锰锌铁氧体

锰锌铁氧体综述

1.1MnZn铁氧体中的金属离子分布

尖晶石型铁氧体用普通的结构式可表示为：

()[]O4 (1)

A位B位

式中：用圆括弧()表示A位；用方括弧[]表示B位。这个结构式表示A位上有x 份的Fe3+,(1-x)份M2+；在B位上有(2-x)份的Fe3+，x份的M2+。这里x为变量，称为反分布率。如果：

⑴x=0，结构式为()[]O4，表示M2+全部在A位，Fe3+全在B位，这种结构的铁氧体称为正型尖晶石结构，如Zn、Cd、Ca铁氧体。

⑵x=1，结构式为(Fe3+)[]O4，表示M2+全部在B位，而Fe3+一半占据A位，另一半占据B位，这种结构的铁氧体称为反型尖晶石结构，如Li、Cu、Fe、Co、Ni铁氧体。

⑶0＜x＜1,表示在A位置和B位置上两种金属离子都存在，称为混合型尖晶石结构。

尖晶石铁氧体中金属离子的分布比较复杂，决定阳离子在A和B位上分布的因素有：离子半径、电子组态、静电能、极化效应和离子价态平衡等。

锌铁氧体为ZnFe2O4正型尖晶石结构的铁氧体，其离子分布式为()[]O4;锰铁氧体MnFe2O4为混合型尖晶石结构的铁氧体,即()[]O4,锰锌铁氧体MnZnFe2O4也为混合型尖晶石结构的铁氧体，我们假设x(x＜1)份的锌铁氧体与(1-x)份的锰锌铁氧体固熔，即有：

x()[]O4

﹢)1-x()[]O4

()[]O4 (2)

1.2MnZn铁氧体的自发磁化理论

⑴亚铁磁性的奈耳分子场理论

为了解释铁氧体的特征，奈耳将反铁磁性的定域分子场理论应用到亚铁磁性中。奈耳以反型尖晶石铁氧体的晶体结构为基础，建立了亚铁磁性的简单分子场理论。奈耳把尖晶石结构抽象成两种次晶格，即A位和B位，并认为A位和B 位之间的相互作用是主要的相互作用，并且具有相当大的负值。绝对零度时，这种相互作用导致磁矩按如下方式取向：A位所有离子磁矩都平行排列，其磁矩为M A；B位所有离子磁矩都平行排列，其磁矩为M B。M A和M B取向相反，但数量不相等。观察到的自发磁化强度等于两者之差值︱M A﹣M B︱。

假设铁氧体的分子式为：MeO·Fe2O3。考虑一般情况，Fe3+离子A位和B位都有分布，分布比例为a:b，并且有：a﹢b=1。对于正型尖晶石铁氧体，a＝0，b ＝1。对于反型尖晶石结构，a＝b＝1/2。一般情况下，Fe3+离子A位和B位都有分布，如()[]O4。为讨论简单，假定Me2+是非磁性的，则a 和b分别代表A位和B位上磁性离子所占的份数。于是，一克分子铁氧体中A 位和B位上的自发磁化强度分别有M A＝a M a和M B＝b M b，整个铁氧体的总的自发磁化强度为：

M s＝M A+M B＝a M a+b M b (3)

式（3）是讨论亚铁磁性的基本公式。从这些方程出发，可以讨论亚铁磁性的基本特性：①亚铁磁性的自发磁化强度及其与温度的关系；②亚铁磁性的顺磁特性。在后面我们将继续讨论MnZn铁氧体的自发磁化强度及其与温度的关系。

⑵MnZn铁氧体的分子饱和磁矩

饱和磁矩n B是铁氧体材料各种物理特性的基础，饱和磁矩的大小取决于铁氧体的结构特性。MnZn铁氧体是一种亚铁磁性材料，其磁性来源于两种没有抵消的离子磁矩的反向排列，因此可以根据总金属离子的分布和各种磁性离子的磁矩数，可以大致计算出各种铁氧体分子的饱和磁矩。在MnZn铁氧体中，处于四面体（A位）和八面体（B位）的自旋磁矩的取向是反向平行排列的，其分子磁矩就为A、B两次晶格中离子的自旋反平行耦合的净磁矩。由于B次晶格的离子数目两倍于A次晶格的数目，则净磁矩M有

M=︱M A＋M B︱=M B－M A (4)

式中，M B为B次晶格磁性离子具有的磁矩，M A为A次晶格磁性离子具有的磁矩。下面我们将根据A位和B位离子磁矩反向平行的假定，利用下面的示意图

计算MnZn铁氧体的饱和磁矩。

由式（5）可以看出，通过调整x值可以来改变铁氧体的饱和磁矩，x值越大，锰锌铁氧体的饱和磁矩就越大，但实验情况却非如此。图1.1给出了式（5）

次晶格A位B位氧离子

离子分布式（Zn2+x，Mn2+(1-x)δ，Fe3+(1-x)(1-δ)）[Mn2+(1-x)(1-δ)，Fe3+2x+(1-x)(1+δ)]4O2-

磁矩方向←←→→

离子磁矩取向-(1-x)δM Mn2+-(1-x)(1-δ)M Fe3+(1-x)(1-δ)M Mn2++2x+(1-x)(1+δ)M Fe3+

分子磁矩n B=(1-x)(1-δ)M Mn2++(2x+(1-x)(1+δ))M Fe3+-(1-x)δM Mn2+-(1-x)(1-δ)M Fe3+

=(1-x)(1-2δ)M Mn2++(2x+(1-x)2δ)M Fe3+

=5(1+x)μB (5)

的计算值与实验值（实线），同图也画出了其它铁氧体的结果。由图可知，只有当x值比较小时，计算值与实验值符合；当x值较大时，实验值上升缓慢，落在图中虚线下边；若x超过某一值后，实验值反而随着x值的增加而下降。

出现这种偏差的原因可以用交换力对的概念来解释。当加入少量非磁性Zn2+离子后，Zn2+离子强占了A位，部分A位上的Fe3+离子被赶到B位，使得A位的磁矩下降，B位的磁矩增加，结果使得铁氧体饱和磁矩大大增加。但当Zn2+离子加入较多时，将会出现这样一些B位，由于原来与此B位离子产生超交换力的A位被Zn2+离子所占的几率增加，因而处于这些B位的磁性离子将失去超交换力的对象，即A-B间的交换作用消失。但这一B位的磁性离子却受到它近邻B位磁性离子的B-B交换作用，使得这些B位离子的磁矩与其他多数B位磁性离子的磁矩反平行，结果每一个这样的B位离子将是总的分子磁矩减少两个离子磁矩。这相当于B位的磁矩数下降，所以Zn2+离子的过多加入反而对提高饱和磁矩不利。试验结果是对0K而言，在室温时，由于热骚动作用，饱和磁矩出现最大值的x值将变小。