Снижение магнитных и диэлектрических потерь в иттрий-железистом гранате
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
Введение
С развитием микрополосковой СВЧ-техники и миниатюризацией интегральных ферритовых устройств, повышаются требования к магнитным параметрам ферритовых материалов.
В настоящее время для изготовления устройств микрополосковой СВЧ-техники в качестве подложек широко используются поликристаллические феррогранаты, спеченные в атмосфере кислорода при температурах 1450оС - 1500оС. Плотность полученного материала при этом составляет 98% от монолитного материала.
Отжиг в кислородной атмосфере феррита со структурой ИЖГ в большей степени влияет на такие электромагнитные параметры, как тангенс диэлектрических и магнитных потерь.
В связи с этим, целью данной работы являлось снижение электромагнитных и диэлектрических потерь в иттрий-железистом гранате путем проведения высокотемпературного отжига в атмосфере кислорода.
Подобные результаты обеспечивают актуальность данной работы.
1. Аналитический обзор литературы
1.1 Особенности кристаллической и магнитной структуры, физические свойства иттрий-железистого граната (Y3Fe5O12)
магнитный железистый гранат диэлектрический
Кристаллические материалы со структурой граната относятся к группе соединений, изоморфных природным минералам-ортосиликата Ca3Al2(SiO4)3. Элементарная решетка является объемоцентрированной кубической (ОЦК) и содержит 8 формульных единиц (160 ионов). Пространственная группа Оh10 = Ia3d, точечная m3m. Общую химическую формулу этих минералов можно представить в виде R3Me5O12, где R - ион Y или редкоземельный ион, Me - ион Ga (галлаты), Al (алюминаты), Fe (феррогранаты) или другие преимущественные трехвалентные ионы. Фрагмент кристаллической структуры в соответствии с рисунком 1.
- катион в 16а-положении (0, 0, 1/2); 2 - катион в 24d-положении (0, 1/4, 3/8); 3 - катионы в 24с-положениях (1/4, 1/8, РЕ и 0, СШ, 5/8); 4 - ионы О2-; цифры обозначают координаты ионов, выраженные в долях параметра элементарной ячейки
Рисунок 1 - Фрагмент кристаллической решетки структуры граната
В такой структуре ионы кислорода образуют ОЦК-решетку по типу плотнейшей упаковки шаров, представляющую чередование кислородных слоев двух типов. 64 металлических иона занимают междоузлия кислородной подрешетки. Существуют три типа кристаллографически неэквивалентных катионных позиций: 24 додекаидрические (с-положение) с координационным числом (к.ч.) = 8, 16 октоэдрических (а-положения) с к.ч. = 6 и 24 тетраэдрических (d-положения) с к.ч. = 4 [1,2]. 96 анионов (ионов кислорода) занимают общие, так называемые h-положения с отличными от нуля кислородными параметрами x, y и z, значение которых определяется катионным составом граната [3,4].
Все кислородные многогранники (полиэдры) в структуре граната искажены (хотя пространственная группа допускает существование и правильных многогранников) [3,5]; локальная симметрия во всех a-, c- и d-положениях не является строго кубической. Симметрия с-положений с различной ориентацией локальных осей симмтрии относительно кубических осей. Ортоэдрические места характеризуются тригональной симметрией, причем имеется два типа искаженных октаэдров, повернутых относительно осей [111] на угол 28,6о.
Тетраэдры развернуты относительно осей [100] на углы 15,4о, то есть образуются два типа неэквивалентных мест. Степень деформации кислородных многогранников определяется положением ионов кислорода, каждый из которых принадлежит двум додекаэдрам, октаэдру и тетраэдру [1-3,5]. Вдоль осей [111] ближайшие октаэдры связаны кольцом из двух додекаэдров, лежащих на плоскостях {111} и повернуты на углы, близкие к 30о[4]. Для структуры гранатов в отличие от других сложных оксидных кристаллов характерны большая изоморфная емкость (способность замещения различными катионами в положении с, а и d) и занятость всех катионных позиций. Это связано с тенденцией к сохранению общей кубической симметрии ячейки при свободном упорядочении кислородных полиэдров. Данный факт обуславливает высокую стабильность структуры, а так же невозможность больших отклонений от стехиометрии и образование дефектных структур с вакансионным упорядочением, что характерно для шпинелей [6] и перовскитоподобных кристаллов[7].
Катионное распределение в структуре граната по с-, а- и d-позициям принято обозначать соответственно фигурными, квадратными и круглыми скобками {Re33+} [Me23+] (Me33+) O122-.
Остановимся более подробно на особенностях кристаллической и магнитной структуры железо-иттририевого граната (ЖИГ) {Y33+} [Fe23+] (Fe33+) O122-, используемого часто для создания сложнозамещенных редкоземельных ферриотов-гранатов с широким разнообразием свойств. Между всеми тремя подрешетками ЖИГ согласно модели Нееля [8] и Потене [9] действует отрицательное обменное взаимодействие. Наиболее сильным является антиферромагнитное обменное взаимодействие между ионами Fe3+, находящимися в а- и d-подрешетках. В результате этого взаимодействия гранат Y3Fe5O12 при температурах ниже Тс~553 К становится коллинеарным ферромагнетиком с направлением магнитного момента типа легкая ось вдоль [111] или типа легкая плоскость. Угол связи в цепочке Fe3+(a) - O2- - Fe3+(d) составляет 127о, а цепочки Y3+(c) - O2 - Fe3+(d) и Y3+(c) - O2 - Fe3+(a) составляют, соответственно 122о и 100о, поэтому и энергия взаимодействия здесь меньше.
Совсем мало внутриподрешеточное взаимодействие в цепочках Fe3+(a) - O2- - Fe3+(а) и Fe3+(d) - O2- - Fe3+(d) из-за неблагоприятного расположения ионов внутри подрешеток. Исследование ферритов-гранатов методом мессбауэровской спектроскопии [10] позволили