石榴石铁氧体

华中科技大学

材料科学与工程学院试卷

（开卷，考察）

考试科目：磁性材料与器件

班级：功材1301-1302

考试日期：2016年6月30日

姓名：***

班级：功材1302

学号：U*********

分数：

评卷人：于尧

石榴石铁氧体作磁性材料的应用

摘要：

石榴石型铁氧体是一种重要的亚铁磁性材料。自从1956 年石榴石型铁氧体问世以来，因其优越的磁、磁光、介电等特性而被广泛应用于旋磁材料、微波材料、磁光材料等领域。在自然界中，具有石榴石结构的矿物很多，一般的化学式为R3Fe5O12缩写为RIG，R表示三价稀土族金属离子。石榴石铁氧体中最重要的品种是Y3Fe5O12 (yttrium iron garnet缩写为YIG)，及以其为基础发展起来的一系列材料，一般称为YIG 型材料。被保持在磁化状态的YIG 型材料在超高频场内的磁损耗比其他任何品种的铁氧体要低一个到几个数量级，因而YIG型材料是超高频铁氧体器件中的一种特殊材料，同时也是研究铁氧体在超高频场内若干特性的不可缺少的样品。石榴石铁氧体的元素代换是亚铁磁性和晶体物理的基本研究课题，可能替微波，磁泡、磁光等铁氧体器件找出新的材料，因此这方面的研究在最近若干年来出现了异常活跃的局面。

引言：

铁氧体材料是一类重要的磁性材料,上个世纪四十年代开始人们就对其进行系统的研究和生产,取得了极其迅猛的发展,并在工业上广泛应用。随着铁氧体材料日益深入的应用,其在很多领域已经成为不可或缺的组成部分,包括通讯广播、自动控制、计算技术、仪器仪表,另外在宇航航行、卫星通讯、信息显示和污染处理等方面,也已经开辟了很好的应用前景。铁氧体与器件的发展一般和磁学、固体物理与化学、无线电、电子学等一些基础理论学科密切联系,它们之间彼此促进,相互发展,继而一些新应用领域被不断开辟出来。铁氧体材料是一类金属氧化物,就其电性来说,铁氧体的电阻率,近乎为绝缘,要比金属、合金等其它磁性材料大得多,而且还具有较高的介电性能,但就其磁性来讲,铁氧体在高频时具有很高的磁导率。因此,铁氧体已经成为高频弱电领域用途广泛的磁性材料。

1 铁氧体在特性和用途上的分类

铁氧体材料在特征和用途上基本可分为五大类：软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体、矩磁铁氧体和压磁铁氧体。

1.1软磁铁氧体

在外界较弱的磁场下,易于被磁化也易于被退磁,例如锌铬铁氧体材料和镍锌铁氧体材料等。软磁铁氧体材料是目前用途广,种类多,数量多和产值高的一类铁氧体材料。软磁材料主要被用作各种各样的电感元件,例如滤波器、变压器和无

线电的磁芯,以及各种磁带的录音和录像的磁头,同时也作为磁记录元件的关键材料。

1.2硬磁铁氧体

铁氧体硬磁性材料被磁化后不易被退磁,因此,也可以被称为永磁材料或恒磁材料。例如钡铁氧体、钢铁氧体等。这种材料主要用在电信器件,如用于录音器、拾音器、扬声器和各种仪表的磁芯。

1.3旋磁铁氧体

这种材料的旋磁特性是指在一个稳恒磁场垂直一个电磁波磁场的情况下,对于那个平面偏振的电磁波而言在材料内部其尽管按照某一特定方向传播,但是其偏振面会同时不断地绕着传播方向旋转。对于金属材料、合金材料尽管也具有一定的旋磁特性,但是由于在这些材料中电阻率很低、涡流损耗很大,电磁波不能被深入到内部,所以这些材料的旋磁性无法利用。因此,对于铁氧体旋磁材料的旋磁性质的应用,被成为铁氧体独有的应用领域。旋磁材料很多都与传输微波的波导管或者传输线等组成各种各样的微波原器件。其主要用于雷达、导航、通信、遥测等电子设备中。

1.4矩磁铁氧体

具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的最重要的特点是当很小的外磁场作用时,就能被磁化,并且能达到饱和,然后掉外磁场时,磁性仍然被保持在和饱和磁化时一样。例如镁锰、铿锰铁氧体。这种铁氧体材料现在被主要用在电子计算机的各种存储器磁芯上。

1.5压磁铁氧体

磁化时在外磁场的方向上做机械的伸长或机械的缩短,例如镍锌、镍铜和镍铬铁氧体等。压磁性材料主要应用在电磁能与机械能之间进行相互转化的一种换能器,其作为磁致伸缩的元件被用于超声。

2 石榴石铁氧体的晶体结构

石榴石铁氧体属于立方晶系，具有体心立方晶格，其点阵常数a≈12.5Å。每个晶胞单位中含有8个R33+Fe53+O12分子。由于R3+离子太大，不能占据氧离子间的四面体或八面体空隙，而直接取代氧的位置又显得过小，事实上它是占据较大的十二面体空隙。石榴石晶体结构是由氧离子堆积而成，金属离子位于其间隙中。

对于单位晶胞而言，间隙位置可分为以下三种：

a.由4 个氧离子所包围的四面体位（d 位）有24 个（也称24d 位），被Fe3+离子占据。

b.由6 个氧离子所包围的八面体位（a 位）有16 个（也称16a 位），被Fe3+离子占据。

c.由8 个氧离子所包围的十二面体位（c 位）有24 个（也称24c 位），被Y3+或R3+离子占据。

对分子式为R3Fe5O12的石榴石铁氧体，其占位的结构式常表示为：{R3}[Fe2]（Fe3）O12

{}，[]，（）分别表示24c，16a，24d 位置。

在石榴石铁氧体的单胞中共有64个金属离子，96个氧离子，相当于8的离子数。下图分别为石榴石铁氧体的氧离子空隙结构和Y3Fe5O12的Y3+、Fe3+在三种次晶格中的相对位置。

3 石榴石铁氧体的磁性机制

在石榴石铁氧体YIG中，16a 与24d位的磁性Fe3+离子被离子半径较大的非磁性O2-离子隔开，磁性离子间的距离实在太大，以至电子不可能有直接的交换作用，而只能通过中间非磁性氧离子间接进行。因此，在石榴石铁氧体交换作用中，必须有氧离子的价电子参与。对于这种通过氧离子而发生的交换作用叫做间接交换作用或超交换作用。石榴石铁氧体的亚铁磁性就是由这种超交换作用所形成的。

对于纯YIG，24c 位仅为非磁性的Y3+占有，因此，总磁化强度只为16a与24d 两种次磁晶格磁矩的合成。因24c 位无磁性离子，则16a 与24d自旋必须反平行耦合。总磁矩：M = Md–Ma

若24c 位引入磁性离子，则24c 与24d位磁矩保持平行或反平行耦合。此时总磁矩：M = ︱Md -Ma ︱-Mc

如引入的磁性离子是替代16a 或24d位的铁离子，则总磁矩仍按上式计算。

下图是石榴石型铁氧体Y3Fe5O12和R3Fe5O12的磁结构示意图。左图是Y3Fe5O12的磁结构示意图，因为四面体24d位和八面体16a 位的Fe3+离子是通过氧离子进行超交换作用，离子磁矩反向平行耦合，Y3+是非磁性离子，所以Y3Fe5O12的总磁化强度就是四面体位和八面体位的Fe3+离子间超交换作用后的净磁化强度。当有磁性稀土离子取代Y3+进入石榴石型铁氧体后，次晶格24c 位具有了磁矩，而且其方向与次晶格24d位的磁矩方向相反，如右图所示。则掺杂后的R3Fe5O12的饱和磁化强度应为次晶格24d、16a 位的铁离子耦合后的净磁化强度再与次晶