electromagnetic characteristics of FeNi nanoparticles. Carbon. 2010; 48(3): 891—897. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.011Li X., Takahashi S. Synthesis and magnetic properties of Fe-Co-Ni nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000; 214(3): 195—203.Li X., Takahashi S. Synthesis and magnetic properties of Fe-Co-Ni nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000; 214(3): 195—203.Muratov D.G., Kozhitov L.V., Kazaryan T.M., Vasil’ev A.A., Popkova A.V., Korovin E.Yu. Synthesis and electromagnetic properties of FeCoNi/C nanocomposites based on polyvinyl alcohol. Russian Microelectronics. 2021; 50(8): 657—664. https://doi.org/10.1134/S1063739721080072Muratov D.G., Kozhitov L.V., Kazaryan T.M., Vasil’ev A.A., Popkova A.V., Korovin E.Yu. Synthesis and electromagnetic properties of FeCoNi/C nanocomposites based on polyvinyl alcohol. Russian Microelectronics. 2021; 50(8): 657—664. https://doi.org/10.1134/S1063739721080072Muratov D.G., Kozhitov L.V., Korovushkin V.V., Korovin E.Yu., Popkova A.V., Novotortsev V.M. Synthesis, structure and electromagnetic properties of nanocomposites with threecomponent FeCoNi nanoparticles. Russian Physics Journal. 2019; 61(10): 1788—1797. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01602-5Muratov D.G., Kozhitov L.V., Korovushkin V.V., Korovin E.Yu., Popkova A.V., Novotortsev V.M. Synthesis, structure and electromagnetic properties of nanocomposites with threecomponent FeCoNi nanoparticles. Russian Physics Journal. 2019; 61(10): 1788—1797. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01602-5Muratov D.G., Kozhitov L.V., Yakushko E.V., Vasilev A.A., Popkova A.V., Tarala V.A., Korovin E.Yu. Synthesis, structure and electromagnetic properties of FeCoAl/C nanocomposites. Modern Electronic Materials. 2021; 7(3): 99—108. https://doi.org/10.3897/j.moem.7.3.77105Muratov D.G., Kozhitov L.V., Yakushko E.V., Vasilev A.A., Popkova A.V., Tarala V.A., Korovin E.Yu. Synthesis, structure and electromagnetic properties of FeCoAl/C nanocomposites. Modern Electronic Materials. 2021; 7(3): 99—108. https://doi.org/10.3897/j.moem.7.3.77105Mondal B.N., Basumallick A., Nath D.N., Cnattopaahyuy P.P. Phase evolution and magnetic, behavior of Сu-Ni-Co-Fe quaternary alloys synthesized by ball milling. Material Chemistry and Physics. 2009; 116(2): 358—362. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.03.036Mondal B.N., Basumallick A., Nath D.N., Cnattopaahyuy P.P. Phase evolution and magnetic, behavior of Сu-Ni-Co-Fe quaternary alloys synthesized by ball milling. Material Chemistry and Physics. 2009; 116(2): 358—362. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.03.036Васильев А.А., Дзидзигури Э.Л., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Карпачева Г.П. Формирование металл-углеродных нанокомпозитов на основе наночастиц сплава Cu-Fe и карбонизированного полиакрилонитрила. Физика и химия обработки материалов. 2021; (1): 58—66. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2021-1-58-66Vasilev A.A., Dzidziguri E.L., Efimov M.N., Muratov D.G., Karpacheva G.P. Formation of metal-carbon nanocomposites based on Cu-Fe alloy nanoparticles and carbonized polyacrylonitrile. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment. 2021; (1): 58—66. (In Russ.). https://doi.org/10.30791/0015-3214-2021-1-58-66Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B. 2000; 61(20): 14095—14107. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.14095Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B. 2000; 61(20): 14095—14107. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.14095Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Communications. 2007; 143(1-2): 47—57. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Communications. 2007; 143(1-2): 47—57. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052Afghahi S.S., Shokuhfar A. Two stepsinthesis, electromagnetic and microwave absorbing properties of FeCo@C core-shell nanostructure. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014; 370: 37—44. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.06.040Afghahi S.S., Shokuhfar A. Two stepsinthesis, electromagnetic and microwave absorbing properties of FeCo@C core-shell nanostructure. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014; 370: 37—44. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.06.040Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. Курск; 2015. 169 с.Rodionov V.V. Mechanisms of interaction of microwave radiation with nanostructured carbon-containing materials. Diss. Cand. Sci. (Phys.-Mat.). Kursk; 2015. 169 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.