Ответы - final (Ответы на экзамен 1), страница 16

{М³⁺ }₃ (Fe³⁺)₃ [Fе³⁺]₂O₁₂.

додекаэдры тетраэдры октаэдры

Наиболее сильное обменное взаимодействие отмечается между тет-раэдрическими и октаэдрическими ионами железа, т.е. в цепочке (Fe)—О— [Fе], где угол связи ~ 127°. Это взаимодействие отрицательное и намного сильнее, чем внутри тетраэдрической и октаэдрической подре-Шеток, поэтому намагниченности этих подрешеток антипараллельны. Из трех обменных связей через ионы кислорода у катионов, находящихся в Додекаэдрах, {M}-O-(Fe), {M}-O-[Fe] и {М}-О-{М}, наиболее сильным является первое, т.е. с тетраэдрическими ионами железа, при этом данное взаимодействие отрицательное и значительно слабее, чем Между железными подрешетками. На слабую обменную связь додекаэд-Рической подрешетки указывает тот факт, что температуры Кюри всех Ферритов-гранатов очень близки (563 ± 15) К. Таким образом, магнитную СтРУктуру феррита-граната можно

→ ← →

записать в виде {M₃}(Fe₃)[Fe₂]O₁₂. °Се экспериментальные данные хорошо согласуются с такой магнит-Н°Й структурой. Действительно, в расчете на формульную единицу агнитный момент Y₃Fe₅O₁₂ no расчету составляет 5μв (магнитный момент одного иона Fe3"), а экспериментальное значение — 4,96μв. Д.,ч Gd₃Fe₅O₁₂ расчет дает 16μв, экспериментальное же значение — 15,2μв. В отличие от гадолиниевого феррита-граната, у ферритов с другими редкими землями согласие не столь хорошее, так как такие катионы нахо­дятся не в S-состоянии и их орбитальный момент оказывается частично замороженным. Температурная зависимость спонтанной намагниченно­сти для некоторых ферритов-гранатов приведена на рис 3.33. Видно, что у многих гранатов имеется точка компенсации. Это объясняется тем, что при низких температурах из-за большого магнитного момента редкоземельного иона сумма намагниченностей додекаэдрической и ок-таэдрической подрешеток больше, чем намагниченность тетраэдрической подрешетки. С повышением температуры намагниченность додекаэдриче­ской подрешетки быстро падает, при некоторой температуре суммарная намагниченность проходит через нуль, и далее уже превалирует намаг­ниченность тетраэдрической подрешетки.

Рис. 3.32. Фрагмент кристаллической структуры феррита-граната иттрия:

• ионы Fe³⁺ в тетраэдрах;

Θ— ионы Fe³⁺ в октаэдрах;

о - ионы Y ^3─ в

Между простыми ферритами-гранатами возможно образование взаим­ных твердых растворов. Синтезированы и замещенные ферриты-гранаты с заменой ионов Fe3r на А1³⁺, Ga³⁺ или Si⁴⁺, Ge⁴⁺, V⁵⁺ с одновремен­ным введением в додекаэдрическую подрешетку Са²⁺ для сохранения стехиометрии, а также составы со значительным содержанием ионов Bi³⁺ в додекаэдрической подрешетке.

Ферриты-гранаты обладают рядом физических свойств, которые де­лают их незаменимыми для многих физических исследований и тех­нических применений. Это большое электрическое сопротивление до ~ 10¹²Ом*см, очень малая ширина линии ферромагнитного резонанса и малые потери в диапазоне СВЧ, оптическая прозрачность в тонких слоях. Для физических исследований и практического применения очень важно то, что магнитные свойства ферритов-гранатов можно менять в широких пределах изменением химического состава и условиями синтеза.

*"С. 3.33. Намагниченности насыщения ферритов-гранатов в магнетонах Бора на Молекулу 5Fe₂O₃ • ЗМ₂О₃ [Panthenet, 1958]

Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе высокие магнитные свойства и высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т.е. там, где металлические магнитомягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу MeO•Fe2O3. В качестве металла применяют ионы Ni²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ , Zn²⁺, Cd²⁺, Li⁺ и др., которые и дают название фер­риту. Например, NiO•Fe₂O₃ — никелевый феррит, ZnO•Fe₂O₃ — цин­ковый феррит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксиферами. В последнее время широко применяются ферриты с об­щей формулой 3Me₂O₃ •5Fe₂O₃ (где Me — ион двух- или трехвалент­ного металла).

Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зави­сят от их состава и технологии получения. В промышленности используют наиболее простую технологию, заключающуюся в спека­нии оксидов при высокой температуре: в приготовленный ферритовый порошок, состоящий из обожженных окислов соответствующих металлов, тонко измельченных и тщательно перемешанных, добавля­ют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта) и из по­лученной массы под большим давлением прессуют изделия требуемой формы и обжигают их при температуре 1100—1400°С. В процессе об­жига и образуется феррит, представляющий собой твердый раствор окислов. При этом происходит усадка, которая может составлять 10—20%. Очень важно, чтобы обжиг происходил в окислительной сре­де (обычно в воздухе). Присутствие даже небольшого количества во­дорода может вызвать частично восстановление окислов, что приведет к увеличению магнитных потерь. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механи­ческую обработку, кроме шлифования и полирования.

Ферриты имеют гранецентрированную плотноупакованную ку­бическую решетку, в которой ионы кислорода образуют тетраэдры. Ионы кислорода образуют и октаэдры, которые тоже участвуют в формировании магнитных свойств. В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом является Fe³⁺, то материал обладает магнитными свойствами, например, ферриты никелевый (NiO-Fe₂O₃ ) и марганцевый (MnO-Fe₂O₃ ). Если этим ионом является Zn²⁺ или Cd²⁺ , то магнитные свойства отсутствуют, образуется немагнит­ный феррит, например, цинковый (ZnO-Fe₂O₃) или кадмиевый (CdO-Fe₂O₃). Указанные явления объясняются тем, что в ферритах между магнитными моментами соседних атомов осуществляется кос­венное обменное взаимодействие, которое приводит к их антипарал­лельной ориентации (см. гл. 14.1.5). В связи с этим кристаллическую решетку ферритов можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток, имеющих противоположные на­правления магнитных моментов ионов (атомов). В магнитном фер­рите намагниченность подрешеток неодинаковая, поэтому возникает суммарная спонтанная намагниченность, а в немагнитном феррите суммарная намагниченность равна нулю.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель-цинковые и марганец-цинковые, представляющие собой трехкомпонентные системы NiO—ZnO—Fe₂O₃ и MnO—ZnO—Fe₂O₃ (табл. 15.5). Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения маг­нитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура Кюри.

Магнитные свойства ферритов, как и альсиферов, очень сильно зависят от их состава. На рис. 15.3 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости никель-цинкового феррита от его соста­ва. Из рисунка видно, что высокие значения μ_н достигаются на очень узком участке диаграммы.

Начальная магнитная проницаемость μ_н — один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у раз­личных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20000 (μ_н = 45—35000). Чем выше начальная магнитная проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри (рис. 15.4) и менее стабильны магнитные свойства при изменении температу­ры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критиче­ской частоты ƒкр; чем больше μ_н, тем ниже ƒкр. Ферриты, у которых

Рис.15.3.Зависимость начальной агнитной магнитной проницаемости μ_н никельь-никель- -цинковых ферритов от состава

(температура обжига1380°С) Рис. 15.4. Зависимость

начальной маг­нитной

проницаемости μ_н

_от температу­ры Т для

марганец-цинковых

никель-цин­ковых ферритов

μ_н = 20—20000, во многих случаях в слабых полях эффективно заме­няют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2—3,5 раза) индукцию насыще­ния, чем металлические ферромагнетики.

Температурная зависимость магнитной проницаемости характе­ризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКμ и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости α_μ, К^{─1 '}, определяемого из выражения

α_μ = ТКμ/μ_Т1 =(μ_Т2─μ_Т1 )/[μ_Т1² (T₂─ T₁] (15.4 )

Индукция насыщения у ферритов составляет 0,1—0,4 Тл (значи­тельно ниже, чем у магнитомягких сплавов). Однако у сплавов в вы­сокочастотных полях Bs. становится ниже, чем у ферритов, из-за вы­соких размагничивающих вихревых токов.

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь tgδ_м (см. формулы (14.17) и (14.21)). В слабых по­лях потери на вихревые токи у них ничтожны из-за высокого удель­ного сопротивления, на гистерезис малы и в основном образуются за счет потерь на магнитное последействие. Удельные потери Р на пeремагничивание в слабых полях тороидального ферритового сердеч­ника можно вычислить по формуле

P = {ƒB² tgδ_м / μ_н }•5•l0^-8 (15.5)

30. Магнитных свойств тонких ферритовых пленок. Доменная структура.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене нескомпенсированные спиновые (спонтанной) намагниченности, кото­рая происходит при температурах ниже некоторой так называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768°С, никеля Тк = 358°С, кобальта T=1131 С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. До­мены имеют размеры около 0,001 — 10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В домен­ных границах происходит постепенное изменение направления век­тора намагниченности от одного домена к направлению вектора на­магниченности в соседнем домене.

Ферримагнетики, обладающие полупроводниковыми свойствами, называются ферритами.

Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, малой ко­эрцитивной силой, большим значением индукции насыщения, но важ­нейшая их особенность состоит в том, что они обладают большим элек­трическим сопротивлением (р ~ 10³Ом•см). Это обстоятельство позво­ляет применять ферриты в области высоких частот, где обычные фер­ромагнетики обладают большими потерями, связанными с образовани­ем вихревых токов.

Для создания функциональных устройств наиболее перспективны ферриты в виде пленок. Специфика магнитных свойств тонких пленок определяется тем, что их линейные размеры в плоскости пленки значи­тельно превышают толщину. При определенной толщине пленка стано­вится однодоменной по толщине. В этом случае основным процессом перемагничивания будет однородное вращение, когда магнитные мо­менты одновременно поворачиваются по магнитному полю. Длитель-

2.14. Различные виды магнитного упорядочения. а — ферромагнетик; б— антиферромагнегик; в — ферримагнетик

ность этого процесса очень мала ~ 10^-9 с, что обеспечивает создание бы­стродействующих магнитных устройств. Магнитные пленки характеризуются также ярко выраженной маг­нитной анизотропией, которая определяется наличием в магнитной пленке двух осей намагничивания: ось легкого намагничивания, вдоль которой стремится установиться вектор намагничивания пленки, и ось трудного намагничивания, направленная перпендикулярно первой оси. Соответственно при перемагничивании по оси легкого намагничивания необходимо затратить существенно меньшую энергию, чем при пере­магничивании по оси трудного намагничивания. Энергия W_A, которую необходимо затратить, чтобы отклонить вектор намагниченности в плоскости пленки на угол θ от оси легкого намагничивания, определя­ется выражением W_A = Asin²Q, где А — константа анизотропии. При ма­лой толщине пленок направление легкого намагничивания обычно рас­положено в плоскости пленок, и образуются так называемые плоские домены, условно изображенные на рис. 2.15, а; ширина доменов из­меняется от долей до единиц микрон.