8.2. СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

8.2.1. Типы ферритов

Из множества типов гиромагнитных сред самыми эффективными являются ферромагнетики [485]. Для работы в диапазоне СВЧ наиболее удобны так называемые ферриты [124, 343, 344, 352]. Эти ферромагнитные окислы представляют собой химические соединения, ионы которых связаны электровалентными силами, и поэтому их удельное сопротивление достигает величин от 10 до 1010 ом-см. Начальная магнитная проницаемость ферритов лежит в пределах между 10 и 3000. Отсюда проистекают низкие диэлектрические потери и значительная по сравнению с ферромагнитными металлами глубина поверхностного слоя. Ферритам посвящено большое количество работ [199, 275, 347, 349].

Один обширный класс ферритов имеет общую химическую формулу где двухвалентный металл с радиусом иона . В случае простых ферритов металлами служат или один из переходных элементов или возможны также комбинации этих элементов.

Кроме того, под символом может подразумеваться комбинация ионов со средней валентностью, равной двум. Трехвалентные ионы железа частично или полностью могут замещаться другими трехвалентными ионами, такими как или . В результате образуются смешанные кристаллы с алюминатами и хроматами [150, 431].

В более редких случаях кислород может быть замещен серой. Ферриты этого класса имеют ту же самую кубическую кристаллическую структуру, что и минерал (рис. 8.5).

Двухвалентные ионы могут располагаться в тетраэдрических или октаэдрических позициях решетки, в зависимости от этого кристаллическая структура принадлежит соответственно к нормальному или к обращенному типам . На практике обычно используются ферриты с частично обращенной структурой, причем распределение ионов в узлах решетки определяется технологией изготовления образца. Например, смешанный никелево-цинковый феррит, состоящий из двух простых ферритов нормального и обращенного типов, можно представить формулой Здесь а и молекулярные доли цинкового и никелевого ферритов, а скобки выделяют ионы, заполняющие октаэдрические позиции.

Рис. 8. 5. Единичная ячейка структуры шпинеля. Большие сферы изображают кислород. Маленькие заштрихованные сферы представляют ионы в октаэдрических позициях, а маленькие черные сферы—ионы в тетраэдрических позициях. Иоиы вычерчены лишь для двух восьми октант.

Магнитный момент феррита не будет представлять собой сумму магнитных моментов всех ионов, поскольку магнитные диполи, заполняющие тетраэдрические и октаэдрические позиции, стремятся скомпенсировать друг друга [145, 247]. Уменьшение приведенного результирующего момента является сущностью понятия ферримагнетизма. Например, магнитный момент при очень низких температурах равен Умножив это число на 7,03 и разделив на молекулярный вес феррита, получим величину насыщения намагниченности, выраженную в . С ростом температуры намагниченность падает из-за теплового движения, преодолевающего выравнивающее действие обменной энергии, а также из-за уменьшения кристаллической анизотропии. При температуре Кюри намагниченность достигает нуля.

Существует много типов ферритов, пригодных для работы на сверхвысоких частотах [175]. В табл. 8.1 приведены магнитные постоянные характерных материалов при комнатной температуре.

Ферриты обычно изготавливаются [302] путем смешивания необходимых окислов, иногда нитратов или карбонатов, в соответствующих пропорциях и дальнейшего обжига при температуре 1000—1500° С до образования твердой поликристаллической массы. Первоначально на сверхвысоких частотах использовались ферриты, содержащие такие, как серии

Интенсивное развитие техники привело, однако, как к созданию улучшенных соединений [48, 401], так и к получению новых типов ферритов. Была использована медь [229, 422], тогда как другие [2]

Таблица 8.1 Магнитные постоянные ферритов при

смешанные ферриты имели следующий молекулярный состав: 52% Заметим, что последний состав имеет нехватку по сравнению со стехиометрическим составом, что позволяет снизить высокую проводимость на постоянном токе, обусловленную образованием двухвалентного железа [305].

В низкочастототной части диапазона СВЧ предпочитают использовать из-за малого магнитного момента [381, 420, 421, 423] или [493].

Существуют ферриты, которые обладают структурами, близкими к гексагональным кристаллическим структурам. Их можно рассматривать как смесь окислов где под подразумевается двухвалентный ион из первых переходных рядов.

В большинстве случаев ион может замещаться частично или полностью ионами или Можно такжезаменить трехвалентные ионы железа на трехвалентные ноны или на эквивалентные комбинации двух- и четырехвалентных ионов. Одна из таких гексагональных структур [174] имеет следующий состав: Материал с химическим составом известный как ферроксдюр [174], обладает кристаллической структурой, напоминающей структуру магнето-плюмбита.

Структура этих ферритов состоит из областей, имеющих попеременно слой кислорода с кубической плотно упакованной решеткой и слой бария с гексагональной решеткой.

Ферромагнитные окислы с общей формулой где символом обозначен иттрий или редкоземельный металл с радиусом иона менее имеет кристаллическую структуру типа граната [41, 139, 193].

Измерения в интервале температур от 2,2 до 700° К показали [270], что при данных температурах намагниченность определяется двумя факторами ферромагнитной и парамагнитной природы.

Для Но или ферромагнитный член, значительный при низких температурах, уменьшается с увеличением температуры. При температуре компенсации указанный член исчезает; затем он снова возникает и окончательно исчезает при температуре Кюри. Для или при низких температурах намагниченность вначале

низкая; с увеличением температуры она возрастает, проходит через максимум и уменьшается до тех пор, пока не исчезнет совсем при температуре Кюри.

Для Y или кривая намагниченности в зависимости от температуры аналогична кривой в случае нормального ферромагнетизма.

Эти результаты могут быть объяснены на ферримагнитной модели, где магнитный момент ионов антипараллелен магнитному моменту ионов . В точке компенсации разница между этими двумя моментами равна нулю; точки Кюри определяются взаимодействиями между ионами

Гранаты характеризуются относительно низкими намагниченностями насыщения; так, для иттриево-железного граната ее значение равно

Монокристаллы легко выращиваются [252] из расплавов окислов свинца, железа и редкоземельных металлов. Подходящим составом при этом является

Расплав нужно охладить от 1325 до скоростью порядка 1 град/час. Кристаллы могут быть получены из затвердевших расплавов путем нагревания в растворе азотной или уксусной кислоты.