Снижение магнитных и диэлектрических потерь в иттрий-железистом гранате
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
заключить, что внутри а- и d-подрешеток косвенные взаимодействия между ионами Fe3+ осуществляется через два аниона кислорода в цепочке Fe3+(a) - O2- - О2- - Fe3+(а) и Fe3+(d) - O2- - О2- - Fe3+(d), а в случае замещенных ферритов-гранатов через немагнитный катион (например, Ga3+ или Ge4+) Fe3+(d) - O2- - Ga3+ - Fe3+(d).
Намагниченность насыщения ферритов-гранатов R3Fe5O12 определяется намагниченностью додекаэдрической подрешетки и разностью намагниченностей тетра- и октаэдрической подрешеток железа, магнитные моменты которых направлены антипараллельно. Ориентация магнитного момента в редкоземельной подрешетке определяется типом редкоземельного элемента, например, для Pr3+ и Nd3+он параллелен магнитному моменту d-подрешетки, а для Gd3+ и Yb3+ - магнитному моменту а-подрешетки. Намагниченность ЖИГ определяется только разностью намагниченностей тетра- и окта-подрешеток (ион Y3+ - немагнитен) и равна 140,6кА/м (1760Гс).
Критерием стабильности структур R3Fe5O12 является соотношение ионных радиусов rR3+/rFe3+?1,7 [12]. Это условие выполняется для редкоземельных элементов, расположенных в периодической системе Д.И. Менделеева правее Nd, а более крупные - La, Ce, Pr могут лишь частично замещать додекаэдрические позиции. Для заполнения а- и d - подрешеток кроме соответствующей величины ионного радиуса, катион должен обладать сферической симметрией электронных оболочек в основном состоянии. Из 3d-элементов только Fe3+ может полностью занимать обе подрешетки, поскольку в основном состоянии имеет равный нулю орбитальный момент в кристаллическом поле и окта- и тетраэдрической симметрии [13]. Каждый ион Fe3+ находится в 3d5 электронной конфигурации и имеет момент 5?Б, так что разница в моментах подрешетки железа составляет 5?Б [14].
Для регулирования намагниченности ионы железа замещают немагнитными ионами Ga3+, Al3+, Sc3+ и др. [15, 14]. Любой немагнитный ион, замещающий ион железа в тетраэдрической подрешетке, уменьшает полную намагниченность материала. Замещение ионов в октаподрешетке приводит к уменьшению Ms. Согласно трактовке авторов [15] при замещении ионов Fe3+ на Ga3+ уже примерно 90% Ga3+ занимают тетраэдрические позиции и 10% - октаэдрические. подрешетке, уменьшает полную намагниченность материала.
Таблица 1 - Основные характеристики пленок ЖИГ
Основные характеристикиОбозначениеВеличинаИсточникНамагниченность насыщения, кА/мMs140,60[20]Параметр обменного взаимодействия, пДж/мA3,70[10]Константы магнитострипции?111 ?100- (2,40тАв10-6 - 2,90тАв10-6) - 1,40тАв 10-6[11,12] [11,12]Константа магнитной анизотропии: кубической, одноосной, кДж/м3Ккуб. Кодн.-5,70 0,60[15] [10]Постоянная кристаллической решетки, нмaf1,24[10,13,14]Температура Нееля, КTN553,00[10]Модуль Юнга, ГПаE187,00[10]Коэффициент Пуассона?0,29[10,11]Плотность, кг/м3?5,17тАв103[14]Удельное фарадеевское вращение, град/см (Т=300К; ?=1,152 мкм)?F245,00[15]Коэффициент оптического поглощения, см-1 (Т=300К; ? + 1,152 мкм)?~10,00 [15]
При замещении Fe3+ на Ge4+ уже примерно 98% ионов Ge4+ занимают тетрапозиции, а компенсирующие заряд иона Са2+ - додекаэдрические узлы [6]. Замещение магнитных ионов на немагнитные приводит к ослаблению основного а - d-взаимодействия и уменьшению температуры Нееля ТN [12-14,15]. При диамагнитном замещении ионов Fe3+ в d-подрешетке ТN уменьшается значительно меньше, чем в замещении а-подрешетке. Это объясняется тем, что согласно статистической моделе Джиллео[12] при тетраэдрическом замещении образуется в пять раз меньше ионов Fe3+ со слабыми обменными связями, чем в случае октаэдрического замещения. Так, для получения той же намагниченности при германиевом замещении ТN, как правило, на 70-100К выше, чем при Ga3+ - замещении [11].
.2 Дефекты нестехиометрии в структуре ИЖГ
Стехиометрические дефекты и включения в структуре ИЖГ возникают из-за недостатка или избытка одной из компонент по сравнению со стехиометрической формулой. Такой недостаток или избыток одной из компонент возникает как в следствии технологических условий выращивания монокристаллов в твердой фазе и синтеза поликристаллов по окcидной технологии, так и требований термодинамики (монокристаллы в твердой фазе растут при избытке Fe2O3). Выращивание монокристаллов и спекание поликристаллов происходит при температурах (1460-1500)С. При этих температурах в результате диссоциации возникают дефекты по кислороду в кристаллической решетке граната, а включения образуют смесь фаз оксидов железа вюстита, магнетита, гематита. Температура моновариантного превращения гематита в магнетит соответствует 1387С.
За этапами роста монокристаллов и спекания поликристаллов следует быстрое охлаждение, в процессе которого кислород не успевает продиффундировать в глубь образца. Поэтому в образцах ИЖГ включения будут состоять из смеси фаз FeO - Fe2O3 - Fe3O4, а в структуре граната закаляются дефекты по кислороду:
{Y3-2xFe2x3+} [Fe3+2(1-x-y)Fe2+2y] (Fe3+3) O2-12-y{?00}
Наличие сверх стехиометрии незначительного количества оксидов железа в моно- и поликристаллах ведет к уменьшению их удельного сопротивления, увеличению тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь. Однако, разновидности оксидов железа имеют различное удельное сопротивление. Так, удельное сопротивление магнетита составляет единицы ОмтАвсм, а гематита 1013 ОмтАвсм, т.е. равно сопротивлению стехиометрического граната. Поэтому основной вклад в потери СВЧ энергии будут вносить ионы двухвалентного железа, имевшиеся в кристаллической структуре и включения оксидов железа низшей валентности.
1.3 Процессы спекания феррогранатов в регулируемой газовой среде
.3.1 Процесс спекания феррогранатов со