Общие сведения о ферритах. 1 Структура шпинели

• Название: Общие сведения о ферритах. 1 Структура шпинели
• Дата: 11.10.2022
• Размер: 339.33 Kb.
• Имя файла: bibliofond.ru_906164.rtf
• Тип: Реферат; #728356
• страница: 1 из 2

Содержание
Введение

. Общие сведения о ферритах

.1 Структура шпинели

.2 Структура граната

.3 Структура перовксита (ортоферрита)

.4 Гексагональная структура

. Получение ферритов

.1 Метод спекания и горячего прессования

.2 Метод химического соосаждения

.3 Криохимический метод

. Применение ферритов

.1 Вентиль

.2 Фазовращатель

.3 Фильтр

.4 Ферритовая память

Заключение

Список используемой литературы

Примечания


Введение
Современная физика твердого тела характеризуется не только бурным развитием, но и быстрым внедрением ее достижений в технику. Одним из основных ее разделов является физика магнитных явлений.

Рассмотрение процессов с точки зрения квантовой механики, использование современного физического эксперимента, успехи в получении новых и чистых веществ обогатили наши представления о природе магнитных явлений в твердых телах.

Значительные успехи были достигнуты в исследовании магнито-упорядоченных веществ. Ранее были известны только металлические ферромагнетики с параллельным расположением магнитных моментов атомов: железо, никель, кобальт и их сплавы. За последние десятилетия было открыто необычайное многообразие магнитных структур, в которых магнитные моменты расположены антипараллельно, конусообразно, по спирали и т. п.

В результате фундаментальных исследований были обнаружены новые группы магнитных веществ среди диэлектриков и полупроводников, например, неметаллические магнитные материалы - ферриты. В технической литературе под этим термином часто понимают широкий класс переходных и редкоземельных соединений и их твердых растворов. Мы будем пользоваться термином «ферриты» в широком смысле этого слова, отождествляя эти соединения с магнитными диэлектриками и полупроводниками.

Благодаря практически отсутствию вихревых токов и скин-эффекта ввиду высокого удельного сопротивления ферриты произвели технический переворот в технике сверхвысоких частот. Для канализации электромагнитной энергии СВЧ были созданы быстродействующие ферритовые модуляторы, фазовращатели, вентили, аттенюаторы и другие устройства. Не менее важным явилось использование ферритов в качестве запоминающих устройств для ряда поколений электронно-вычислительных машин. В настоящее время ежегодно выпускаются десятки миллиардов ферритовых колец в качестве элементов памяти ЭВМ.

В данной работе рассматриваются общие понятия о ферритах, их разновидности, различные способы получения и практическое применение.


1. Общие сведения о ферритах
Ферриты (оксиферы) - химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов, обладающие особыми магнитными (ферримагнетики) свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной технике.

В состав феррита входят анионы кислорода O²⁻, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe³⁺, имеющие меньший радиус, чем анионы O²⁻, и катионы Me^k+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов. В результате упорядоченного расположения катионов Fe³⁺ и Me^k+ Ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты и гексаферриты. [1]
.1 Структура шпинели
В структуре минерала шпинели MgAl₂0₄ кристаллизуются многие магнитные кристаллы с общей формулой MeFe₂0₄, где Me - двухвалентный металлический ион. Эта структура представляет собой кубическую почти плотную упаковку ионов кислорода, в октаэдрических и тетраэдрических междоузлиях которой размещены катионы. Точечная группа симметрии кристаллов - О_к. Элементарная ячейка шпинели содержит 8 молекул Me^{2 +}Fe³J0₄, и в ней имеется 64 тетраэдрических и 32 'октаэдрических междоузлия (рис. 9). Ионы Ме²⁺ и Fe³⁺ занимают 8 тетраэдрических и 16 октаэдрических междоузлий. [2]

Различаются структуры нормальной и обращенной шпинели. В нормальной шпинели ионы Ме²⁺ находятся в тетраэдрических положениях, ионы Fe³⁺ - в октаэдрических. В обращенной шпинели тетраэдрические положения занимает половина ионов Fe³⁺, а другая половина этих ионов и ионы Ме²⁺ находятся в октаэдрических положениях. Ионы, находящиеся в октаэдрических положениях, в химической формуле заключаются в квадратные скобки. Тогда нормальная шпинель записывается в виде Me[Fe₂10₄], а обращенная - в виде Fe[MeFe]0₄. Таким образом, в обращенной шпинели в октаэдрических положениях находятся различные ионы, распределенные обычно статистически.

При снижении температуры эти ионы в некоторых ферритах располагаются в определенном порядке.

Такое упорядочение в расположении ионов имеет место, например, в литиевом феррите Fe^{3 +} [Li,^I,⁺₅Fef+₅]0₄. Известны шпинели, например 7-Fe₂0₃, которые содержат только трехвалентные ионы железа и вакантные места в решетке.


Рис. 1. Два октанта элементарной кубической ячейки шпинели. 1 - ион кислорода; 2,3 - ионы металла в октаэдрических (2) и тетраэдрических (3) положениях.
К магнитным кристаллам со структурой шпинели относится интересный класс халькогенидных шпинелей с общей формулой

МеСг₂Х₄,
где Me=Cd, Hg, Zn, X=S, Se. S0₄, которые являются полупроводниками с относительно высокой подвижностью носителей тока. [3]
1.2 Структура граната
Эта структура получила свое название от минералов гранатов- ортосиликатов с общей формулой A³⁺B|⁺(Si0₄)₃. Магнитные кристаллы, кристаллизующиеся в структуре граната, характеризуются общей формулой
R³⁺Af⁺Bf⁺0₁₂,
где R³⁺ - ион иттрия или редкоземельный ион, А³⁺ и В³⁺ - ионы Fe, Al, Ga. Гранаты имеют кубическую структуру с точечной группой O_h. Элементарная ячейка содержит восемь молекул. Ионы R расположены в до-декаэдрических междоузлиях кислородной решетки с координационным числом 8, ионы А - в октаэдрических междоузлиях с координационным числом 6, и ионы В - в тетраэдрических междоузлиях с координационным числом 4. Эти положения принято соответственно обозначать фигурными, квадратными и круглыми скобками или буквами с, a, d. Соответственно с этим формулу, например, феррита-граната иттрия YoFe=0,o следует записывать в виде {Y³⁺} [Fe!?⁺](Fe|⁺)0₁₂.

Таким образом, в общем случае в структуре граната имеется три кристаллографически неэквивалентных подрешетки магнитных ионов а, с, d, и для кристаллов характерно ферримагнитное упорядочение. В случае, когда ионами R³⁺ являются немагнитные ионы Y³⁺ или Lu³⁺, в структуре существуют две неэквивалентные магнитные подрешетки and.

Для редкоземельных ферритов-гранатов R₃Fe₅0₁₂ характерно наличие температурной точки компенсации, в которой из-за различной температурной зависимости намагниченности редкоземельной подрешетки с и результирующей намагниченности подрешеток а и d ионов железа суммарный момент кристалла обращается в нуль.[4].
1.3 Структура перовскита (ортоферита)
В структуре типа структуры минерала перовскита кристаллизуется ряд магнитных кристаллов с общей формулой АВХ₃.

Ионы А и X (рис. 2) образуют кубическую почти плотную упаковку, а ионы В находятся в октаэдрических междоузлиях кислородной решетки. На одну элементарную ячейку приходится одна молекула.


Рис. 2. Структура перовскита АВХ3.
Рассматривая кристалл как плотную упаковку шаров, можно показать, что структура перовскита возможна лишь при определенном соотношении между радиусами катионов А, В и аниона
X: г_в ^ O.Urx, t - (^га “Ь ^rx)/V- X Х(гв + гх)<
где фактор t находится в пределах 0.75-1.06. При этом могут наблюдаться небольшие отклонения структуры от кубической. Идеальная кубическая структура получается при t=0.9-1.0. [5].

В структуре перовскита с небольшими ромбическими искажениями кристаллизуются ортоферриты RFe0₃, где R - трехвалентный редкоземельный ион или ион иттрия. В ортоферритах идеальная структура перовскита искажена таким образом, что кристаллы становятся орторомбическими с четырьмя молекулами на единичную ячейку. Упорядочение ориентаций магнитных моментов редкоземельных ионов в ортоферритах происходит лишь при очень низких температурах 10° К. При более высоких температурах магнитные свойства ортоферритов обусловлены антиферромагнитным упорядочением подрешеток ионов железа, которое происходит при температурах 650-700° К.

Магнитные моменты этих подрешеток могут быть направлены вдоль одной из трех осей ромбической ячейки а, b или с. Если моменты направлены вдоль осей а или с, то возможно появление слабого ферромагнитного момента вдоль этих осей за счет скоса магнитных моментов подрешеток. При ориентации моментов подрешеток вдоль оси b слабый ферромагнетизм невозможен, и кристалл является чистым антиферромагнетиком. Кристаллографическая ориентация магнитных моментов подрешеток определяется константами (эффективными полями) анизотропии, которые могут сильно изменяться с температурой. В результате в кристаллах ортоферритов при определенных температурах возможны фазовые переходы типа антиферромагнетик - слабый ферромагнетик или переходы типа спиновой переориентации, когда слабый ферромагнитный момент изменяет свое направление по отношению к кристаллографическим осям. При комнатной температуре для многих ортоферритов слабый момент направлен вдоль оси с, а при более низких температурах происходит переориентация его к оси а. [6].

Процесс спиновой переориентации растягивается на область температур около 10°, причем температурам начала и конца процесса соответствуют фазовые переходы второго рода. Температура переориентации зависит от редкоземельного иона и изменяется от 10 (YbFe0₃) до 470° К (SmFe0₃). [7].

1.4 Гексагональная структура
К магнитным кристаллам с гексагональной структурой относятся кристаллы типа магнетоплюмбита, манганита, двойные фториды переходных металлов.

Существует несколько типов гексаферритов со структурой магнетоплюмбита:
M=BaFe₁₂0₁₉, W=BaMe₂Fe_le0₂₇, Y=Ba₂Me₂Fe₁₂0₂₂, Z=Ba₃Me₂Fe₂₄0₄₁,
где Me - двухвалентный переходной ион или ион Zn, Mg. Ионы бария могут быть замещены на ионы Са, Sr, Pb. В элементарной кристаллической ячейке этих соединений можно выделить шпинельные блоки (структурные элементы, в которых атомы расположены так же, как в решетке шпинели) и соединяющие их гексагональные блоки. Предполагается, что взаимная ориентация магнитных моментов ионов железа в шпинельных блоках такая же, как в ферритах-шпинелях, т. е. моменты коллинеарны, а суммарный момент блока отличен от нуля. Для большей части соединений типа М, W и Z направление легкого намагничения совпадает с осью симметрии шестого порядка, в соединениях типа Y легкое направление лежит в плоскости базиса (феррокспланы). В некоторых гексаферритах при определенных температурах направления легкого намагничения образуют конус, ось которого совпадает с гексагональной осью. Так, Co₂Y при температурах выше 215° К является ферримагнетиком с анизотропией типа «легкая плоскость», а при более низких температурах в этих кристаллах существует конус легкого намагничения. Для Co₂Z при снижении температуры анизотропия типа «легкая ось» переходит сначала в анизотропию типа «легкая плоскость» (480° К), а затем образуется конус легкого намагничения (220° К). [8].

В последнее время обнаружено, что в ряде гексаферритов реализуются различные ориентационные схемы (угловые, спиральные) упорядочения магнитных моментов шпинельных блоков при неизменной ориентации магнитных моментов отдельных ионов внутри блоков. [9]


2. Получение ферритов
Широко известно, что все вещества по отношению к магнитному полю можно разделить на три большие группы: диа-, пара- и ферромагнетики. Последние характеризуются способностью к самопроизвольной намагниченности, причём относительная магнитная восприимчивость (коэффициент пропорциональности между намагниченностью вещества и напряжённостью внешнего магнитного поля) достигает значения около 105. По природе магнетизма выделяют две группы - собственно ферромагнетики и антиферромагнетики. Ферромагнетики характеризуются однонаправленным упорядоченным расположением магнитных моментов не спаренных электронов, принадлежащих взаимодействующим атомам, а антиферромагнетики имеют две или более магнитные подрешётки, каждая из которых образована ионами, занимающими одни и те же кристаллографические позиции. Широко распространёнными антиферромагнетиками являются ферриты. У наиболее типичных ферритов со структурой шпинели ионы в тетраэдрических и октаэдрических узлах образуют отдельные подрешётки, а суммарный магнитный момент равен разности магнитных моментов этих подрешёток.

Ферриты, как и магнитные сплавы, имеют доменную структуру, высокую магнитную проницаемость и типичную гистерезисную кривую намагничивания.

Вместе с тем в отличие от магнитных сплавов ферритам, как правило, свойственно высокое электрическое сопротивление и, как следствие, малые потери энергии при перемагничивании, что делает их незаменимыми в технике высоких и сверхвысоких частот.

Под точкой Кюри обычно понимают точку на кривой фазовых переходов 2-го рода, связанных с возникновением (или разрушением) упорядоченного состояния в твёрдых телах при изменении температуры. Чаще всего этот термин употребляют только к переходам в магнитоупорядоченное (ферро- и ферримагнитное) состояния и в сегнетоэлектрическое состояния.
.1 Метод спекания и горячего прессования
Экспериментальные исследования изменения намагниченности насыщения от температуры и состава ферритов содержат важную информацию, необходимую для понимания их физико-химической природы и выяснения возможностей практического применения.

I . Получение и исследование свойств феррита состава:
NiO*Fe₂O₃ - MgO*Fe₂O₃ - Al₂O₃*Fe₂O₃ [10]
Изучение структуры и магнитных свойств ферритов, в состав которых входят немагнитные ионы трёхвалентного алюминия, играет важную роль как для развития теории ферро­магнетизма, так и для улучшения параметров ферритовых сверхвысокочастотных устройств.

Известно, что при частичном или полном замещении ионов железа Fe³⁺ в никелевом или магниевом феррите ионами Al³⁺ образуются ферриты-алюминаты со структурой шпинели. Однако в подобных соединениях остаются постоянными общее количество трёхвалентных ионов (Fe³⁺ + Al³⁺), приходящихся на структурную единицу, и их отношение к числу двух­валентных ионов. Исследование структуры и области существования однофазных растворов ферритов при изменении в их составе общего числа трёхвалентных и двухвалентных ионов значительно расширяет возможности изыскания ферритов с необходимыми свойствами.

В этом отношении изучение системы представляет значительный интерес.

Для исследования структуры и физических свойств выше приведённой системы коллективом авторов [3 - 6] были изготовлены из окислов по керамической технологии 66 составов ферритов, равномерно распределённых по концентрационному треугольнику через 10 молярных %. В качестве исходных материалов использовали Fe