磁性材料第四部分

1、第五章第五章 旋磁铁氧体材料旋磁铁氧体材料5-1 旋磁铁氧体材料的基本要求旋磁铁氧体材料的基本要求一、一、 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms 4 Ms(几百几百几千高斯几千高斯) 越大，旋磁作用越强。有利于越大，旋磁作用越强。有利于缩小器件的体积。缩小器件的体积。 张量磁化率张量磁化率: x= m( i+ i r) /( i+j r)2- 2 xk= m /( i- j r)- 2 i = Hi; = (弛豫弛豫); m = 4 Ms;阻力矩促使进动迅速衰减阻力矩促使进动迅速衰减,要达到进动要达到进动,加大功率加大功率 h由上由上式可知式可知:x, xk都与都与4 Ms有关有关,当当 4 Ms m

2、 x, xk 旋磁作用旋磁作用 2 4 Ms高，将易于使铁氧体要微波讯号作用下出现低场高，将易于使铁氧体要微波讯号作用下出现低场 损耗损耗(自然共振自然共振) 对于多晶材料对于多晶材料,由于晶界及畴壁的退磁场作用由于晶界及畴壁的退磁场作用, 自然共振角频率自然共振角频率 自自: H K 自自 (HK+ 4 Ms) 随随4 Ms 自自 ， 工作工作= H接近接近 自自而产生低场损耗而产生低场损耗,所所以必须用低以必须用低4 Ms,使使 自自交换区交换区; |k| k2 (10/l, l为样品线度）为样品线度）; 2静磁区静磁区; |k| k1 (10/l); 3 k1 k 在晶粒的边界和内部由于

3、存在气孔和非磁杂质而形在晶粒的边界和内部由于存在气孔和非磁杂质而形成成 的退磁场的退磁场不均匀性不均匀性; 2.晶粒各向异性的分散性晶粒各向异性的分散性; 3.少量弛豫离子少量弛豫离子;三、影响单晶体铁氧体三、影响单晶体铁氧体H的因素的因素单晶弛豫过程单晶弛豫过程: 1.S-S(二磁子二磁子)弛豫：不均匀性引起散射弛豫：不均匀性引起散射: 不均匀性愈多不均匀性愈多,自自 旋波愈多旋波愈多; 自旋波振幅愈大自旋波振幅愈大;T2 及及H H 简并简并 2.电子转移电子转移(Fe2+ Fe3+e):和弛豫杂质离子和弛豫杂质离子; 弛豫通过弛豫通过 S- L 耦合将均匀进动能量耦合至晶格损耗掉耦合将均

4、匀进动能量耦合至晶格损耗掉,特点是特点是H 有有 温度峰温度峰; H 杂质杂质 3.KL弛豫弛豫,决定了高纯样品的本征损耗，要求决定了高纯样品的本征损耗，要求HK L 0；对对YIG单晶小球单晶小球:H单晶单晶=H简并简并+H杂质杂质+HK L1.S-S弛豫弛豫:与自旋波与自旋波(不均匀性不均匀性)多少有关多少有关; 1.磁性离子在晶格中排列的均匀程度磁性离子在晶格中排列的均匀程度 YIG:无阳离子空位无阳离子空位:Y全占全占12面体面体; Fe3+占四占四,八面体八面体; 尖晶石尖晶石:有阳离子空位，有阳离子空位， 64个个A位占位占8个个,32个个B位占位占16个个; 尖晶石的均匀性比尖晶

5、石的均匀性比YIG差差H简并简并 2.工艺不当引起内部缺陷工艺不当引起内部缺陷,另相另相(与成分与成分,工艺有关工艺有关),如如YIG:多多Fe 出现出现Fe2O3或或Fe3O4另相另相(工艺也可出现工艺也可出现); 3.表面抛光的粗糙度；目前微波使用单晶表面抛光的粗糙度；目前微波使用单晶YIG小球小球,当表面抛光当表面抛光 好时好时, H=0.10.5Oe; 109 m 2. H具有温度峰的弛豫过程具有温度峰的弛豫过程-H杂质杂质;3. HKL-内禀线宽内禀线宽: S-L的本征特征的本征特征, HKL与温度有关与温度有关(S-L与与T有关有关 ）;四、影响多晶铁氧体的因素四、影响多晶铁氧体的

6、因素 H多晶多晶=H单晶单晶+H磁晶磁晶+H空隙空隙影响因素影响因素: 1.多晶由任意取向的小单晶组成多晶由任意取向的小单晶组成,各小单晶内的有效内场各小单晶内的有效内场 不同引起不同引起HK(H磁晶磁晶); 2.多晶内存在气孔与另相多晶内存在气孔与另相,在气孔与另相的表面出现磁荷在气孔与另相的表面出现磁荷, 引起不均匀性局部退磁场引起不均匀性局部退磁场HP(H空隙空隙);因此多晶的因此多晶的H多晶多晶比比H单晶单晶大数倍及几十倍大数倍及几十倍;n例例:对对YIG(Y3Fe5O12)单晶小球单晶小球,若无磁晶各向异性若无磁晶各向异性,即即Hk0; 若工作频率若工作频率f0=3000MhHz 共

7、振磁场共振磁场H 0 = H0 H0= f/( /2 )= f/2.8= 3000/2.8=1071(Oe) 实际上实际上YIG存在存在各向异性场各向异性场Hk=(4/3)|k1/Ms| =57Oe 当当 H0111时时: H0 + Hk = H0 + (4/3)|k1/Ms| = 0 / H0 = 0 / - (4/3)|k1/Ms| = 1071-57=1014Oe 当当 H0100时时: H0 = f0 /2.8+2(k1/Ms)= 1071+86=1157Oe1. HK磁晶各向异性磁晶各向异性降低降低H Hk k 的具体办法的具体办法 : : A. 选选 k1 小的材料如小的材料如 Y

8、3Fe5O12, MgFe2O4,MnFe2O4 ， Li0.5Fe2.5O4及其复合铁氧体及其复合铁氧体 MgMnAl B用非磁性离子取代磁性离子使用非磁性离子取代磁性离子使 k ;如如Al3+代代MgMn中的中的 Fe3+;Zn2+代代NiFe2O4的的Ni2+使得使得4 Ms k1 ; C采用正负采用正负 k 补偿补偿 ;如如NiFe2O4中加中加CoFe2O4,可使可使k10,但一但一 般不用般不用Fe2O3(+ k1),因因Fe2+引起引起 损耗增大损耗增大; D加加In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+到到YIG中代中代Fe3+可使可使k10,H2.HP 气孔气孔 另相另相磁荷磁荷

9、各处内场不同各处内场不同H0不同不同 .H ; 故故降低降低HP的方的方法是法是:提高密度提高密度,减小另相气孔减小另相气孔;（原材料、配方、工艺）（原材料、配方、工艺）四、影响多晶铁氧体的因素四、影响多晶铁氧体的因素 H多晶多晶=H单晶单晶+H磁晶磁晶+H空隙空隙影响因素影响因素: 1.多晶由任意取向的小单晶组成多晶由任意取向的小单晶组成,各小单晶内的有效内场各小单晶内的有效内场 不同引起不同引起HK(H磁晶磁晶); 2.多晶内存在气孔与另相多晶内存在气孔与另相,在气孔与另相的表面出现磁荷在气孔与另相的表面出现磁荷, 引起不均匀性局部退磁场引起不均匀性局部退磁场HP(H空隙空隙);因此多晶的

10、因此多晶的H多晶多晶比比H单晶单晶大数倍及几十倍大数倍及几十倍;5-3 微波铁氧体材料简介微波铁氧体材料简介一、微波铁氧体的基本要求：一、微波铁氧体的基本要求：高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷及高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷及良好的温度稳定性；良好的温度稳定性；二、分类二、分类多晶与单晶；多晶主要有尖晶石、石榴石和磁铅石三种多晶与单晶；多晶主要有尖晶石、石榴石和磁铅石三种三、基础磁特性三、基础磁特性饱和磁化强度饱和磁化强度4s：200550010-4T居里温度居里温度Tc：100600在微波频段其介电常数约为：在微波频段其介电常数约为：8165-3-1 尖晶石系旋磁材料尖

11、晶石系旋磁材料特点特点: 4 Ms高高, Tc高高,成本低成本低,应用频率高应用频率高, H由几十由几十-几百几百Oe; 为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量的为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量的MnCO3、 并在氧气氛中烧结；并在氧气氛中烧结；这了降低烧结温度、提高密度可以在材料中加入这了降低烧结温度、提高密度可以在材料中加入CuO和和 Bi2O3 主要有主要有Mg系系,Ni系系,Li系系;（一）、（一）、MgMn系系 分子式：分子式：Mg2+xFe3+1-xMg2+1-xFe3+xO44 Ms :3003000 10-4T，工程上主要有镁，工程上主要有镁-锌、镁锌、镁-锰、镁锰、镁-锰锰

12、-铝铝系等，各向异性常数较小，易烧结成高密度、窄线宽的样品；系等，各向异性常数较小，易烧结成高密度、窄线宽的样品；（二）、（二）、.Ni系系(NiZn): 特点特点:高功率高功率,环境稳定性好环境稳定性好; 加少量加少量Mn,Co可以避免出现可以避免出现Fe2+ ； 加加Zn 4 Ms ； 加加Al 4 Ms H ; （三）、（三）、 Li系系 磁滞回线呈矩形，用于锁式相移器以及高功率器件磁滞回线呈矩形，用于锁式相移器以及高功率器件; 5-3-2 石榴石型旋磁铁氧体材料石榴石型旋磁铁氧体材料:主要应用于低频段高功率器件主要应用于低频段高功率器件,常组成以常组成以YIG为基础的多元铁为基础的多元

13、铁氧体氧体;分为两类分为两类: （1）YIG: YAlIG ,YGdIG, YGaIG; 1.YIG(Y3Fe15O12): 4 Ms =1700Gs,H多晶多晶=0.20.5Oe, 因因 L=0, k1小小, H主要决定于气孔主要决定于气孔(除杂质外除杂质外);2.YAlIG,YGaIG,其中其中Al,Ga 取代取代 Fe3+, 4 Ms ; 但取代后由但取代后由 于于k也也 , 所以所以 |k1/Ms| 近似不变近似不变, H几乎不变几乎不变; 3.YGdIG: Gd3+(4f7)取代取代Y,主要目的下降主要目的下降4 Ms(室温室温),且且 |M /T |小小稳定性好稳定性好;由于无轨道

14、由于无轨道L, H较小较小; YGdIG 可出现可出现c；（2）钙钒系）钙钒系: YCaVIG, BiGaVIG; 优点优点: 1.与与YAlIG相比相比,如如4 Ms相同相同, Tc ，H 高功率特性较好高功率特性较好; 2.掺入掺入V可可降低降低 T烧烧; 3.Ca,V代代Y降低成本降低成本; 1. YCaVIG: 加加In3+离子分布为离子分布为: Y3-2xCa2-xFe2-yIny (Fe3-xVx)O12 当为当为Y1.4Ca1.6Fe3.7In0.5V0.8O12 时时; 其性能其性能 : 4 Ms =750Gs, H =8Oe, Tc =160oC, =109 cm 2.BiC

15、aVIG系系 用用Bi代替代替Y得到得到Bi3-2yCa2yFe2 (Fe3-yVy)O12,只有当只有当y0.96时才能得单相时才能得单相, 4 Ms最高只有最高只有700Gs,适用于低频段适用于低频段,高功率高功率器件器件,因因Bi可助熔可助熔,又在又在1100oC烧成烧成, H小；小；3.加入加入In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+ 可降低可降低H(取代取代Fe3+)5-3-3 六角晶系旋磁材料六角晶系旋磁材料 作毫米波器件作毫米波器件,内场高内场高,所需外加场小，器件体积小所需外加场小，器件体积小 本节描述了微波铁氧体，所利用的物理现象是本节描述了微波铁氧体，所利用的物理现象是材料受

16、静磁场和微波场两者作用时出现的旋磁共振。材料受静磁场和微波场两者作用时出现的旋磁共振。这种效应的内在性质是非互易的，它是由磁导率的这种效应的内在性质是非互易的，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。泛地用于各种器件中。 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms是一个基本量，它不仅是效是一个基本量，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（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。择材料时首先要考

17、虑的一个量。 在任何共振效应中一样，线宽是头等重要的。在任何共振效应中一样，线宽是头等重要的。线宽主要与自旋运动的阻尼效应有关，通过研究非线宽主要与自旋运动的阻尼效应有关，通过研究非共振线宽（共振线宽（Heff）或与自旋（）或与自旋（Hk）有关的非线）有关的非线性效应，线宽问题可能解决。相反，在多晶中，共性效应，线宽问题可能解决。相反，在多晶中，共振时观察到的主模线宽振时观察到的主模线宽H是由磁晶各向异性展宽是由磁晶各向异性展宽的，或是由与缺陷和气孔率有关的寄生效应展宽的。的，或是由与缺陷和气孔率有关的寄生效应展宽的。6-1 6-1 石榴石铁氧体的晶体结构石榴石铁氧体的晶体结构慨述：慨述： 石

18、榴石石榴石:损耗低损耗低,可以方便调整可以方便调整Ms,H， HK; 主要应用主要应用:微波及光波领域微波及光波领域; 1石榴石一般化学式石榴石一般化学式:A3B2(C3)O12 为十二面体为十二面体; 为八面体为八面体;( )四面体四面体; A:二价金属离子二价金属离子;如如:Ca2+,Fe2+,Mg2+,Mn2+; B:三价三价Fe3+或其它或其它3d过渡族金属离子如过渡族金属离子如Al3+Cr3+Mn3+ C:一般为一般为Si4+ 2天然石榴石天然石榴石: (FeMn)3Al2(SiO4)3 3磁性石榴石铁氧体由稀土磁性石榴石铁氧体由稀土R3+和和Fe3+取代取代Mn2+,Si4+生成化

19、生成化 学式为学式为R3Fe5O12 (3R2O35Fe2O3)简称简称RIG (YIG)可用于微波可用于微波, 激光激光,磁光磁光,磁泡。磁泡。第六章石榴石铁氧体晶体结构及基本特性第六章石榴石铁氧体晶体结构及基本特性单位晶胞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、单位晶胞一、单位晶胞 1由金属离子由金属离子16a(八面体八面体)构成体心立方结构构成体心立方结构.点阵常数点阵常数a=12.5 埃埃, 基本上仍有基本上仍有O2-密堆而成（面心）密堆而成（面心）;由于由于R3+太大太大,不能占不能占 四面体四面体(2

20、4d)和八面体和八面体(16a),占氧位又太小占氧位又太小,而占而占12面体面体(24c)位位, 所以石榴石结构比尖晶石结构复杂一些。所以石榴石结构比尖晶石结构复杂一些。 2除除96个个O2-外外,具有三种金属离子位置。具有三种金属离子位置。 1.4个个O2-包围的四面体位有包围的四面体位有24个个(简称简称24d或或d位位)由由Fe3+所占所占; 2.由由6个个O2-包围的八面体有包围的八面体有16个个(简称简称16a或或a位位);由由Fe3+所占所占 3.由由8个个O2-包围的包围的12面体有面体有24个个(简称简称24c或或c位位);由由R3+所占所占3每个小立方构成体心立方结构，含占据

21、八面体位每个小立方构成体心立方结构，含占据八面体位(16a)的的 金属离子金属离子2个；个；4四面体四面体(24d)与十二面体与十二面体(24c)位的金属离子处于小立方的位的金属离子处于小立方的 6 个晶面的中心线的个晶面的中心线的1/4(或或3/4），故每个小立方包含），故每个小立方包含3个个 占据四面体和占据四面体和3个占据十二面体位的金属离子个占据十二面体位的金属离子; 5单位晶胞有单位晶胞有8个小立方，因此单位晶胞的个小立方，因此单位晶胞的64个空位个空位(82a+8 3d+8 3c)全被金属离子占据全被金属离子占据.金属离子分金属离子分 布布 式如下：式如下：R3Fe2（Fe3）O1

22、2石榴石铁氧体结构特点：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，制造中要求配方金属离子间隙完全被金属离子占据，制造中要求配方 准确准确,烧结温度高；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加了离子取代途径，有利于改善材料性能 ; 离子置换条件：离子置换条件： 金属离子总和金属离子总和=8 R2O3过量过量,出现出现RFe2O3 如不满足如不满足 (钙钛矿结构铁氧体）钙钛矿结构铁氧体）; 化学价平衡化学价平衡=24 Fe2O3过量过量,出现出现Fe2O3或或 Fe3O4另相另

23、相 二、离子取代规律二、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。满足各种应用上的需要。规律：规律：总的说来，与尖晶石铁氧体一样，除应满足摩尔比外总的说来，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。因素决定。YIG中各种离子占位倾向性详见书中表中各种离子占位倾向性详见书中表2.1.26-2 6-2 石榴石铁氧体的饱和磁化强度石榴石铁氧体的饱和磁化强度一、一、 分子磁矩的计算分子磁矩的计算两近邻磁性离子两近邻磁性离子M

24、e-O-Me之间超交换作用决之间超交换作用决定于离子间距及夹角定于离子间距及夹角; Fe3+(a)- O2- -Fe3+(d)夹角夹角126.6o 2. 0 0 1. 8 8 Fe3+(d) -O2- - R3+(c)夹角夹角122.2o; 1.88 2.43存在六种类型的超交换作用：存在六种类型的超交换作用：a-a，d-d，c-c，a-d，a-c，d-c。作用最强的为：。作用最强的为： a-d ，其次为：，其次为： d-c。 a-d位置上的离子磁距反向排列，位置上的离子磁距反向排列， a-c位置上的离子位置上的离子磁距同向排列磁距同向排列在在0K的各位置磁矩排列的各位置磁矩排列: 24c 1

25、6a (24d) R3 Fe23+ Fe33+ O12 3mR B 25 B 35 B 分子磁矩分子磁矩 nB= |mc- (md- ma)| = |3mR- 5|对对YIG Y3+ 的的 nB= 0总总 nB = 5 B 方向与方向与 24d 相同相同;对对Gd3Fe5O12 Gd 的的 nB =7 B 总总nB=3 7-5 =16 B方向与方向与24c和和16a相同相同;二、石榴石磁化强度的温度特性二、石榴石磁化强度的温度特性特性：大多数石榴石铁氧体特性：大多数石榴石铁氧体(R3Fe5O12)的的MsT曲线曲线 均具均具有抵消点有抵消点c, 即即在在f以下某一温度以下某一温度 T, 合成净

26、磁矩为合成净磁矩为0;原因原因: 超交换作用存在于超交换作用存在于a-d 最强最强, c-d 较弱较弱, 随着随着 温度温度增加增加, 热骚动作用更容易影响热骚动作用更容易影响 c-d位位,使使 c 位的位的Mc不完全不完全平行平行; c a d R3 Fe23+ ( Fe33+) O12 当当T | md- ma | 净净Ms与与Mc方向相同方向相同; T= c，| mc | = | md - ma | 净净Ms = 0; Tc ，| mc | | md- ma |，Ms值增加值增加 当当Tc； | mc | | md- ma | ，Ms 值下降值下降 且随取代量增加，且随取代量增加，c移向高温。移向高温。6-3 磁晶向异性及磁致伸缩特性磁晶向异性及磁致伸缩特性 多数石榴石铁氧体（多数石榴石铁氧体（R3Fe5O12）中稀土离子的）中稀土离子的 4f 电子电子被被 5s2、5p6 电子屏蔽电子屏蔽,晶场作用弱晶场作用弱,轨道磁矩轨道磁矩 L 未被淬灭未被淬灭,故故 S-L耦合强耦合强, 因而表现出大的磁晶各向异性及磁致伸缩，而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