Siacutentesis de un Absorbente de Ondas Electromagneacuteticas para Comunicacioacuten Inalaacutembrica de Alta Velocidad

Abstract Ondas milimeacutetricas (30-300 GHz) estaacuten empezando a ser utilizadas en la nueva generacioacuten de comunicaciones inalaacutembricas de alta velocidad Para evitar la interferencia electromagneacutetica en las comunicaciones inalaacutembricas encontrar un absorbente de ondas electromagneacuteticas en el rango milimeacutetrico de ondas es un asunto de intereacutes En este trabajo preparamos un absorbente de ondas milimeacutetricas de alto rendimiento por series de nanomagnetos εndashoxido de hierro alumino-sustituidos ε-AlxFe2-xO3 (0lexle040) con un tamantildeo de partiacutecula entre 25 y 50 nm Los materiales en estas series tienen una estructura cristalina ortorroacutembica en el espacio del grupo Pna21 que tiene cuatro sitios nonequivalentes Fe e iones Al que predominantemente ocupan el sitio tetraedral (FeO4) Las curvas de magnetizacioacuten a bajas temperaturas mostraron que los valores Tc fueron 448 480 y 500 K para X = 040 021 y 0 respectivamente Las propiedades de absorcioacuten de ondas milimeacutetricas fueron medidas a temperatura ambiente por espectroscopia con tiempo dominado en terahertz Las frecuencias de los picos de absorcioacuten para X = 040 030 021 009 006 y 0 fueron observados a 112 125 145 162 172 y 182 GHz respectivamente Estas absorbancias se deben a la resonancia natural lograda por las grandes anisotropiacuteas magneacuteticas en estas series Tales frecuencias son las maacutes altas para materiales magneacuteticos Gracias a que el aluminio es el tercer elemento maacutes abundante el εndashoxido de hierro alumino-sustituido es muy econoacutemico de ahiacute que estos materiales sean de gran ventaja para las diferentes aplicaciones industriales

Introduccioacuten

Para evitar efectos nocivos en la salud por la alta exposicioacuten a ondas electromagneacuteticas (EM) las ondas EM innecesarias deberiacutean ser eliminadas para proteger el cuerpo humano especialmente a madres gestantes y nintildeos A lo anterior la interferencia electromagneacutetica (EMI por sus siglas en ingleacutes) es un grave problema para las comunicaciones inalaacutembricas Recientemente debido al maravilloso desarrollo de transistores compuestos o semiconductores complementarios oxido-metal o transistores de unioacuten bipolar2-6 las ondas EM dentro del rango de milimeacutetrico de ondas estaacuten siendo utilizadas en la siguiente generacioacuten de dispositivos electroacutenicos para las comunicaciones inalaacutembricas de alta velocidad7-9 Para prevenir efectos nocivos en la salud y el problema de las EMI en las comunicaciones inalaacutembricas un absorbente de ondas milimeacutetricas debe ser equipado en equipos electroacutenicos como aislante 10-13 y deberiacutea ser pintado en los objetos De ahiacute que encontrar un absorbente magneacutetico apropiado sea un asunto de urgencia En general cuando una onda EM es irradiada a un ferromagneto los efectos giromagneacuteticos conducen a la resonancia la cual es llamada resonancia natural tal y como se muestra en la Figura 114-17 La frecuencia de resonancia natural ( f r) es proporcional al campo de la anisotropiacutea magnetocristalina ( H a) que se expresa como fr= (ν2π) Ha donde ν es la proporcioacuten giromagneacutetica En este trabajo preparamos un absorber de alto desempentildeo de ondas milimeacutetricas compuesto de una serie de nanomagnetos ε-AlxFe2-xO3 Estos materiales magneacuteticos muestran resonancias naturales en una regioacuten de hasta 18 GHz la cual es la frecuencia maacutes alta para materiales magneacuteticos Debido a que el aluminio es el tercer aacutetomo maacutes abundante los costos de produccioacuten son muy econoacutemicos lo cual es muy ventajoso para aplicaciones praacutecticas

Seccioacuten Experimental

Las muestras para X= 006 009 021 030 040 fueron preparadas utilizando las teacutecnicas reverse-micelle y sol-gel Se formaron sistemas de microemulsioacuten con C16H33N(CH)3Br y CH3(CH2)3OH con una proporcioacuten molar de [H2O] [C16H33N(CH)3Br]= 31 La microemulsioacuten que conteniacutea una solucioacuten acuosa de Fe(NO3)3 (048 045 043 y 038moldm3 para X= 006 009 021 030 040 respectivamente) y Al(NO3)3 (0013 0025 0050 0075 y 0125moldm3 para X= 006 009 021 030 040 respectivamente) se mezcloacute con otra microemulsioacuten que conteniacutea una solucioacuten acuosa 5moldm3 de NH3 mientras se agitaba raacutepidamente Entonces se agregoacute Si(C2H5O)4 en solucioacuten para obtener una relacioacuten molar final de [Si][Al+Fe]= 15 Esta mezcla se agitoacute por 20 h y los materiales fueron subsecuentemente sinterizados por 4h al aire La temperatura de templado para X= 021 fue de 1025L C mientras que la temperatura para X= 006 009 030 y 040 fue de 1050L C las matrices de SiO2 fueron sumergidas en una solucioacuten de NaOH durante 24 h a 60L C La muestra para X= 0 se preparoacute por un meacutetodo de impregnado basado en partiacuteculas de silica de porosidad media Las partiacuteculas de silica de porosidad media fueron sintetizadas por un meacutetodo similar al reportado por Moumlller et al18 Primero 62 mmol de Si(C2H5O)4 fueron agregados a una solucioacuten compuesta de 4 mmol de H2O 018 mol de C2H5OH 16 mmol de C16H33N(CH3)3Cl y 62 mmol de N(CH2CH2OH)3 a 60L C y se agitoacute por 2 h Las nanopartiacuteculas mesoporosas de silica se obtuvieron luego de centrifugar y calentar a 600L C En una solucioacuten de metanol y agua que conteniacutea 125 mmol de Fe(NO3)3 fueron inmersos 117 mmol de silica mesoporosa y se calentoacute al aire a 1200L C por 4 h Las matrices de SiO2 fueron sumergidas en una solucioacuten de NaOH por 24 h a 70L C

El anaacutelisis elemental de las muestras preparadas se llevoacute a cabo utilizando espectroscopiacutea de masa con fuente de plasma acoplado (ICP Agilent Technologies HP 4500) Las mediciones (TEM) microscopiacutea de transmisioacuten de electrones se hicieron usando un JEOL JEM-200EXII mientras que las difracciones de rayos x se hicieron con un Rigaku RINT2100 con radiacioacuten Cu Kα (λ= 15418 Aring) a 289K dentro del rango 10L le 2θ le 100L Los anaacutelisis Rietveld se llevaron a cabo con el programa RIETAN-FP19 Las propiedades magneacuteticas fueron medidas usando un dispositivo superconductor de interferencia cuaacutentica (SQUID) magnetoacutemetro (Quantum Design MPMS 7)

Para las mediciones por espectroscopia con dominio de tiempo en terahertz (THz) se usoacute un sistema bomba-sonda20 La Figura S1 en la Informacioacuten de Soporte muestra un diagrama esquemaacutetico del sistema de espectroscopiacutea con dominio de tiempo THz La salida de un Ti en modo bloqueado laser de zafiro con pulso en femtosegundos con tiempo de duracioacuten de 20 fs a una tasa de repeticioacuten de 76 MHz dividido entre un haz bomba y sonda Como emisores y detectores de ondas THz antenas fotoconductivas de GeAs grown a baja temperatura tipo dipolo y tipo corbatiacuten fueron usadas respectivamente La muestra fue colocada en el porta muestras el cual fue insertado entre un conjunto de espejos paraboidales Los campos eleacutectricos del pulso de onda THz transmitido formados en el tiempo de dominio fueron obtenidos cambiando el tiempo de retardo entre los pulsos de la bomba y los de la sonda Los espectros de absorcioacuten de las ondas Hz fueron calculados con la siguiente ecuacioacuten (absorcioacuten)= -10Logt (ω)2(dB) (t(ω) transmitancia de amplitud compleja) Las muestras fueron dispuestas en contenedores de papel (8mm x 8mm x 8mm) Las proporciones de las muestras en polvo al contenedor de las mismas se muestra como sigue 30 (x= 021) 26 (x=006) 24 (x=009) 29 (x=021) 29 (x= 030) y 34 (x=

040) Una absorcioacuten de 20 dB indicoacute que el 99 de las ondas EM introducidas fueron absorbidas lo cual es el valor objetivo para absorbentes EM desde un punto de vista industrial

Resultados y Discusioacuten

Las imaacutegenes TEM indicaron que las nanopartiacuteculas tienen un tamantildeo promedio de partiacutecula entre 25 y 50 nm ( Figura 2 y Figura S2) y los anaacutelisis Rietveld de los patrones XRD demostraron que los materiales tine un a estructura cristalina ortorroacutembica en el espacio del grupo Pna21 (Figura 2 Tabla S1 y Figura S2) Esta estructura cristalina tiene cuatro sitios nonequivalentes Fe (A-D) esto es la geometriacutea de coordinacioacuten de los sitios A-C son [FeO6] octaedrales mientras que la del sitio D es [FeO4] tetraedral Por ejemplo en la muestra de x= 021 el grado de las sustituciones Al de los sitios D fue 30 mientras que las de los sitios A B y C fueron 0 3 y 8 respectivamente Los iones A predominantemente ocuparon los sitios D porque el Al3+(0535 Aring) tiene un radio ioacutenico menor el Fe3+ (0645Aring) 21 de ahiacute que el Al ocupe sitios tetraedrales Las constantes reticulares para estas muestras fueron sistemaacuteticamente comprimidas a medida que se incrementoacute x (Tabla 1)

La figura 3b muestra las curvas de magnetizacioacuten a bajas temperaturas (FMC) para x= 040 021 y 0 en un campo magneacutetico externo de 10 Oe lo que indicoacute que los valores Tc son 448480 y 500 K para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura 3c grafica la magnetizacioacuten versus campo magneacutetico externo para x= 040 021 y 0 a 300 K Los valores Hc a 300 K fueron 102 149 y225 kOe para x= 040 021 y 0 respectivamente Los valores de saturacioacuten de magnetizacioacuten (Ms) a 300 K fueron 197 170 y 149 emu g-1 para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura S3 muestra las curvas FMC y la magnetizacioacuten versus el campo externo a 300 K para los otros materiales de composicioacuten La Tabla 2 resume las propiedades magneacuteticas

Los picos de las frecuencias de absorcioacuten en el rango milimeacutetrico de onda para x= 040 030 021 009 006 y 0 fueron observados a 112 125 145 162 172 182 GHz respectivamente (Figura 4) En el caso de un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la direccioacuten de la magnetizacioacuten se restringioacute alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten Sin embargo cuando una onda EM era irradiada a un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la magnetizacioacuten procesada alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten y una resinancia natural teniacutean lugar El valor fr es proporcional a Ha Cuando la muestra consistiacutea en partiacuteculas magneacuteticas orientadas aleatoriamente el valor de Ha es proporcional a Hc De hecho el valor fr observado se incrementaba al incrementar Hc

Conclusiones

En resumen preparamos series de ε-AlxFe2-xO3 que absorben ondas milimeacutetricas en el rango de alta frecuencia Estos valores fr son los maacutes altos reportados para cualquier material magneacutetico Tales altas frecuencias pueden ser logradas por un valor grande Ha de ε-Fe2O3 que tiene un campo magneacutetico coactivo grande22-27Gracias a que nuestros materiales son oacutexidos metaacutelicos son estables por largos periodos Ademaacutes gracias al bajo costo de produccioacuten del ε ndashoxido de hierro alumino-sustituido y a que no representa ninguacuten riesgo para el medio ambiente los materiales sintetizados son de gran utilidad en aplicaciones industriales de absorbentes de ondas milimeacutetricas como para las carroceriacuteas de autos trenes o aviones asiacute como las paredes de una oficina residencia o habitacioacuten de hospital

RESENtildeAS DE LAS FIGURAS Y TABLAS

Figura 1 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la resonancia natural debida al efecto giromagneacutetico Precesioacuten de la magnetizacioacuten (M) del campo de anisotropiacutea (Ha) causa absorcioacuten de ondas electromagneacuteticas Frecuencia de resonancia natural (fr) se expresa como fr= (ν2π)Ha En magnetos con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial fr es proporcional al campo coactivo (Hc)

Figura 2 Patrones de la difraccioacuten de rayos-x en polvo en ε-AlxFe2-xO3 para (a) x= 0 (b) x= 021 y (c) x= 040 Los puntos rojos liacuteneas negras y liacuteneas azules son los patrones observados patrones calculados y sus diferencias respectivamente Las barras verdes representan las posiciones calculadas de las reflexiones de Bragg del ε-AlxFe2-xO3 En los recuadros aparecen las imaacutegenes TEM y la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula (d)

Tabla 1 Paraacutemetros de la Estructura Cristalina del ε-AlxFe2-xO3 a Temperatura Ambiente Obtenidos por el Refinamiento Rietvield de la Difraccioacuten de Rayos-X

a Todas las muestras estaacuten en el espacio del grupo Pna21 Los datos incluyen los paraacutemetros lattice y las tasas de las sustituciones Al de los sitios Fe (A-D)

Tabla 2 Propiedades Magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3

a Valores medidos a 300 K

Figura 3 Distribucioacuten de las sustituciones Al y las propiedades magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3 (x= 040 021 y 0) (a) Porcentaje de las sustituciones en cada sitio Fe (A-D) descritos por el sombreado rojo (b) Curvas FCM para x= 040 021 y 0 en el campo magneacutetico externo de 10 Oe (c) Diagramas de magnetizacioacuten vs campo externo para x=040 021 y 0 a 300 K

Figura 4 Espectros de absorcioacuten de ondas milimeacutetricas del ε-AlxFe2-xO3 para x= 040 (rosado) x= 030 (azul) x= 021 (azul claro) x= 009 (verde claro) x= 006 (amarillo) y x=0 (anaranjado) medidos por espectroscopia con dominio de tiempo en THz

httpbooksgooglecombooksid=6up-8zBDXtMCamppg=PA67ampdq=microscopia+de+transmision+electronicaamphl=esampei=3kQ7TZ6cIoP98Abq9ZSOCgampsa=Xampoi=book_resultampct=resultampresnum=1ampved=0CCUQ6AEwAAv=onepageampqampf=false

Seccioacuten Experimental

Las muestras para X= 006 009 021 030 040 fueron preparadas utilizando las teacutecnicas reverse-micelle y sol-gel Se formaron sistemas de microemulsioacuten con C16H33N(CH)3Br y CH3(CH2)3OH con una proporcioacuten molar de [H2O] [C16H33N(CH)3Br]= 31 La microemulsioacuten que conteniacutea una solucioacuten acuosa de Fe(NO3)3 (048 045 043 y 038moldm3 para X= 006 009 021 030 040 respectivamente) y Al(NO3)3 (0013 0025 0050 0075 y 0125moldm3 para X= 006 009 021 030 040 respectivamente) se mezcloacute con otra microemulsioacuten que conteniacutea una solucioacuten acuosa 5moldm3 de NH3 mientras se agitaba raacutepidamente Entonces se agregoacute Si(C2H5O)4 en solucioacuten para obtener una relacioacuten molar final de [Si][Al+Fe]= 15 Esta mezcla se agitoacute por 20 h y los materiales fueron subsecuentemente sinterizados por 4h al aire La temperatura de templado para X= 021 fue de 1025L C mientras que la temperatura para X= 006 009 030 y 040 fue de 1050L C las matrices de SiO2 fueron sumergidas en una solucioacuten de NaOH durante 24 h a 60L C La muestra para X= 0 se preparoacute por un meacutetodo de impregnado basado en partiacuteculas de silica de porosidad media Las partiacuteculas de silica de porosidad media fueron sintetizadas por un meacutetodo similar al reportado por Moumlller et al18 Primero 62 mmol de Si(C2H5O)4 fueron agregados a una solucioacuten compuesta de 4 mmol de H2O 018 mol de C2H5OH 16 mmol de C16H33N(CH3)3Cl y 62 mmol de N(CH2CH2OH)3 a 60L C y se agitoacute por 2 h Las nanopartiacuteculas mesoporosas de silica se obtuvieron luego de centrifugar y calentar a 600L C En una solucioacuten de metanol y agua que conteniacutea 125 mmol de Fe(NO3)3 fueron inmersos 117 mmol de silica mesoporosa y se calentoacute al aire a 1200L C por 4 h Las matrices de SiO2 fueron sumergidas en una solucioacuten de NaOH por 24 h a 70L C

El anaacutelisis elemental de las muestras preparadas se llevoacute a cabo utilizando espectroscopiacutea de masa con fuente de plasma acoplado (ICP Agilent Technologies HP 4500) Las mediciones (TEM) microscopiacutea de transmisioacuten de electrones se hicieron usando un JEOL JEM-200EXII mientras que las difracciones de rayos x se hicieron con un Rigaku RINT2100 con radiacioacuten Cu Kα (λ= 15418 Aring) a 289K dentro del rango 10L le 2θ le 100L Los anaacutelisis Rietveld se llevaron a cabo con el programa RIETAN-FP19 Las propiedades magneacuteticas fueron medidas usando un dispositivo superconductor de interferencia cuaacutentica (SQUID) magnetoacutemetro (Quantum Design MPMS 7)

Para las mediciones por espectroscopia con dominio de tiempo en terahertz (THz) se usoacute un sistema bomba-sonda20 La Figura S1 en la Informacioacuten de Soporte muestra un diagrama esquemaacutetico del sistema de espectroscopiacutea con dominio de tiempo THz La salida de un Ti en modo bloqueado laser de zafiro con pulso en femtosegundos con tiempo de duracioacuten de 20 fs a una tasa de repeticioacuten de 76 MHz dividido entre un haz bomba y sonda Como emisores y detectores de ondas THz antenas fotoconductivas de GeAs grown a baja temperatura tipo dipolo y tipo corbatiacuten fueron usadas respectivamente La muestra fue colocada en el porta muestras el cual fue insertado entre un conjunto de espejos paraboidales Los campos eleacutectricos del pulso de onda THz transmitido formados en el tiempo de dominio fueron obtenidos cambiando el tiempo de retardo entre los pulsos de la bomba y los de la sonda Los espectros de absorcioacuten de las ondas Hz fueron calculados con la siguiente ecuacioacuten (absorcioacuten)= -10Logt (ω)2(dB) (t(ω) transmitancia de amplitud compleja) Las muestras fueron dispuestas en contenedores de papel (8mm x 8mm x 8mm) Las proporciones de las muestras en polvo al contenedor de las mismas se muestra como sigue 30 (x= 021) 26 (x=006) 24 (x=009) 29 (x=021) 29 (x= 030) y 34 (x=

040) Una absorcioacuten de 20 dB indicoacute que el 99 de las ondas EM introducidas fueron absorbidas lo cual es el valor objetivo para absorbentes EM desde un punto de vista industrial

Resultados y Discusioacuten

Las imaacutegenes TEM indicaron que las nanopartiacuteculas tienen un tamantildeo promedio de partiacutecula entre 25 y 50 nm ( Figura 2 y Figura S2) y los anaacutelisis Rietveld de los patrones XRD demostraron que los materiales tine un a estructura cristalina ortorroacutembica en el espacio del grupo Pna21 (Figura 2 Tabla S1 y Figura S2) Esta estructura cristalina tiene cuatro sitios nonequivalentes Fe (A-D) esto es la geometriacutea de coordinacioacuten de los sitios A-C son [FeO6] octaedrales mientras que la del sitio D es [FeO4] tetraedral Por ejemplo en la muestra de x= 021 el grado de las sustituciones Al de los sitios D fue 30 mientras que las de los sitios A B y C fueron 0 3 y 8 respectivamente Los iones A predominantemente ocuparon los sitios D porque el Al3+(0535 Aring) tiene un radio ioacutenico menor el Fe3+ (0645Aring) 21 de ahiacute que el Al ocupe sitios tetraedrales Las constantes reticulares para estas muestras fueron sistemaacuteticamente comprimidas a medida que se incrementoacute x (Tabla 1)

La figura 3b muestra las curvas de magnetizacioacuten a bajas temperaturas (FMC) para x= 040 021 y 0 en un campo magneacutetico externo de 10 Oe lo que indicoacute que los valores Tc son 448480 y 500 K para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura 3c grafica la magnetizacioacuten versus campo magneacutetico externo para x= 040 021 y 0 a 300 K Los valores Hc a 300 K fueron 102 149 y225 kOe para x= 040 021 y 0 respectivamente Los valores de saturacioacuten de magnetizacioacuten (Ms) a 300 K fueron 197 170 y 149 emu g-1 para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura S3 muestra las curvas FMC y la magnetizacioacuten versus el campo externo a 300 K para los otros materiales de composicioacuten La Tabla 2 resume las propiedades magneacuteticas

Los picos de las frecuencias de absorcioacuten en el rango milimeacutetrico de onda para x= 040 030 021 009 006 y 0 fueron observados a 112 125 145 162 172 182 GHz respectivamente (Figura 4) En el caso de un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la direccioacuten de la magnetizacioacuten se restringioacute alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten Sin embargo cuando una onda EM era irradiada a un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la magnetizacioacuten procesada alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten y una resinancia natural teniacutean lugar El valor fr es proporcional a Ha Cuando la muestra consistiacutea en partiacuteculas magneacuteticas orientadas aleatoriamente el valor de Ha es proporcional a Hc De hecho el valor fr observado se incrementaba al incrementar Hc

Conclusiones

En resumen preparamos series de ε-AlxFe2-xO3 que absorben ondas milimeacutetricas en el rango de alta frecuencia Estos valores fr son los maacutes altos reportados para cualquier material magneacutetico Tales altas frecuencias pueden ser logradas por un valor grande Ha de ε-Fe2O3 que tiene un campo magneacutetico coactivo grande22-27Gracias a que nuestros materiales son oacutexidos metaacutelicos son estables por largos periodos Ademaacutes gracias al bajo costo de produccioacuten del ε ndashoxido de hierro alumino-sustituido y a que no representa ninguacuten riesgo para el medio ambiente los materiales sintetizados son de gran utilidad en aplicaciones industriales de absorbentes de ondas milimeacutetricas como para las carroceriacuteas de autos trenes o aviones asiacute como las paredes de una oficina residencia o habitacioacuten de hospital

RESENtildeAS DE LAS FIGURAS Y TABLAS

Figura 1 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la resonancia natural debida al efecto giromagneacutetico Precesioacuten de la magnetizacioacuten (M) del campo de anisotropiacutea (Ha) causa absorcioacuten de ondas electromagneacuteticas Frecuencia de resonancia natural (fr) se expresa como fr= (ν2π)Ha En magnetos con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial fr es proporcional al campo coactivo (Hc)

Figura 2 Patrones de la difraccioacuten de rayos-x en polvo en ε-AlxFe2-xO3 para (a) x= 0 (b) x= 021 y (c) x= 040 Los puntos rojos liacuteneas negras y liacuteneas azules son los patrones observados patrones calculados y sus diferencias respectivamente Las barras verdes representan las posiciones calculadas de las reflexiones de Bragg del ε-AlxFe2-xO3 En los recuadros aparecen las imaacutegenes TEM y la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula (d)

Tabla 1 Paraacutemetros de la Estructura Cristalina del ε-AlxFe2-xO3 a Temperatura Ambiente Obtenidos por el Refinamiento Rietvield de la Difraccioacuten de Rayos-X

a Todas las muestras estaacuten en el espacio del grupo Pna21 Los datos incluyen los paraacutemetros lattice y las tasas de las sustituciones Al de los sitios Fe (A-D)

Tabla 2 Propiedades Magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3

a Valores medidos a 300 K

Figura 3 Distribucioacuten de las sustituciones Al y las propiedades magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3 (x= 040 021 y 0) (a) Porcentaje de las sustituciones en cada sitio Fe (A-D) descritos por el sombreado rojo (b) Curvas FCM para x= 040 021 y 0 en el campo magneacutetico externo de 10 Oe (c) Diagramas de magnetizacioacuten vs campo externo para x=040 021 y 0 a 300 K

Figura 4 Espectros de absorcioacuten de ondas milimeacutetricas del ε-AlxFe2-xO3 para x= 040 (rosado) x= 030 (azul) x= 021 (azul claro) x= 009 (verde claro) x= 006 (amarillo) y x=0 (anaranjado) medidos por espectroscopia con dominio de tiempo en THz

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040) Una absorcioacuten de 20 dB indicoacute que el 99 de las ondas EM introducidas fueron absorbidas lo cual es el valor objetivo para absorbentes EM desde un punto de vista industrial

Resultados y Discusioacuten

Las imaacutegenes TEM indicaron que las nanopartiacuteculas tienen un tamantildeo promedio de partiacutecula entre 25 y 50 nm ( Figura 2 y Figura S2) y los anaacutelisis Rietveld de los patrones XRD demostraron que los materiales tine un a estructura cristalina ortorroacutembica en el espacio del grupo Pna21 (Figura 2 Tabla S1 y Figura S2) Esta estructura cristalina tiene cuatro sitios nonequivalentes Fe (A-D) esto es la geometriacutea de coordinacioacuten de los sitios A-C son [FeO6] octaedrales mientras que la del sitio D es [FeO4] tetraedral Por ejemplo en la muestra de x= 021 el grado de las sustituciones Al de los sitios D fue 30 mientras que las de los sitios A B y C fueron 0 3 y 8 respectivamente Los iones A predominantemente ocuparon los sitios D porque el Al3+(0535 Aring) tiene un radio ioacutenico menor el Fe3+ (0645Aring) 21 de ahiacute que el Al ocupe sitios tetraedrales Las constantes reticulares para estas muestras fueron sistemaacuteticamente comprimidas a medida que se incrementoacute x (Tabla 1)

La figura 3b muestra las curvas de magnetizacioacuten a bajas temperaturas (FMC) para x= 040 021 y 0 en un campo magneacutetico externo de 10 Oe lo que indicoacute que los valores Tc son 448480 y 500 K para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura 3c grafica la magnetizacioacuten versus campo magneacutetico externo para x= 040 021 y 0 a 300 K Los valores Hc a 300 K fueron 102 149 y225 kOe para x= 040 021 y 0 respectivamente Los valores de saturacioacuten de magnetizacioacuten (Ms) a 300 K fueron 197 170 y 149 emu g-1 para x= 040 021 y 0 respectivamente La figura S3 muestra las curvas FMC y la magnetizacioacuten versus el campo externo a 300 K para los otros materiales de composicioacuten La Tabla 2 resume las propiedades magneacuteticas

Los picos de las frecuencias de absorcioacuten en el rango milimeacutetrico de onda para x= 040 030 021 009 006 y 0 fueron observados a 112 125 145 162 172 182 GHz respectivamente (Figura 4) En el caso de un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la direccioacuten de la magnetizacioacuten se restringioacute alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten Sin embargo cuando una onda EM era irradiada a un material ferromagneacutetico con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial la magnetizacioacuten procesada alrededor del eje de faacutecil imanacioacuten y una resinancia natural teniacutean lugar El valor fr es proporcional a Ha Cuando la muestra consistiacutea en partiacuteculas magneacuteticas orientadas aleatoriamente el valor de Ha es proporcional a Hc De hecho el valor fr observado se incrementaba al incrementar Hc

Conclusiones

En resumen preparamos series de ε-AlxFe2-xO3 que absorben ondas milimeacutetricas en el rango de alta frecuencia Estos valores fr son los maacutes altos reportados para cualquier material magneacutetico Tales altas frecuencias pueden ser logradas por un valor grande Ha de ε-Fe2O3 que tiene un campo magneacutetico coactivo grande22-27Gracias a que nuestros materiales son oacutexidos metaacutelicos son estables por largos periodos Ademaacutes gracias al bajo costo de produccioacuten del ε ndashoxido de hierro alumino-sustituido y a que no representa ninguacuten riesgo para el medio ambiente los materiales sintetizados son de gran utilidad en aplicaciones industriales de absorbentes de ondas milimeacutetricas como para las carroceriacuteas de autos trenes o aviones asiacute como las paredes de una oficina residencia o habitacioacuten de hospital

RESENtildeAS DE LAS FIGURAS Y TABLAS

Figura 1 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la resonancia natural debida al efecto giromagneacutetico Precesioacuten de la magnetizacioacuten (M) del campo de anisotropiacutea (Ha) causa absorcioacuten de ondas electromagneacuteticas Frecuencia de resonancia natural (fr) se expresa como fr= (ν2π)Ha En magnetos con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial fr es proporcional al campo coactivo (Hc)

Figura 2 Patrones de la difraccioacuten de rayos-x en polvo en ε-AlxFe2-xO3 para (a) x= 0 (b) x= 021 y (c) x= 040 Los puntos rojos liacuteneas negras y liacuteneas azules son los patrones observados patrones calculados y sus diferencias respectivamente Las barras verdes representan las posiciones calculadas de las reflexiones de Bragg del ε-AlxFe2-xO3 En los recuadros aparecen las imaacutegenes TEM y la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula (d)

Tabla 1 Paraacutemetros de la Estructura Cristalina del ε-AlxFe2-xO3 a Temperatura Ambiente Obtenidos por el Refinamiento Rietvield de la Difraccioacuten de Rayos-X

a Todas las muestras estaacuten en el espacio del grupo Pna21 Los datos incluyen los paraacutemetros lattice y las tasas de las sustituciones Al de los sitios Fe (A-D)

Tabla 2 Propiedades Magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3

a Valores medidos a 300 K

Figura 3 Distribucioacuten de las sustituciones Al y las propiedades magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3 (x= 040 021 y 0) (a) Porcentaje de las sustituciones en cada sitio Fe (A-D) descritos por el sombreado rojo (b) Curvas FCM para x= 040 021 y 0 en el campo magneacutetico externo de 10 Oe (c) Diagramas de magnetizacioacuten vs campo externo para x=040 021 y 0 a 300 K

Figura 4 Espectros de absorcioacuten de ondas milimeacutetricas del ε-AlxFe2-xO3 para x= 040 (rosado) x= 030 (azul) x= 021 (azul claro) x= 009 (verde claro) x= 006 (amarillo) y x=0 (anaranjado) medidos por espectroscopia con dominio de tiempo en THz

httpbooksgooglecombooksid=6up-8zBDXtMCamppg=PA67ampdq=microscopia+de+transmision+electronicaamphl=esampei=3kQ7TZ6cIoP98Abq9ZSOCgampsa=Xampoi=book_resultampct=resultampresnum=1ampved=0CCUQ6AEwAAv=onepageampqampf=false

RESENtildeAS DE LAS FIGURAS Y TABLAS

Figura 1 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la resonancia natural debida al efecto giromagneacutetico Precesioacuten de la magnetizacioacuten (M) del campo de anisotropiacutea (Ha) causa absorcioacuten de ondas electromagneacuteticas Frecuencia de resonancia natural (fr) se expresa como fr= (ν2π)Ha En magnetos con anisotropiacutea magneacutetica uniaxial fr es proporcional al campo coactivo (Hc)

Figura 2 Patrones de la difraccioacuten de rayos-x en polvo en ε-AlxFe2-xO3 para (a) x= 0 (b) x= 021 y (c) x= 040 Los puntos rojos liacuteneas negras y liacuteneas azules son los patrones observados patrones calculados y sus diferencias respectivamente Las barras verdes representan las posiciones calculadas de las reflexiones de Bragg del ε-AlxFe2-xO3 En los recuadros aparecen las imaacutegenes TEM y la distribucioacuten del tamantildeo de partiacutecula (d)

Tabla 1 Paraacutemetros de la Estructura Cristalina del ε-AlxFe2-xO3 a Temperatura Ambiente Obtenidos por el Refinamiento Rietvield de la Difraccioacuten de Rayos-X

a Todas las muestras estaacuten en el espacio del grupo Pna21 Los datos incluyen los paraacutemetros lattice y las tasas de las sustituciones Al de los sitios Fe (A-D)

Tabla 2 Propiedades Magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3

a Valores medidos a 300 K

Figura 3 Distribucioacuten de las sustituciones Al y las propiedades magneacuteticas del ε-AlxFe2-xO3 (x= 040 021 y 0) (a) Porcentaje de las sustituciones en cada sitio Fe (A-D) descritos por el sombreado rojo (b) Curvas FCM para x= 040 021 y 0 en el campo magneacutetico externo de 10 Oe (c) Diagramas de magnetizacioacuten vs campo externo para x=040 021 y 0 a 300 K

Figura 4 Espectros de absorcioacuten de ondas milimeacutetricas del ε-AlxFe2-xO3 para x= 040 (rosado) x= 030 (azul) x= 021 (azul claro) x= 009 (verde claro) x= 006 (amarillo) y x=0 (anaranjado) medidos por espectroscopia con dominio de tiempo en THz

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