Феррит, относящийся к группе гранатов, имеющих малые потери и высокую термостабильность намагниченности насыщения для применения в невзаимных приборах среднего уровня мощности, используется для производства элементов фазовращателей, которые работают в режимах, далеких от ферромагнитного резонанса, не поглощая энергию СВЧ-поля, а изменяя фазовую скорость волны.
В современном мире фазовращатели незаменимы в следующих отраслях промышленности:
- спутниковая связь;
- радары и военные технологии;
- измерительное оборудование;
- энергетика (электросети);
- оптические сети и другие сферы.
Применение в этих отраслях требует малых потерь при работе приборов на высоких мощностях. Этому условию не соответствовал исходный состав феррограната, что приводило к низкому выходу годных пластин. Возникла необходимость модифицировать материал путем введения легирующих добавок, способных изменить его характеристики.
Совместное введение оксидов самария (Sm₂O₃) и кобальта (Co₃O₄) в состав феррита, имеющего структуру граната, позволяет целенаправленно изменять их магнитные параметры. Легирование осуществлялось на этапе приготовления шихты путем смешения порошкообразных оксидов с последующей реализацией стандартного технологического процесса, включающего помол, ферритизацию, прессование и обжиг.
Как показано в литературе, ионы Sm³⁺, обладающие ионным радиусом 0,96 Å, замещают ионы иттрия (Y³⁺, 0,89 Å) в додекаэдрических позициях кристаллической решетки граната, что приводит к увеличению параметра решетки и влияет на обменные взаимодействия в подрешетках феррита [1]. Ионы Co²⁺/Co³⁺ при этом занимают преимущественно октаэдрические позиции, создавая дополнительный вклад в магнитоупругую энергию и изменяя релаксационные характеристики материала [2].
Совместное легирование редкоземельными элементами и кобальтом может приводить к существенному изменению структурных и магнитных характеристик. В частности, в системах Co 1+х SmₓFe₂₋₂ₓO₄ наблюдается увеличение размера кристаллитов и изменение коэрцитивной силы [3].
Согласно результатам, полученным в рамках работы (таблица 1), совместное введение Co 3 O 4 и Sm 2 O 3 в железо-иттриевый гранат дает промежуточные результаты между легированием только самарием или только кобальтом, сужая температурный диапазон получения годных изделий. Данное явление связано с конкуренцией эффектов от двух типов легирующих добавок: с одной стороны, ионы самария увеличивают ширину линии спиновых волн, подавляя нелинейные процессы [3], с другой — ионы кобальта создают дополнительные каналы магнитной релаксации и влияют на магнитострикцию [3].
Таблица 1
Параметры аттестации партий, легированных оксидами самария и кобальта
|
Номер партии |
Плотность, г/см 3 |
4 πМ s , Гс |
∆H к , Э |
Выход годных, % |
|
1 |
5,679–5,685 |
885 |
17,4 |
0 |
|
2 |
5,637–5,651 |
876 |
17,8 |
40 |
|
3 |
5,670–5,672 |
869 |
16,9 |
88 |
|
4 |
5,677–5,684 |
899 |
17,1 |
0 |
|
5 |
5,671–5,679 |
905 |
17,9 |
71 |
|
6 |
5,647–5,656 |
890 |
17,7 |
0 |
|
7 |
5,666–5,667 |
860 |
17,6 |
100 |
Ширина линии резонанса ΔH k составляла 16,9–18,9 Э, что позволяет избежать больших потерь при работе фазовращателя на высоком уровне мощности. Удовлетворительный выход годных (выше 60 %) фиксировался только в узких интервалах разброса плотности партии до 0,008 г/см³. А 100 % выхода годных изделий удалось достичь при диапазоне плотности в партии всего 0,001 г/см 3 , что может привести к затруднению воспроизводимости результатов и необходимостью переобжигов.
Дополнительно было рассмотрено влияния ведения оксида тербия (Tb 4 O 7 ) в состав шихты приводит к формированию твердого раствора замещения Tb х Y 3-х Fe 5 O 12 , в котором ионы тербия занимают додекаэдрические позиции кристаллической решетки граната. Ключевая особенность тербийсодержащих ферритов гранатов заключается в сильном влиянии тербия на анизотропию и магнитострикционные свойства материала.
Принципиальное значение для применения в фазовращателях высокого уровня мощности имеет влияние тербия на параметр ΔН k — ширину линии спиновых волн, определяющую нелинейные потери при больших СВЧ-мощностях.
Ионы тербия, обладающие незамороженным орбитальным моментом, создают дополнительные каналы релаксации для спиновых волн, что способствует повышению порога возникновения нелинейных процессов. В технических требованиях к ферритовым материалам для фазовращателей X-диапазона ширина линии спиновых волн ΔН k должна составлять не менее 0,8 кА/м (что соответствует примерно 10 Э), и введение оптимальных концентраций тербия позволяет достичь этого значения [4].
Анализ параметров аттестации партий, легированных оксидом тербия, представленных в таблице 2, показал, что введение оксида тербия позволило стабильно получать высокий выход годных изделий от 60 до 100 %. Плотность образцов с тербием находится в диапазоне 5,623–5,680 г/см³. Ширина линии резонанса спиновых волн ΔH k у легированных оксидом тербия образцов составила 16,9–18,1 Э, что соответствует значениям полученного феррита, легированного оксидом самария. Таким образом, по уровню потерь влияние тербия не уступает влиянию самария.
Таблица 2
Параметры аттестации партий, легированных оксидом тербия
|
Номер партии |
Плотность, г/см 3 |
4 πМ s , Гс |
∆H к , Э |
Выход годных, % |
|
8 |
5,623–5,633 |
843 |
16,9 |
90 |
|
9 |
5,635–5,648 |
852 |
17,1 |
60 |
|
10 |
5,648–5,651 |
865 |
18,1 |
90 |
|
11 |
5,650–5,658 |
862 |
18,0 |
90 |
|
12 |
5,679–5,680 |
865 |
17,9 |
100 |
Стоит отметить, что образцы, легированные оксидом тербия, нуждаются в более высоких температурах обжига, нежели феррит, легированный оксидами самария и кобальта, так как оксид тербия является более тугоплавкой добавкой.
Проведенное исследование показало, что как совместное легирование железо-иттриевого граната оксидами самария и кобальта, так и модифицирование оксидом тербия позволяют достичь достаточных значений ширины линии спиновых волн, необходимых для работы СВЧ-фазовращателей на высоком уровне мощности без больших потерь.
Введение оксида тербия обеспечивает стабильно высокий выход годных изделий (от 60 до 100 %) в широком интервале плотностей партий, тогда как при совместном легировании Sm₂O₃ и Co₃O₄ удовлетворительный выход достигается лишь в узких интервалах плотности, а 100 % выход годных изделий получен только при диапазоне плотности в партии 0,001 г/см³, что существенно усложняет воспроизводимость технологии и требует дополнительных переобжигов.
Кроме того, тербий, обладая незамороженным орбитальным моментом, эффективно подавляет нелинейные потери за счет создания дополнительных релаксационных каналов, не уступая по этому показателю самарию. При этом его использование исключает конкурирующее влияние разнородных добавок, характерное для системы Sm₂O₃ и Co₃O₄, и позволяет упростить контроль технологического процесса.
Несмотря на необходимость более высоких температур обжига, обусловленных большей тугоплавкостью оксида тербия, данный недостаток компенсируется высокой повторяемостью результатов и снижением доли брака. Таким образом, оксид тербия является более перспективной легирующей добавкой для производства ферритовых материалов на основе железо-иттриевого граната, предназначенных для мощных СВЧ-фазовращателей.
Литература:
- 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.
- 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.
- 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.
- Hansen, P. Anisotropy and magnetostriction of cobalt-substituted yttrium iron garnet / P. Hansen, W. Tolksdorf, R. Krishnan // Physical Review B. — 1977. — Vol. 16, No. 9. — P. 3973–3980.
