mnzn鐵氧體關(guān)鍵磁參數(shù)及工藝

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1、第一章MnZn鐵氧體的關(guān)鍵磁參數(shù)1.1引言鐵氧體磁性即亞鐵磁性，來源于被氧離子所分隔的磁性金屬離子間的超交換相互作用，它使處于不同晶格位置上的金屬離子磁矩反向排列。當(dāng)相反排列的磁矩不相等時(shí)，則表現(xiàn)出強(qiáng)磁性。很明顯，鐵氧體的基本特性與應(yīng)用特性都與晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵及離子分布密切相關(guān)。本章由MnZn鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)研究入手，探討分析MnZn鐵氧體有關(guān)的基礎(chǔ)理論，對(duì)本文所涉及的基本電磁參數(shù)如起始磁導(dǎo)率μi、損耗PL、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、居里溫度Tc等進(jìn)行了分析，為本文的研究提供理論依據(jù)。1.2MnZn鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)及磁性來源1

2、.2.1MnZn鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)凡是晶體結(jié)構(gòu)和天然礦石—鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）的結(jié)構(gòu)相似的鐵氧體，稱為尖晶石型鐵氧體。我們研究的MnZn鐵氧體就屬于尖晶石型鐵氧體。尖晶石型鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，其化學(xué)分子式可以MeFe2O4（或AB2O4）表示。其中，Me為金屬離子Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Fe2+、Li1+等；而Fe為三價(jià)離子，也可以被其他三價(jià)金屬離子Al3+、Cr3+或Fe2+、Ti4+所代替?？傊?，只要幾個(gè)金屬離子的化學(xué)價(jià)總數(shù)為8價(jià)，能與四個(gè)氧離子化學(xué)價(jià)平衡即可，但也要注意離子的大小及其

3、他一些問題。尖晶石型結(jié)構(gòu)的一個(gè)晶胞共有56個(gè)氧離子，相當(dāng)于8MeFe2O4，其中有24個(gè)金屬離子，32個(gè)氧離子。由于晶胞中的離子很多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易全部畫出。圖1-1表示了部分金屬離子在晶胞中的分布。每個(gè)晶胞實(shí)際上可以分為8個(gè)小立方，這8個(gè)小立方體又分為兩類，每種各有4個(gè)；每?jī)蓚€(gè)共邊的小立方體是同類的，每?jī)蓚€(gè)共面的小立方體分屬于不同類型的結(jié)構(gòu)。在每個(gè)不同類型的小立方體內(nèi)都有4個(gè)氧離子。在8個(gè)小立方體中，氧離子都位于體對(duì)角線中點(diǎn)至頂點(diǎn)的中心。由于氧離子比較大，金屬離子比較小，而以氧離子作為密堆積結(jié)構(gòu)，金屬離子都填充在氧離

4、子密堆積的空隙中。氧離子之間存在兩種空隙：即八面體空隙和四面體空隙，如圖1-2。八面體空隙被六個(gè)氧離子包圍，由六個(gè)氧離子中心連線構(gòu)成八個(gè)三角形平面，而稱八面體，其空隙較大，也稱B位。四面體空隙則是由四個(gè)氧離子包圍而成的，四個(gè)氧離子中心連線構(gòu)成四個(gè)三角形平面，所以稱四面體，其空隙較小，也稱為A位。圖1-1尖晶石晶胞的部分結(jié)構(gòu)圖1-2四面體空隙(A位置)和八面體空隙(B位置)在尖晶石晶胞中，氧離子密堆積后構(gòu)成了64個(gè)四面體空隙和32個(gè)八面體空隙，所以一個(gè)晶胞共有96個(gè)空隙。但是，尖晶石型鐵氧體的單位晶胞共有8個(gè)MeFe2O4

5、分子，由于化學(xué)價(jià)平衡的結(jié)果，只有8個(gè)金屬離子Me占A位（也稱8a），16個(gè)金屬離子Fe占B位（也稱16d）。也就是說只有24個(gè)空隙被金屬離子Fe填充，而72個(gè)空隙是缺位。這種缺位是由離子間化學(xué)價(jià)的平衡作用等因素所決定的，但卻易用其他金屬離子填充和替代，為鐵氧體中金屬離子擴(kuò)散及摻雜改性提供了有利條件，也是尖晶石型鐵氧體可以制備成具有各種不同性能的軟磁、矩磁、旋磁及壓磁材料，得到極其廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。圖1-3尖晶石晶胞參數(shù)a及u在理想的最緊密堆積情況下，A位置與B位置具有一定大小，rA≈0.03nm，rB≈0.055nm。

6、進(jìn)入A、B位置的金屬離子半徑一般在0.06～0.1nm之間，因此實(shí)際的晶體尺寸要膨脹一些，根據(jù)圖1-3幾何關(guān)系可得A位置與B位置上可容納的金屬離子的半徑分別為：式中ro為氧離子半徑，ro≈0.132nm；a為晶格常數(shù)，理想情況下的晶格常數(shù)a≈0.75nm；u為氧離子參數(shù)，理想的面心立方中u＝3/8＝0.375。在錳鋅鐵氧體中，由于金屬陽離子的半徑總是大于rA或rB，故當(dāng)A位置或B位置被陽離子占據(jù)時(shí)，四面體體積將略微膨脹，但是仍然保持正四面體對(duì)稱。八面體的體積將相應(yīng)縮小，不再保持八面體的對(duì)稱，使得氧離子參數(shù)u稍大于3/8，

7、錳鐵氧體MnFe2O4和鋅鐵氧體ZnFe2O4的氧離子參數(shù)u均為0.385，MnFe2O4和ZnFe2O4的晶格常數(shù)分別為0.85nm，0.842nm。1.2.2MnZn鐵氧體中的金屬離子分布在尖晶石鐵氧體中，填充A位置的金屬離子構(gòu)成的晶格稱為A次晶格；同理，填充B位置的金屬離子構(gòu)成的晶格稱為B次晶格。一般來說，每種金屬離子都有可能占據(jù)A位置或B位置，其離子分布式可寫為：(Mex2+Fe1-X3+)[Me1-x2+Fe1+x3+]O4上式中以（）表示A位，以[]表示B位，腳標(biāo)x表示Me2+離子占A位的分?jǐn)?shù)。①當(dāng)x＝1時(shí)，

8、表示所有A位都被Me2+離子占據(jù)，而B位置都被Fe3+占據(jù)，這種分布和尖晶石結(jié)構(gòu)相同，稱為正型尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體；②當(dāng)x＝0時(shí)，表示所有A位都被Fe3+離子占據(jù)，而B位置分別被Fe3+和Me2+各占據(jù)一半，這種分布正好和尖晶石結(jié)構(gòu)相反，稱為反型尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體；③當(dāng)0＜x＜1時(shí)，表示在A位置和B位置上兩種金屬離子都