微波铁氧体

一、尖晶石系微波铁氧体： 尖晶石系微波铁氧体： 成本低,应用范围广泛 ①4̟Ms高, Tc高,成本低 应用范围广泛 △H由几十到 高 高 成本低 应用范围广泛, 由几十到 几百Oe; 几百 为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量MnCO3 ②为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量 并在氧气氛中烧结； 并在氧气氛中烧结； 为了降低烧结温度、 ③为了降低烧结温度、提高密度可以在材料中加入 CuO和Bi2O3 和 主要有MgFe2O4系、NiFe2O4系、LiFe系、Mg④主要有 系 Mn-Al系、Nb-Co-A1系、Li-Zn-Ti-Co等； 系 系 等
五、微波铁氧体材料的损耗
旋磁损耗分类：磁损耗（共振损耗，低场损耗）， 电损耗（介电损耗） 损耗机理： 自旋波
自旋→自旋弛豫
电磁波
一致进动
τ1 τ3
S～L～l ～ ～
（非一致进 动）
τ2
S～S ～
晶格振动 （格波）
降低微波铁氧体材料损耗的途径： 降低微波铁氧体材料损耗的途径： 1. 选择合适 选择合适He,使一致进动和自旋波简并度很小 , 使一致进动和自旋波简并度很小 但微波器件的工作条件限制了He和样品形状 和样品形状， 但微波器件的工作条件限制了 和样品形状，通 常简并不可避 免; 2. 尽量减小散射中心 减小自旋波的产生 尽量减小散射中心,减小自旋波的产生 减小自旋波的产生; 多晶: 多晶 1>在晶粒的边界和内部由于存在气孔和非磁杂质 在晶粒的边界和内部由于存在气孔和非磁杂质 而形成的退磁场→不均匀性 不均匀性; 而形成的退磁场 不均匀性 2>.晶粒各向异性的分散性 晶粒各向异性的分散性; 晶粒各向异性的分散性 3>.少量弛豫离子 少量弛豫离子; 少量弛豫离子
二、石榴石型旋磁铁氧体材料: 石榴石型旋磁铁氧体材料 主要应用于低频段高功率器件,常组成以YIG为基础 的多元铁氧体; （1）YIG: YAlIG ,YGdIG, YGaIG; 1>.YIG(Y3Fe15O12): 4̟Ms =1700Gs,△H多晶 =0.2~0.5Oe, 因L=0, k1小, △H主要决定于气孔 主要决定于气孔 (除杂质外 除杂质外); 除杂质外 2>.YAlIG,YGaIG,其中 其中Al,Ga 取代 Fe3+, 4̟Ms↓; 但取 其中 代后由于k也↓, 所以 |k1/Ms| 近似不变, △H几乎 几乎 不变; 不变 3>.YGdIG: Gd3+(4f7)取代 主要目的下降 取代Y,主要目的下降 取代 主要目的下降4̟Ms(室 室 温),且 且 小 稳定性好;由于无轨道 稳定性好 由于无轨道 △H较小 YGdIG可出现θc； 较小; 较小
第一讲 微波铁氧体材料的性能因素
一、饱和磁化强度Ms 饱和磁化强度
1. 4̟Ms(几百 几千高斯 越大，旋磁作用越强。 几百~几千高斯 越大，旋磁作用越强。 几百 几千高斯) 有利于缩小器件的体积。 有利于缩小器件的体积。 2. 4̟Ms高，将易于使铁氧体要微波讯号作用下出 高 损耗(自然共振 自然共振) 现低场 损耗 自然共振 3. 此外 4̟Ms大小还将影响恒磁场、应用功率 此外, 大小还将影响恒磁场、 大小还将影响恒磁场 应用功率(hc)、 、 样品形状等。 样品形状等。 因此选择4̟Ms应全面考虑 因此选择 应全面考虑
（一）、MgMn系 ）、 系 分子式：Mg2+xFe3+1-x[Mg2+1-xFe3+x]O4 分子式： 4̟Ms :300~3000 ×10-4T，工程上主要有镁 锌、镁 ，工程上主要有镁-锌 -锰、镁-锰-系等，各向异性常数较小，易烧结成 系等， 锰 锰 系等 各向异性常数较小， 高密度、窄线宽的样品； 高密度、窄线宽的样品； ）、Ni系 （二）、 系(NiZn): 特点:高功率 环境稳定性好; 特点 高功率,环境稳定性好 高功率 环境稳定性好 加少量Mn、 可以避免出现 可以避免出现Fe 加少量 、Co可以避免出现 2+ →ρ↑；加 ； Zn→4̟Ms↑；加Al →4̟Ms↓ → △H↓; ； （三）、 Li系 系 磁滞回线呈矩形， 磁滞回线呈矩形，用于锁式相移器以及高功率器 件;
微波铁氧体材料
微波铁氧体材料简介
概念：微波铁氧体又称旋磁铁氧体，是指平面偏 概念：微波铁氧体又称旋磁铁氧体， 振的微波在其中按一定方向传播时， 振的微波在其中按一定方向传播时，偏振面会不 断绕传播方向旋转的铁氧体材料。 断绕传播方向旋转的铁氧体材料。 分类：根据其结晶形态可分单晶和多晶型两种， 分类：根据其结晶形态可分单晶和多晶型两种， 单晶型较为少用。而在多晶型中， 单晶型较为少用。而在多晶型中，按其结构又可 分为以下几种类型： 分为以下几种类型： 尖晶石型： Nb-Co-Al系等 ①尖晶石型：如MgFe2O4系、Nb-Co-Al系等 石榴石型： Al系 ②石榴石型：如Y3F5O12、Y-Al系 等 磁铅石型： ③磁铅石型：如BaFe12O19等。
第三讲 石榴石铁氧体晶体结构及 基本特性
优点：损耗低,可以方便调整Ms, △H，△ HK; 优点： 应用：微波及光波领域; 磁性石榴石铁氧体由稀土R 磁性石榴石铁氧体由稀土 3+和Fe3+取代Mn2+,Si4+ 生成化学式为R3Fe5O12 (3R2O3•5Fe2O3)简称 简称RIG 简称 (YIG)可用于微波 可用于微波,激光,磁光,磁泡。 可用于微波
R2O3过量,出现RFe2O3 如不满足→ (钙钛矿结构铁氧体）; 钙钛矿结构铁氧体） 钙钛矿结构铁氧体 Fe2O3过量,出现Fe2O3或 Fe3O4另相
（2）钙钒系: YCaVIG, BiGaVIG; 1.与YAlIG相比 如4̟Ms相同 Tc↑ ，△H↓高功率特 相比,如 相同, 与 相比 相同 性较好; 2.掺入V可降低 T烧; 3.Ca、V代Y降低成本; 、 1>. YCaVIG:加In3+离子分布为: {Y3-2xCa2-x}[Fe2-yIny] (Fe3-xVx)O12 当为Y1.4Ca1.6Fe3.7In0.5V0.8O12 时; 其性 能 : 4̟Ms =750Gs, △H=8Oe, Tc =160oC, ρ=109Ω•cm 2>.BiCaVIG系用Bi代替Y得到{Bi3-2yCa2y}[Fe2] (Fe3系 只有当y>0.96时才能得单相, 4̟Ms最高只有 最高只有 yVy)O12只有当 700Gs,适用于低频段 高功率 适用于低频段,高功率 适用于低频段 高功率器件,因Bi可助熔,又在 1100oC烧成 △H小； 烧成, 烧成
综合以上因素， 综合以上因素，微波铁氧体材料应满足的基本要 求为： 求为： 高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷 及良好的温度稳定性； 基础磁特性： 饱和磁化强度4πΜs：200~5500×10-4T 居里温度Tc：100~600℃ 在微波频段其介电常数约为：8~16
第二讲
尖晶石、 尖晶石、石榴石系微波铁氧体
三、居里温度 Tc
居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率 居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性 在高功率 或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。 或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。 大多数单元石榴石的居里温度都在550~560K左右。 左右。 大多数单元石榴石的居里温度都在 左右
二、石榴石铁氧体结构特点： 石榴石铁氧体结构特点： 1．金属离子间隙完全被金属离子占据，制造中要求 ．金属离子间隙完全被金属离子占据， 配方准确,烧结温度高； 配方 2．相对于尖晶石结构，新增十二面体金属离子位置， ．相对于尖晶石结构，新增十二面体金属离子位置， 增加了离子取代途径，有利于改善材料性能 ; 离子置换条件：
二、铁磁共振线宽△H 铁磁共振线宽△
定义: 一定,调节外加磁场 产生铁磁共振， 定义 当 ω一定 调节外加磁场 产生铁磁共振，则 一定 调节外加磁场,产生铁磁共振 代表损耗的磁导率虚部µ达到最大 代表损耗的磁导率虚部 达到最大 µ max，这种现象 ， 称为铁磁共振。当µ=(1/2) µmax 所对应两个磁场分 称为铁磁共振。 别为Ha和 ，则定义△ 别为 和Hb，则定义△H = Ha - Hb 为铁磁共振吸 收线宽。 收线宽。 1．△H愈窄 谐振点吸收愈大 如谐振式隔离器的优 愈窄,谐振点吸收愈大 ． 愈窄 谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优 远离谐振点，吸收往往愈小(与 值 R (4ω/ r△H)2 ；远离谐振点，吸收往往愈小 与 △ 电损耗有关)即尾巴小 因此希望△ 小好 即尾巴小， 小好; 电损耗有关 即尾巴小，因此希望△H小好 2 ．但如应用 0↑,Hi大,如3公分 = c/λ =1010Hz)低场 但如应用f 公分(f 大 如 公分 低场 器件, 较宽,也无多大影响 谐振Hi 谐振 器件 △H较宽 也无多大影响，因随 谐振 ↑,谐振 较宽 也无多大影响，因随f↑,谐振 峰远离低场区; 峰远离低场区
单位晶胞
16a(Fe3+) 24d(Fe3+) 24c(R3+) 96h(O2-)
石榴石晶体结构中金属离子的空间分布（1/8晶胞）
一、单位晶胞： 单位晶胞： 1．由金属离子16a(八面体 构成体心立方结构 点阵 ．由金属离子 八面体)构成体心立方结构 八面体 构成体心立方结构.点阵 常数a=12.5埃 , 基本上仍有 2-密堆而成（面心）; 常数 埃 基本上仍有O 密堆而成（面心） 由于R 太大,不能占四面体 不能占四面体(24d)和八面体 和八面体(16a),占 由于 3+太大 不能占四面体 和八面体 占 氧位又太小,而占 面体(24c)位，所以石榴石结构 而占12面体 氧位又太小 而占 面体 位 比尖晶石结构复杂一些。 比尖晶石结构复杂一些。 2．除96个O2-外,具有三种金属离子位置。 ． 具有三种金属离子位置。 个 具有三种金属离子位置 1>.4个O2-包围的四面体位有 个(简称 或d位)由 个 包围的四面体位有24个 简称 简称24d或 位 由 Fe3+所占 所占; 简称16a或 位 由 2>.由6个O2-包围的八面体有 个(简称 或a位);由 由 个 包围的八面体有16个 简称 Fe3+所占