В 1878 году впервые были изучены магнитные свойства ферритов. В России исследованиями ферритов как магнитного материала занимался В. П. Вологдин [1]. Однако в то время ферриты не получили практического применения, потому что в постоянных и низкочастотных магнитных полях их свойства, такие как магнитная индукция насыщения, температура Кюри и механическая прочность, были ниже по сравнению с металлическими магнитными материалами, а высокочастотная техника, где их преимущества неоспоримы, была развита слабо [2].

Изучение ферромагнитных диэлектриков (ферритов) позволило решить две глобальные проблемы, без которых невозможно было развитие микроволновой техники, — разработка в микроволновом диапазоне систем с быстроуправляемыми параметрами и систем, имеющих существенно различные характеристики для разных направлений распространения микроволнового электромагнитного поля (невзаимных систем).

Данная статья направлена на изучение влияния оксидов самария (Sm ₂ O ₃ ) и кобальта (Co ₃ O ₄ ) на электромагнитные свойства феррита. Главной задачей являлось обеспечение низких потерь при работе фазовращателя на высоком уровне мощности (ВУМ).

Ключевым параметром, определяющим уровень потерь в приборе на высоком уровне мощности, является величина ширины линии резонанса спиновых волн (ΔН _k ).

Необходимо выяснить влияние легирования оксидами самария и кобальта на ширину линии резонанса спиновых волн и выход годных изделий из феррита. Для обеспечения надежности результатов проводилась оценка воспроизводимости полученных данных при многократном повторении технологических операций.

Одним из методов улучшения аттестационных показателей ферритовых материалов для СВЧ-фазовращателей высокого уровня мощности является легирование железо-иттриевого граната (ЖИГ) оксидами редкоземельных элементов. Среди них оксид самария (Sm ₂ O ₃ ) занимает особое место, поскольку его введение позволяет целенаправленно изменять комплекс магнитных параметров, определяющих фазовую активность и уровень потерь в рабочем диапазоне частот.

В рамках настоящей работы исследовалось влияние замещения иттрия самарием в поликристаллических ферритах со структурой граната, предназначенных для изготовления плат фазовращателя.

При замещении иттрия самарием наблюдается закономерное увеличение параметра кристаллической решётки, что связано с большим ионным радиусом Sm³⁺ по сравнению с Y³⁺. Это расширение решётки влияет на межионные расстояния и, как следствие, на обменные взаимодействия в подрешётках феррита [3]. Важно отметить, что кривая намагничивания в системе Y-Sm-Fe-O не демонстрирует точек магнитной компенсации, а температура Кюри сохраняется на уровне 570 ± 10 К независимо от концентрации оксида самария, что свидетельствует об относительной стабильности магнитной структуры при данном типе замещения [4].

С практической точки зрения, оптимальные составы для СВЧ-устройств высокого уровня мощности лежат в области относительно небольших добавок Sm ₂ O ₃ . Согласно литературным данным, ферритовый материал со структурой граната, предназначенный для фазовращателей, должен содержать: оксида иттрия в количестве 45,27–45,49 вес. %, оксида самария — 0,63–0,65 вес. %, а оксида железа — остальное [5].

Введение оксида самария в состав шихты при производстве ферритовых плат для фазовращателей позволяет целенаправленно управлять параметрами магнитной анизотропии и, как следствие, достигать требуемых значений ΔН _к и фазового сдвига.

Легирование оксидом самария (Sm ₂ O ₃ ) обеспечивает широкий диапазон рабочих плотностей: от 5,642 до 5,685 г/см³ (таблица 1). При этом в большинстве партий выход годных пластин составил от 70 %, а в одной партии достиг 100 %.

Ключевым преимуществом составов, легированных оксидом самария, является ширина линии резонанса спиновых волн ΔH _k , которая составила 16,8–18,2 Э. Таким образом, потери при высоком уровне мощности работы фазовращателя, включающего ферритовые пластины с добавкой оксида самария, минимальны.

Таблица 1

Параметры аттестации партий, легированных оксидом самария

Также было проведено легирование оксидом кобальта (Co ₃ O ₄ ). Особенность замещения кобальтом в системе Y ₃ Fe _5-х Co _х O ₁₂ заключается в том, что ионы кобальта могут проявлять переменную валентность, занимая как октаэдрические, так и тетраэдрические позиции в структуре граната. При разработке технологии изготовления ферритовых плат для фазовращателей высокого уровня мощности особое внимание уделяется форме введения легирующих добавок.

Принципиальное различие между использованием CoO и Co ₃ O ₄ заключается в окислительно-восстановительных процессах, протекающих при высокотемпературном обжиге. Co ₃ O ₄ является термодинамически стабильной фазой при комнатной температуре, однако при нагреве выше 900 ℃ он разлагается с выделением кислорода и переходом в CoO. Этот процесс сопровождается изменением парциального давления кислорода в газовой фазе внутри печного пространства, что создаёт локальную микроатмосферу, влияющую на кинетику спекания феррита. Управление этим эффектом позволяет целенаправленно воздействовать на вакансионную структуру материала и, как следствие, на магнитные потери.

Ключевым аспектом применения кобальта в фазовращателях является его влияние на магнитострикцию — эффект изменения размеров образца при намагничивании. В работах по магнитострикции кобальт-замещённых гранатов установлено, что ионы кобальта создают значительный вклад в магнитоупругую энергию, что может приводить к нежелательным эффектам при механических воздействиях на устройство [6]. Однако, как показано в исследованиях двойного режима фазовращателей, понимание и контроль магнитострикционных эффектов позволяет скомпенсировать невзаимный фазовый сдвиг, возникающий из-за обратного эффекта Видемана –циркулярного намагничивания под действием механических напряжений [6].

Таким образом, использование оксида кобальта в форме Co ₃ O ₄ при производстве ферритовых плат для фазовращателей открывает дополнительные возможности для контроля кинетики спекания и микроструктуры материала. Правильный выбор режимов обжига и охлаждения позволяет реализовать преимущества Co ₃ O ₄ как легирующей добавки, обеспечивая требуемые значения параметра ΔН _k , высокую фазовую активность и стабильность характеристик в широком диапазоне рабочих температур.

Введение добавки оксида кобальта (Co ₃ O ₄ ) привело к некоторой стабилизации плотности в диапазоне 5,637–5,685 г/см³ (таблица 2), однако ширина линии резонанса спиновых волн, характеризующая потери прибора при работе на высоких мощностях, имеет более низкие значения по сравнению с партиями, легированными оксидом самария от 16,9 до 17,9 Э. При этом в ряде случаев наблюдается полная выбраковка изделий (партии 8, 11, 13). Кроме того, образцы с добавкой кобальта демонстрировали узкий рабочий интервал плотностей, при котором достигался приемлемый уровень свойств, что затрудняло воспроизводимость результатов.

Таблица 2

Параметры аттестации партий, легированных оксидом кобальта

Анализ полученных данных показал, что партии с добавкой оксида самария (Sm ₂ O ₃ ) характеризуются широким диапазоном рабочих плотностей (5,642–5,685 г/см³), стабильным выходом годных изделий (70 –100 %) и одними из максимальных значений ΔH _k (16,8–18,2 Э), что обеспечивает минимальные потери при работе фазовращателя на высоком уровне мощности. Легирование оксидом кобальта (Co ₃ O ₄ ) позволяет достигнуть значений ширины линии резонанса спиновых волн 16,9–17,9 Э. Но состав с добавкой оксида кобальта не обладает стабильным выходом годных. Следовательно, для решения проблемы низкого выхода годных и минимизации потерь при работе фазовращателя на высоких мощностях целесообразно использовать легирование именно оксидом самария.

Литература:

1. Меньшова, С. Б. Ферриты — изделия стратегического значения / С. Б. Меньшова, Р. М. Вергазов, В. Г. Андреев // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». — Пенза, 2008. — С. 3.
2. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы: учебник для студентов вузов по специальности «Полупроводники и диэлектрики» / А. А. Преображенский, Е. Г. Бишард. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: Высшая школа, 1986. — 352 с.
3. Cunningham, J.R., Jr. Samarium Substitutions in Yttrium Iron Garnet / J. R. Cunningham, Jr., E. E. Anderson — DOI: 10.1063/1.1984598 // Journal of Applied Physics. — 1960. — Vol. 31, No. 5. — P. S45–S46.
4. Григорьева, Н. Б. Ферритовый материал: пат. 2776991 Рос. Федерация, МПК H01F 1/34 (2006.01), C04B 35/26 (2006.01) / Н. Б. Григорьева, Н. А. Ковалёва, Т. А. Лисейцева [и др.]; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Феррит-Домен». — № 2022104202; заявл. 18.02.2022; опубл. 01.09.2022, Бюл. № 25. — 6 с.: 1 табл.
5. Lahoubi, M. Symmetry analysis of the magnetic structures in TbIG and Tb:YIG at low temperature / M. Lahoubi — DOI: 10.1088/1742–6596/340/1/012068 // Journal of Physics: Conference Series. — 2012. — Vol. 340. — P. 012068.
6. Асао, Х. Фазовращатель с двойным режимом, нечувствительный к магнитострикции / Х. Асао, М. Мацунага, Ф. Такеда — DOI: 10.1002/ecja.4410691110 // Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications). — 1986. — Т. 69, № 11. — С. 94–100.