微波铁氧体ppt课件

.,微波铁氧体材料,.,微波铁氧体材料简介,概念：微波铁氧体又称旋磁铁氧体，是指平面偏振的微波在其中按一定方向传播时，偏振面会不断绕传播方向旋转的铁氧体材料。分类：根据其结晶形态可分单晶和多晶型两种，单晶型较为少用。而在多晶型中，按其结构又可分为以下几种类型：尖晶石型：如MgFe2O4系、Nb-Co-Al系等石榴石型：如Y3F5O12、Y-Al系等磁铅石型：如BaFe12O19等。,.,第一讲微波铁氧体材料的性能因素,一、饱和磁化强度Ms1.4Ms(几百几千高斯)越大，旋磁作用越强。有利于缩小器件的体积。2.4Ms高，将易于使铁氧体要微波讯号作用下出现低场损耗(自然共振)3.此外,4Ms大小还将影响恒磁场、应用功率(hc)、样品形状等。因此选择4Ms应全面考虑,.,二、铁磁共振线宽H定义:当一定,调节外加磁场,产生铁磁共振，则代表损耗的磁导率虚部达到最大max，这种现象称为铁磁共振。当=(1/2)max所对应两个磁场分别为Ha和Hb，则定义H=Ha-Hb为铁磁共振吸收线宽。1H愈窄,谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优值R(4/rH)2；远离谐振点，吸收往往愈小(与电损耗有关)即尾巴小，因此希望H小好;2但如应用f0,Hi大,如3公分(f=c/=1010Hz)低场器件,H较宽,也无多大影响，因随f,谐振Hi,谐振峰远离低场区;,.,三、居里温度Tc居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。大多数单元石榴石的居里温度都在550560K左右。四、基本磁化曲线及磁滞回线对于在低场区应用的旋磁材料，可能由于磁化尚未饱和，材料的磁化强度将信赖于外加恒磁场，其变化关系即为静态基本磁化曲线。在此情况下，基本磁化曲线是旋磁材料的一个指标。,.,五、微波铁氧体材料的损耗旋磁损耗分类：磁损耗（共振损耗，低场损耗），电损耗（介电损耗）损耗机理：,电磁波,自旋波（非一致进动）2SS,晶格振动（格波）,自旋自旋弛豫1,一致进动3SLl,.,降低微波铁氧体材料损耗的途径：1.选择合适He,使一致进动和自旋波简并度很小,但微波器件的工作条件限制了He和样品形状，通常简并不可避免;2.尽量减小散射中心,减小自旋波的产生;多晶:1在晶粒的边界和内部由于存在气孔和非磁杂质而形成的退磁场不均匀性;2.晶粒各向异性的分散性;3.少量弛豫离子;,.,综合以上因素，微波铁氧体材料应满足的基本要求为：高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷及良好的温度稳定性；基础磁特性：饱和磁化强度4s：200550010-4T居里温度Tc：100600在微波频段其介电常数约为：816,.,第二讲尖晶石、石榴石系微波铁氧体,一、尖晶石系微波铁氧体：4Ms高,Tc高,成本低,应用范围广泛,H由几十到几百Oe;为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量MnCO3并在氧气氛中烧结；为了降低烧结温度、提高密度可以在材料中加入CuO和Bi2O3主要有MgFe2O4系、NiFe2O4系、LiFe系、Mg-Mn-Al系、Nb-Co-A1系、Li-Zn-Ti-Co等；,.,（一）、MgMn系分子式：Mg2+xFe3+1-xMg2+1-xFe3+xO44Ms:300300010-4T，工程上主要有镁-锌、镁-锰、镁-锰-系等，各向异性常数较小，易烧结成高密度、窄线宽的样品；（二）、Ni系(NiZn):特点:高功率,环境稳定性好;加少量Mn、Co可以避免出现Fe2+；加Zn4Ms；加Al4MsH;（三）、Li系磁滞回线呈矩形，用于锁式相移器以及高功率器件;,.,二、石榴石型旋磁铁氧体材料:主要应用于低频段高功率器件,常组成以YIG为基础的多元铁氧体;（1）YIG:YAlIG,YGdIG,YGaIG;1.YIG(Y3Fe15O12):4Ms=1700Gs,H多晶=0.20.5Oe,因L=0,k1小,H主要决定于气孔(除杂质外);2.YAlIG,YGaIG,其中Al,Ga取代Fe3+,4Ms;但取代后由于k也,所以|k1/Ms|近似不变,H几乎不变;3.YGdIG:Gd3+(4f7)取代Y,主要目的下降4Ms(室温),且|M/T|小稳定性好;由于无轨道L,H较小;YGdIG可出现c；,.,（2）钙钒系:YCaVIG,BiGaVIG;1.与YAlIG相比,如4Ms相同,Tc，H高功率特性较好;2.掺入V可降低T烧;3.Ca、V代Y降低成本;1.YCaVIG:加In3+离子分布为:Y3-2xCa2-xFe2-yIny(Fe3-xVx)O12当为Y1.4Ca1.6Fe3.7In0.5V0.8O12时;其性能:4Ms=750Gs,H=8Oe,Tc=160oC,=109cm2.BiCaVIG系用Bi代替Y得到Bi3-2yCa2yFe2(Fe3-yVy)O12只有当y0.96时才能得单相,4Ms最高只有700Gs,适用于低频段,高功率器件,因Bi可助熔,又在1100oC烧成,H小；,.,3.加入In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+可降低H(取代Fe3+)三、六角晶系旋磁材料：作毫米波器件,内场高,所需外加场小，器件体积小四、综述：本节描述了微波铁氧体，所利用的物理现象是材料受静磁场和微波场两者作用时出现的旋磁共振，它是由磁导率的张量（非标量）性质造成的。这种非互易特性已广泛地用于各种器件中。饱和磁化强度Ms是一个基本量，它不仅是效率的一个因素，而且还因为在内场下存在自然共振（不加静磁场）。对于给定的应用，磁化强度是选择材料时首先要考虑的一个量。,.,第三讲石榴石铁氧体晶体结构及基本特性,优点：损耗低,可以方便调整Ms,H，HK;应用：微波及光波领域;磁性石榴石铁氧体由稀土R3+和Fe3+取代Mn2+,Si4+生成化学式为R3Fe5O12(3R2O35Fe2O3)简称RIG(YIG)可用于微波,激光,磁光,磁泡。,.,单位晶胞,16a(Fe3+)24d(Fe3+)24c(R3+),96h(O2-),石榴石晶体结构中金属离子的空间分布（1/8晶胞）,.,一、单位晶胞：1由金属离子16a(八面体)构成体心立方结构.点阵常数a=12.5埃,基本上仍有O2-密堆而成（面心）;由于R3+太大,不能占四面体(24d)和八面体(16a),占氧位又太小,而占12面体(24c)位，所以石榴石结构比尖晶石结构复杂一些。2除96个O2-外,具有三种金属离子位置。1.4个O2-包围的四面体位有24个(简称24d或d位)由Fe3+所占;2.由6个O2-包围的八面体有16个(简称16a或a位);由Fe3+所占,.,3.由8个O2-包围的12面体有24个(简称24c或c位);由R3+所占3每个小立方构成体心立方结构，含占据八面体位(16a)的金属离子2个；4四面体(24d)与十二面体(24c)位的金属离子处于小立方的6个晶面的中心线的1/4(或3/4），故每个小立方包含3个占据四面体和3个占据十二面体位的金属离子;5单位晶胞有8个小立方，因此单位晶胞的64个空位(82a+83d+83c)全被金属离子占据.金属离子分布式如下：R3Fe2（Fe3）O12,.,二、石榴石铁氧体结构特点：1金属离子间隙完全被金属离子占据，制造中要求配方准确,烧结温度高；2相对于尖晶石结构，新增十二面体金属离子位置，增加了离子取代途径，有利于改善材料性能;离子置换条件：,金属离子总和=8化学价平衡=24,R2O3过量,出现RFe2O3如不满足(钙钛矿结构铁氧体）;Fe2O3过量,出现Fe2O3或Fe3O4另相,.,三、离子取代规律：采用离子取代来改变石榴石铁氧体的某些磁特性，以满足各种应用上的需要。规律：总的说来，与尖晶石铁氧体一样，除应满足摩尔比外其占位倾向性也应由金属离子半径、化学键及晶场等因素决定。四、磁晶向异性及磁致伸缩特性：多数石榴石铁氧体（R3Fe5O12）中稀土离子的4f电子被5s2、5p6电子屏蔽,晶场作用弱,轨道磁矩L未被淬灭,故S-L耦合强,因而表现出大的磁晶各向异性及磁致伸缩，而且对温度具有强烈的信赖性。,.,（在低温时急剧上升）因此RIG材料对原材料纯度要求高1.Y3Fe15O12（YIG）的磁晶各向异性和磁致伸缩系数均很小。k1=-6.2102J/m3(20oC)s=-2.2210-6(20oC)Gd3Fe5O12(GdIG)的k1也较小,k1=-6.7102J/m3（20oC);而且GdIG,YIG的k1高低温度变化不大2.Sm