МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФЕРРИМАГНЕТИЗМ И МАТЕРИАЛЫ ТИПА ФЕРРИТОВ

В § 2 было указано, что для ферромагнетиков характерно параллельное расположение спинов и положительное значение обменного интеграла. Советский ученый J1. Д. Ландау теорети­чески предсказал [10] существование веществ, для которых энерге­тически более выгодным является антипараллельная ориентация спинов, чему соответствует отрицательное значение интеграла обменной энергии. Это явление было названо антиферромагне­тизмом. В дальнейшем антиферромагнетизм был подтвержден опытом[11].

Различают скомпенсированные и нескомпенсированные анти­ферромагнетики. Первые являются-собственно антиферромагне­тиками и имеют суммарный магнитный момент, равный нулю, у вторых этот момент отличен от нуля. Нескомпенсированный ан­тиферромагнетизм называют ферримагнетизмом. Многие свойст­ва ферримагнетиков, например зависимости / = f (Я), качест­венно аналогичны свойствам ферромагнетиков. Однако между этими двумя группами веществ имеются и принципиальные раз­личия.

Для иллюстрации этого положения обратимся, например, к рассмотрению зависимости намагниченности насыщения ферро - и ферримагнетиков от температуры. Для ферромагнетиков в этом отношении наиболее характерным является существование точки Кюри, т. е. температуры, выше которой вещество стано­вится парамагнитным. Для некоторых ферримагнетиков при по­вышении температуры интенсивность насыщения постепенно уменьшается, переходит через нуль, начинает возрастать и далее снова падает до нуля. При дальнейшем нагреве ферримагнетик остается немагнитным, т. е. температура второго обращения ин­тенсивности насыщения в нуль является точкой Кюри. Темпе­ратура первого перехода через «уль называется точкой компен­сации [12]. Объяснить появление точки компенсации и ряда других явлений, возникающих в ферримагнетиках, с позиций ферро­магнетизма невозможно. Потребовалось создание теории ферри - магнетизма.

Теория ферримагнетизма пока еще полностью не разработа­на. В настоящее время наибольшее признание в этой области имеет теория, созданная французским ученым Неелем.

Чтобы понять основные положения теории Нееля, рассмотрим некоторые особенности кристаллической структуры и свойств ферритов, широко применяемых в технике группы ферримагне­тиков.

Ферриты представляют собой двойные окислы, образуемые окисью железа Fe203 с окислами двухвалентных металлов[13], и имеют химическую формулу Me0-Fe203, где Me — двухвалент­ный металл (железо, никель, марганец, цинк, кобальт, медь, кад­мий, магний). Это так называемые простые, или однокомпонент- ные ферриты (моноферриты). Некоторые из них, например никелевый NiO • Fe203 или марганцевый МпО • Fe203, являются магнитными; другие, такие, как Zn • Fe203 и CdO • Fe203,— не­магнитными. Широкое применение имеют в технике также сме­шанные ферриты, представляющие собой твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.

Ферромагнитные свойства ферритов были открыты еще в 1878 г. В 1909 г. немецкий ученый Хильперт получил патент на их изготовление. Одновременно с ним в России исследованиями ферритов как магнитного материала занимался В. П. Вологдин. Однако в то время ферриты не получили практического примене­ния. Начиная с 1935 г., крупные работы в этой области проводи­ла голландская фирма «Филипс». В дальнейшем, особенно в послевоенные годы, проблема ферритов получила широкое развитие.

Свойства ферритов в значительной степени определяются их кристаллической структурой. В настоящее время находят приме­нение ферриты, имеющие кристаллическую структуру, подобную структуре природных минералов, — шпинели, магнетоплумбита, граната, а также некоторые другие. Наиболее изученным яв­ляется феррит со структурой шпинели.

Рис. 7. Схематическое

Изображение элементар­ной ячейки шпинельной структуры

Рис. 8. Схематическое изображение тетраэдри - ческого (а) и октаэдрического (б) узлов (светлыми кружками обозначены ионы кисло­рода, черными — ионы металлов)

Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб с реб-

О

Ром а ~ 8,5 А. Для удобства рассмотрения этот куб можно раз­делить на восемь более мелких кубиков с ребрами а/2, называе­мых октантами (рис. 7). Структура заштрихованных и оставлен­ных светлыми на рис. 7 октантов различна.

Всего элементарная ячейка шпинели содержит восемь «мо­лекул» MeFe204, т. е. 32 иона кислорода, 16 ионов железа и 8 ионов двухвалентного металла Me. Ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую решетку. В промежутках ме­жду ионами кислорода находятся ионы металлов, причем эти ионы окружены четырьмя или шестью ионами кислорода так, как это показано на рис. 8, а и б. Первое расположение назы­вается тетраэдрическим, второе — октаэдрическим.

Неель рассматривал кристаллическую решетку шпинели, со­стоящую из двух подрешеток: одна состоит из магнитных ионов металлов, находящихся в тетраэдрических промежутках (под - решетка А), и другая — из ионов в октаэдрических промежут­ках (подрешетка В).

В элементарной ячейке шпинели имеется всего 64 тетраэдри- ческих и 32 октаэдрических места (пустот). Из них заняты 8 тет - раэдрических (Л-узлы) и 16 октаэдрических (В-узлы) мест; 72 места остаются свободными. Отметим также, что ближайшие сосе­ди какого-либо иона в подрешетке А принадлежат к подрешетке В.

Неель распространил теорию молекулярного поля Вейсса на кристаллическую решетку шпинели. При этом он предполо­жил, что между магнитными ионами подрешеток Л и В имеет место сильное отрицательное взаимодействие типа АВ, приводя­щее к антипараллельному расположению'спинов (магнитных мо­ментов) подрешеток. Взаимодействие типов АА и ВВ по сравне­нию с АВ мало. При равенстве магнитных моментов подрешеток Л и В имеет место антиферромагнетизм. Если магнитные момен­ты Л и В не равны между собой, существует ферримагнетизм.

Ионы двухвалентного металла Ме++ и трехвалентного желе­за Fe+++ в решетке ферритов МеО • Fe203 могут быть располо­жены различным образом, образуя при этом один из двух типов шпинели: прямую (нормальную) или обращенную.

В прямой шпинели Ме++ занимает тетраэдрические пустоты Л, a Fe+++ — октаэдрические пустоты В. В форме прямой шпи­нели кристаллизуются ферриты цинка и кадмия. Прямые шпи­нели неферромагнитны.

В обращенной шпинели в тетраэдрических промежутках на­ходится половина ионов Fe+++, в октаэдрических — вторая поло­вина ионов Fe+++ и ионы Ме++. В форме обращенной шпинели кристаллизуются ферриты никеля, марганца, магния, меди, ко­бальта и некоторых других элементов. Обращенные шпинели ферромагнитны.

Условно два указанных типа шпинелей обознача­ют следующим образом: Me++[Fe2+++]04 — прямая шпинель, Fe+++[Me++Fe+++]04 — обращенная шпинель. Ионы, занимаю­щие тетраэдрические узлы, написаны перед квадратными скоб­ками, а ионы, занимающие октаэдрические узлы, — в скобках.

Расчеты, проведенные в соответствии с теорией Нееля, объ­ясняют многие, неясные ранее положения, встречающиеся на практике. Покажем это на примере.

По данным Вейсса магнитный момент М молекулы феррита железа Fe0-Fe203 (магнетита), определенный опытным путем, равен 4,08 |лв *. Если бы все некомпенсированные моменты мо­лекулы магнетита были расположены параллельно друг другу, то М должен был бы равняться 14 ц, в, так как Мре+++ = 5цв, а MFe++ = 4 (л в. Магнетит кристаллизуется в форме обращенной шпинели, т. е. его структурная формула имеет вид: Fe+++ [Fe++Fe+++] 04,

* Единица магнитного момента (магнетон Бора), численно равная маг­нитному моменту спина электрона (0,927-Ю-20 СГСМ).

А суммарный момент определится так:

М = Мокт — Л[14]Тетр = (4jiB + 5цв ) — 5jiB = ,

Что хорошо согласуется с данными опыта.

Становится понятным также аномальный характер зависимо­сти Js=f (Т) и наличие точки компенсации для некоторых фер­ритов, о чем было упомянуто в начале настоящего параграфа. На рис. 9 дано схематическое изображение температурной зави­симости намагниченности насыщения для подрешеток. Л, В и ре­зультирующая кривая для феррита с точкой компенсации, пред­ставляющая разность (алгебраическую сумму) двух первых кри­вых. Точка Тк является точкой компенсации, а в — точкой Кюри.

Из приведенных кривых и об­щих положений теории' Нееля сле­дует также, что намагниченность насыщения ферритов не может быть большой. Действительно, Js ферритов в несколько раз меньше Js ферромагнитных материалов, у которых имеет место параллельное расположение спинов.

Теория ферримагнетизма значи­тельно сложнее, чем это было рас­смотрено нами. Например, взаимо­действие ионов подрешеток Л и В в ферритах происходит не непосред­ственно, а через немагнитные ионы кислорода, электронные оболочки которых «возбуждаются» и принимают участие в «сверхобмене»; не учитывалось взаимодействие типов АА и ВВ и т. д. Теория Нееля не отвечает пока еще требованиям научной строгости и завершенности и встречает по этим причинам возражения со стороны некоторых ученых *. Однако ее данные хорошо согласу­ются с опытом, и поэтому можно ожидать, что в дальнейшем она получит углубленное развитие.

, Октаэдр (подрешеткав)

Результирующая намагниченность

. Тетраэдр (подрешетка А)

J / в Температура

Рис. 9. Схематическое изобра­жение зависимости Js — f(T) подрешеток А, В и результи­рующая кривая для феррита с точкой компенсации

Мы рассмотрели только простые ферриты со структурой шпи­нели. Аналогичным образом можно подойти и к исследованию ферритов с другой структурой.

В электрическом отношении ферриты относятся к классу по­лупроводников и имеют удельное электрическое сопротивление, в миллиарды раз превышающее сопротивление металлических фер­ромагнетиков. Это практически исключает возникновение в фер­ритах вихревых токов при воздействии на них переменных маг­нитных полей, что позволяет расширить область применения фер-
ригов как магнитного материала до сотен мегагерц вместо не­скольких десятков килогерц для металлических материалов.

Применение ферритов в радиоэлектронике по своему значе­нию сравнивают с введением полноводной техники, т. е. оцени­вают как принципиальный, крупный скачок вперед.

Простые ферриты во многих отношениях уступают смешан­ным ферритам. Например, в настоящее время большое примене­ние имеют никельцинковые ферриты, представляющие собой твердый раствор магнитного никелевого и немагнитного цинково­го ферритов. На рис. 10 представлена трой­ная диаграмма такого смешанного феррита, показывающая зависи­мость начальной про­ницаемости ца от сос­тава. Весьма широко применяемыми и перс­пективными являются многокомпонентные ферриты.

В настоящее время получили широкое при­менение магнитномяг- кие и магнитнотвердые ферриты, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств СВЧ, ферриты с высокой магнитострикцией.

Области и объем применения ферритов непрерывно расширя­ются.