铁氧体晶体结构

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,铁氧体晶体结构与磁性,UNITED ELECTRONICS CO.,LTD,优耐电子（深圳）有限公司,研发部,:,伍卓权,2009-04-08,一,.,铁氧体的晶体结构,二,.,铁氧体磁性来源,三,.,超交换作用,四,.,复合铁氧体,铁氧体的晶体结构,铁氧体是是氧化铁,(Fe,2,O,3,),和其他一种或几种金属氧化物化合而成的物质,是复合氧化物,.,铁氧体的晶体结构主要有三种,:,A.,尖晶石型,;,B.,柘榴石型,;,C.,磁铅石型,.,铁氧体的晶体结构,A.,尖晶石型铁氧体的晶体结构,化学式是,:MeFe,2,O,4,或,MeOFe,2,O,3,其中,Me,代表二价金属离子,(,常有,:Mn,2+,Co,2+,Cu,2+,Ni,2+,Mg,2+,Zn,2+,Fe,2+,Cd,2+,等等,),通常是过渡金属元素,.,分子式中,Fe,3+,离子也可以被其他三价金属离子取代,通常是,Al,3+,Cr,3+,或,Ca,3+,;,也可以被,Fe,2+,或,Ti,4+,取代一部分,.,由于与一种叫镁铝尖晶石的矿石,(MgAl,2,O,4,),的结构相同而得名,.,铁氧体的晶体结构,尖晶石铁氧体的晶格结构,呈立方对称,.,一个单位晶胞含有,8,个分子式,一个晶胞的分子式为,M,2+,8,Fe,3+,16,O,2-,32,所以,一个铁氧体单晶胞内共有,56,个离子,其中,M,2+,离子,8,个,Fe,3+,离子,16,个,O,2-,离子,32,个,.,三者以氧离子的尺寸最大,晶格结构组成必然以氧离子作密堆积,金属离子填充在氧离子密堆积的间隙内,.,如下图所示,:,离子半径,O,2-,A2.65,Mg,2+,A1.62,Al,3+,A1.16,铁氧体的晶体结构,四面体,八面体,铁氧体的晶体结构,在,32,个氧离子密堆积构成的面以立方晶格中,有两种间隙,:1),四面体间隙,;2),八面体间隙,.,四面体间隙由,4,个氧离子中心联结构成的,4,个三角形平面包围而成,这样的四面体间,隙共有,64,个,而且,四面体的间隙较小,只能填充尺寸小的金属离子,.,八,面体由,6,个氧离子中心联线构成的,8,个三角形平面包围而成,这样的八面体共有,32,个,八面体的间隙较大,可以填充尺寸较大的金属离子,.,一般地,四面体间隙简称为,A,位,;,八面体间隙简称为,B,位,.,铁氧体的晶体结构,一个尖晶石单胞,实际上只有,8,个,A,位和,16,个,B,位被金属离子填充,.,填充,A,位的金属离子构成的晶格称为,A,次晶格,同理也有,B,次晶格,.,实用上,把,M,2+,离子填充,A,位,Fe,3+,离子填充,B,位的分布定义为”,正型,”尖晶石铁氧体即,(M,2+,)Fe,3+,2,O4,如果上述分布对调了,则定为”,反型,”尖晶石铁氧体,即,(Fe,3+,)M,2+,Fe,3+,O4,如,:Li,Cu,Fe,Co,Ni,铁氧体,.,正型结构的铁氧体只有,ZnFe,2,O,4,和,CdFe,2,O,4,两种,铁氧体的晶体结构,此外,还有介于正型与反型之间的混合分布结构,即,(M,2+,(1-X),Fe,3+,X,)M,2+,X,Fe,3+,(2-X),O4,式中,x,为,M,2+,离子占有,A,位的份数,.,当,x=1,时变成反型,即,(Fe,3+,)M,2+,Fe,3+,O4,表示,:M,2+,全在,B,位上,而,Fe3+,各有一半占据,A,位和,B,位,如,:Li,Cu,Fe,Co,Ni,铁氧体,.,当,x=0,时变成正型结构,即,(M,2+,)Fe,3+,2,O4,表示,:M,2+,全在,A,位上,而,Fe,3+,全在,B,位,如,:,ZnFe2O4,和,CdFe2O4,一般是,0 x3,铁氧体的磁性,物质中原子或离子磁矩的有序排列方式对应的三种磁性的列图,:,1.,铁磁性,2.,反铁磁性,2.,亚铁磁性,超交换作用,1934,年,克拉默首先提出了一种交换作用模型,-,超交换模型,用来解释反铁磁性自发磁化的起因,.,他认为,反磁性物体内的磁性离子之间的交换作用是通过隔在中间的非磁性离子之为媒介来实现的,故称超交换作用,.,超交换作用的原理：,超交换作用,超交换作用的原理,：,(,以,MnO,为例,),由于,MnO,具有面心立方结构,存在两种键角,即,180,度与,90,度的键角,.,如上图,:,在基态时,:,Mn,2+,3d,5,有,5,个未被抵消的自旋磁矩,O,2-,2p,6,没有未被抵消自旋磁矩,而,Mn,2+,O,2-,Mn,2+,电子波函数在,180,度键角方向时可能有较大的迭加,(,如下图,),只是,O,2-,离子无磁性,不能自发磁化,.,超交换作用,然而,由于有迭交,O,2-,提供,2p,电子迁移到,Mn,2+,的,3d,轨道内的机会,使体系完全可能变成含有,Mn,2+,和,O,1-,的激发态,所以,在激发态时,:,O,2-,2p,5,就有,1,个被抵消自旋磁矩,这个未配对的电子当然有可能与近邻的,Mn,2+,离子的,3d,电子了生交换作用,.,最终,导致,O,2-,两则成,180,度键角耦合的两个,Mn,2+,的自旋必定为反平行排列,.,超交换作用,铁氧体中的超交换作用,对铁氧体来说,金属离子分布在,A,位与,B,位,它们最近邻的都是氧离子,因此可以有三种超交换作用,即,:A-A,A-B,B-B,三种,.,在这三种里面,又因为金属离子之间通过中间氧离子所组成的键角不同,再分成五种情况,:,如下图,根据上述原理,A,位和,B,位上的离子磁矩取向是反平行排列,因此,A,位上的离子磁矩只能是平行排列,B,位的亦然,.,由于,M,A,和,M,B,的数值不等而方向相反,结果就有未抵消的净磁矩而呈现亚铁磁性,.,复合铁氧体的磁性,复合铁氧体的磁性取决于各组份的磁性,各组分的比例及生产工艺,.,1.,复合铁氧体的饱和磁化强度,M,S,软磁材料要求饱和磁化强度尽量大,.,铁氧体的磁性是由两个次晶格的磁矩之差所决定的,.,因此,铁氧体的饱和磁化强度取决于两个次晶格的饱和磁化强度之差,.,因此要获得一定大小的饱和磁化强度,就需要改变两个次晶格饱和磁化强度的相对大小,.(,如加入非磁性金属离子,).,复合铁氧体的磁性,二元系含,Zn,复合铁氧体,分子式,:(Zn,2+,xFe,3+,1-x,)Me,2+,1-x,Fe,3+,1+x,O4,其分子磁矩是,:m=m,B,-m,A,=me(1-x)+5(1+x)u,B,-5(1-x)u,B,=10 x+me(1-x)u,B,式中,:me,是,Me,2+,的离子磁矩数,.,复合铁氧体的磁性,在,MeFe,2,O,4,反型铁氧体中,由于加入了,Zn,2+,离子,它占据,A,位的趋向最大,所以,原来在,A,位的,Fe,3+,有一部分被它赶到,B,位,而,Zn,2+,是非磁性离子,因而,A,位的磁矩减少了,B,位的磁矩增加了,结果,由于非磁性离子,Zn,2+,的加入而形成的复合铁氧体的磁矩反而比原来的单铁氧体增加了,.,按上式计算,其磁矩是随,x,增加而线性增加的,但实际上,x,不能太大,.,例如,:,在,Mn,1-X,Zn,X,Fe,2,O4,和,Ni,1-X,Zn,X,Fe,2,O4,中,x,只能分别大到,0.6,和,0.7,如果再增大,分子磁矩反而下降,.,复合铁氧体的磁性,因此,加入适量的非磁性离子,Zn,2+,(,占据,A,位最强的离子,),就可以得到饱和磁化强度较高的复合铁氧体材料,.,反之,要降低饱和磁化强度就必须降低,B,次晶格的饱和磁化强度,这可以加入占,B,位最强的非磁性离子来代替其中一部分,Fe,3+,的方法来实现,.,非磁性离子的加入除了可以控制饱和磁化强度外,还会造成居理温度的下降,.,这是因为,由于非磁性离子的加入降低了,A,位和,B,位上磁性离子的数目,使,A-B,之间的超交换作用场减弱必然导致居里温度的降低,.,复合铁氧体的磁性,饱和磁化强度,M,S,与,ui,值的关系,ui,M,S,2,K,1,+s,K,1,为磁晶的各向异性常数，,S,为磁致伸缩系数，,为内应力,要提高材料的磁导率，就要提高材料的饱和磁化强度，减小磁晶的各向异性常数,K,1,，减小磁致伸缩系数,等等。,谢 谢！,待续,