05石榴石

四石榴石型铁氧体1956年E.F.贝尔托和F.福拉报道了亚铁磁性的石榴石铁氧体，这种铁氧体主要应用于微波领域，如大功率环行器、隔离器、等，有很强的军事应用背景利用铁氧体材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体器件如环行器、隔离器等，在二次世界大战中解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际问题，极大地提高了雷达系统的战术性能，成为其中的关键件和致命件。其后微波铁氧体器件技术获得了飞速发展，80%以上都用于军事上，如精密制导雷达、舰载雷达、机载、远程警戒预警雷达，导航和炮描雷达等都采用了相控阵天线。例如海湾战争中，美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术，而铁氧体移相器则是相控阵技术的关键元件之一。在AV/MPQ导弹系统中使用了5161个X波段铁氧体移相器，它可以同时监视100个目标，同时跟踪8个目标，同时制导8枚导弹。冷战结束后，美俄等发达国家，也实行了“军转民”战略，微波铁氧体器件开始大量向民用方面转移，所以在卫星通信、微波通信、微波能应用、工农医疗等方面获得了广泛应用，市场日益扩大。环行器原理示意图左右的两个M接头分别接天线和发射机，当然也可以是你需要的其它设备，图片中环行器里的信号流向在强磁场的作用下只能是顺时针方向，发射机的信号只能输出到天线，天线返回的信号只能到匹配负载被消耗。下部中间位置用螺丝固定的器件就是50Ω/100W的匹配负载。4.1晶体结构天然石榴石的分子式为Ca3Al2（SiO4）3，属于体心立方结构，分子式可以写为Me32+Me23+Si34+O12,这是一种弱磁性矿物。1956年，在研究具有钙钛矿结构的稀土元素铁氧体时发现具有石榴石结构的铁氧体（3R2O3.5Fe2O3)。进行有意识的代换，即利用3价阳离子组合R3+Fe3+去代换其中的(Me2+Si4+)可以得到我们希望的磁性石榴石的铁氧体，其分子式为Re33+Fe53+O12,或者写为3R2O3.5Fe2O3。单位晶胞含有8个分子，由96个O离子组成，其中16个八面体座（16a），24个四面体座（24d），24个十二面体座（24c）八面体座和四面体座来代表十二面体座，和、分别用离子间超交换作用以)()(2dMOaM其次为)()(2aMOcM石榴石铁氧体的磁性主要由这两种相互作用来决定M-O-M超交换示意图1、在尖晶石结构中，64个四面体座仅填充了8个，32个八面体座填充了16个，而在石榴石铁氧体结构中所有的氧离子间隙都被氧离子所填充，通常仅能存在三价的铁离子，电阻率比尖晶石为高2、石榴石结构中，同一晶格中的离子间无显著的相互作用，而在尖晶石结构中每一个B位离子，可以与相邻的B位离子有着显著的相互作用3、在石榴石铁氧体中，阳离子占有三种类型的晶格位置，存在六种相互作用，其中四面体座（24d）与八面体座（16a）磁性离子间的交换作用最强，因此决定石榴石铁氧体距离温度的主要因素就是24d和16a之间的交换作用。而十二面体座（24c）离子置换对居里温度影响不大，但对其它性能如铁磁共振线宽以及饱和磁化强度会产生显著影响，因此可以在距离温度变化不大的情况下改变饱和磁化强度和铁磁共振线宽等量。4.2离子分布离子在晶座中的分布规律1、通常离子半径较大的离子如：Ca2＋，Na1＋，Y3＋，Sr2＋以及稀土元素离子占据十二面体座2、离子半径较小的如Mn2＋，Mg2＋，Cd2＋，Cu2＋等离子在某些组成里面也可以进入24c晶位3、Fe3＋填充四面体座，四面体座还可以填充体积较小的，具有球形对称的非磁性离子，如Al3＋，Ga3＋，Ge4＋，Sn4＋等。八面体座，除了Co2＋以外，一般容易接受具有球形对称电子结构的半径较大的离子，如In，Sc，Cr等离子。Zn2＋在石榴石中择优八面体座。1、Sc3+,Cr3＋，Fe3＋是特有的三种三价金属离子，其进入石榴石的数量是可以确定的2、对于石榴石铁氧体中的取代，离子半径是主要影响因素，但也有特例，如Cr3＋，其离子半径显然是小于Fe3＋，但是它取代Fe3＋却是进入八面体座，这是源于d轨道在四面体场和八面体场的能级分裂，在八面体场内，Cr3＋电子波函数呈现一种赝球结构，对于石榴石铁氧体晶位，其对球形电子配置的金属离子有一种择优取向。3、另外四价金属由于离子半径较小，择优取向于四面体座，如Si4＋和Ge4＋，但也有特例，如Sn4＋，Zr4＋和Hf4＋择优取向八面体座4.3饱和磁化强度和居里温度1、稀土石榴石型铁氧体稀土石榴石铁氧体的分子式为R3Fe5O12,稀土离子处于24c晶位，石榴石晶格由三个次晶格组成，次晶格间交换作用为负值，ad交换作用最强，两者磁矩反平行形成一个合成磁矩R，然后和c次晶格上的离子磁矩反平行：cadMMMM分子波耳磁子数为Bcadcsu10m6m4m6m6m)(稀土元素R其离子的电子组态为4f0－14.5s2.5p6,自旋轨道耦合不完全淬灭，因此其波耳磁子数为mc＝gJJ当磁矩非零的稀土离子取代C晶座的时候，饱和磁化强度对温度的依赖关系异于次晶格ad，会出现磁矩的抵消点。这同时也证明了对于石榴石铁氧体而言，ad的作用是最强的，同时可以看到，铁氧体的距离温度在560K，这也说明决定其居里温度的作用是来自于ad的作用。2、替换式石榴石铁氧体（1）置换钇铁石榴石铁氧体中的铁离子2、置换钇铁石榴石中的钇离子1、以Gd取代，当置换量一定的时候可以产生磁矩抵消点，在居里温度和抵消点之间可以期望Ms（T）曲线比较平坦，从而提高磁性的温度稳定性2、以Ca和Bi等非稀土离子取代，可以降低成本，改变磁性，满足各种频段器件的需要。4.4磁晶各向异性和磁致伸缩系数石榴石是立方各向异性，由于Y离子无磁性，因此对磁各向异性的主要贡献来自于Fe3+Gd虽然有磁性，但轨道矩为零，同样磁晶各向异性也很弱在不同温度下，稀土离子对各向异性的贡献会出现很大的变化Tb由于强的自旋轨道耦合，具有很大的磁晶各向异性2、磁致伸缩磁致伸缩和磁晶各向异性彼此是相关联的，同样受到自旋轨道耦合的影响，通过观察温度曲线可以确定稀土离子的影响4.5铁磁共振单晶体的铁磁共振线宽来自于磁晶各向异性的影响真实损耗多晶体的铁磁共振多晶体的铁磁共振线宽线宽影响因素较多，因此远大于单晶体的铁磁共振现款，因为显微结构如晶粒尺寸、晶界、空泡与杂质，甚至表面的光洁度都对线宽有较大的影响。多晶体线宽公式：pkHHHH单多独立共振线宽sAkMKHH012整体共振MsHHAdk02空泡杂质的影响)4(5.1MsPHp线宽随温度变化来自于各向异性的影响