Estudio de primeros principios de propiedades magnéticas en óxidos complejos basados en ferritas

Resumen

Los imanes permanentes se consideran hoy en día esenciales, es decir, no pueden ser sustituidos por otros materiales. Los imanes más potentes contienen tierras raras, elementos que suponen un riesgo de suministro para la Unión Europea (UE) y otras regiones. Además, la extracción de tierras raras es perjudicial para el medio ambiente, e incluso puede llegar a causar graves problemas de salud humana. Esto ha movido a la UE a promover la investigación sobre imanes sin tierras raras, una iniciativa que encaja perfectamente con los objetivos de la neutralidad de carbono y el Pacto Verde Europeo. En este contexto se enmarca esta tesis doctoral, desarrollada en el marco del proyecto europeo H2020 Amphibian, "Imanes híbridos permanentes anisométricos basados en materiales baratos y no críticos". El trabajo que aquí se presenta está dedicado a la descripción fundamental, utilizando simulaciones ab initio, de las propiedades electrónicas y magnéticas de imanes permanentes basados en ferritas libres de tierras raras. Su objetivo último es contribuir desde un enfoque teórico a la mejora de las propiedades magnéticas de estos materiales, como forma de minimizar la dependencia de los imanes permanentes de tierras raras. En primer lugar, se aborda una descripción basada en la teoría del funcional de la densidad (DFT) de las ferritas hexagonales SrFe12O19 y cúbicas CoFe2O4, NiFe2O4, MnFe2O4 y ZnFe2O4. La forma de volumen de las ferritas cúbicas ya ha sido descrita por DFT, mientras que nuestro trabajo es pionero en la simulación de SrFe12O19. También reexaminamos algunas de las asunciones comúnmente aceptadas sobre las condiciones teóricas utilizadas para describir las ferritas cúbicas y exploramos a fondo la influencia de diferentes detalles teóricos en la determinación cuantitativa de las constantes de canje magnético. Aunque nuestro trabajo se centra en la determinación de las propiedades magnéticas, momentos locales, anisotropías y constantes de canje, también exploramos metodologías más allá de DFT para determinar las temperaturas críticas magnéticas, demostrando que los métodos de Monte Carlo tienen mayor precisión que los enfoques de campo medio. Una conclusión importante de esta parte de la tesis doctoral es la capacidad de utilizar las propiedades magnéticas como referencia para determinar el mejor potencial de Hubbard U empleado en el funcional de canje-correlación. El estudio de los volúmenes de los óxidos sirve como punto de partida necesario para las subsiguientes simulaciones basadas en modificaciones destinadas a superar el rendimiento magnético actual de los imanes permanentes libres de tierras raras. La simulación de estos sistemas constituye la segunda parte de esta tesis doctoral. Los sistemas estudiados son representativos de imanes permanentes bicomponentes nanoestructurados que combinan imanes duros y blandos. En particular, exploramos la capacidad de los cationes de Zn sustitutivos en el NiFe2O4 para aumentar la magnetización de este imán blando. Nuestros resultados ponen límites al éxito de este procedimiento para aumentar la magnetización, debido a la tendencia de los átomos de Zn a distribuirse en sitios tanto tetraédricos como octaédricos. También analizamos la contribución de los efectos de intercara al magnetismo de nanoestructuras bicomponentes blandas/duras basadas en CoFe2O4, NiFe2O4 y MnFe2O4. Nuestros resultados identifican el equilibrio entre las formas de espinela inversa y directa como la característica más importante para el rendimiento magnético de estos materiales, identificando algunos de los aspectos relevantes que influyen en este equilibrio. Por último, demostramos que, aunque la mayoría de las propiedades magnéticas globales en el sistema bicomponente corresponden a la suma de las contribuciones individuales de los óxidos implicados, la intercara introduce redistribuciones y modificaciones locales relevantes.