Гексаферрит стронция - соединение с колоссальной диэлектрической проницаемостью

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Ростовский государственный строительный университет

Гексаферрит стронция ? соединение с колоссальной диэлектрической проницаемостью

Ю.В. Кабиров

Аннотация

В феррите стронция с гексагональной структурой отмечается наличие колоссальной диэлектрической проницаемости в области низких частот. Этот результат находит объяснение в рамках модели «зерно-прослойка» и поляризации Максвелла - Вагнера в керамической среде. Обнаружен эффект отрицательной емкости в керамике гексаферрита стронция при частоте меньше 10?2 Гц.

Ключевые слова: гексаферрит стронция, ферромагнетик, диэлектрик, полупроводник, колоссальная диэлектрическая проницаемость, отрицательная емкость, высокотемпературный отжиг, рентгеностуктурный анализ, полнопрофильный анализ, электронная микроскопия.

диэлектрический проницаемость стронций гексаферрит

Введение

Ферриты, совмещающие в себе свойства ферромагнетика, диэлектрика и полупроводника, находят широкое применение в качестве магнитных материалов [1, 2]. Существование высокой диэлектрической проницаемости (более 104), имеющее прикладное значение [3, 4], в области низких частот отмечалось для многочисленной группы ферритов со структурным типом шпинели [5 - 7]. Объяснение явления основано на модифицированной модели [8 - 10] «зерно-прослойка», впервые использованной Купсом [6, 7]. Весьма вероятен вклад в гигантские значения е переориентации дипольных комплексов разновалентных ионов железа [11]. Ранее подробное изучение структуры и свойств ферритов шпинельного и гексагонального типов проводилось с целью исследований и изменений их магнитных свойств. Это связано с наиболее освоенными областями применения ферритов - электроникой СВЧ, в устройствах памяти, при изготовлении постоянных магнитов. При этом на высоких частотах требуется минимизировать значения диэлектрической проницаемости для уменьшения паразитных потерь в материале. Если диэлектрические свойства многих шпинельных ферритов были изучены [2], то о детальных исследованиях электрофизических свойств гексаферритов в области низких частот, помимо

краткого сообщения [5] неизвестно.

Целью настоящей работы было изучение электрофизических характеристик гексаферрита стронция.

Методика эксперимента

Гексагональный феррит стронция (SrFe12O19) приготовлен двумя путями: по обычной керамической технологии - высокотемпературным отжигом стехиометрической смеси оксида железа и карбоната стронция, а также методом соосаждения. Второй путь синтеза соответствует реакции:

Sr (NO3)2+12Fe (NO3)3• 9H2O+38NH3•H2O>SrFe12O19+38NH4NO3+127H2O

Раствор выпаривается при температуре 120°С. Коричневый осадок после отжига при температуре 900°С является однофазным гексаферритом стронция, что подтверждается рентгендифракционными исследованиями.

Рентгеноструктурный анализ прекурсоров и образцов проведен с помощью дифрактометра ДРОН-3М методом Брегга-Брентано (и - 2и) с шагом сканирования 0,02°. Время экспозиции на каждом шаге 2 с. Использовано излучение CuKб анода с длиной волны 1,5406 Е. Точность измерения параметров составила 0,003 Е. Обработка данных выполнена с использованием полнопрофильной программы Pwc2.4. Рентгенограмма порошкового феррита стронция показана на рис. 1.

Рис. 1. - Фрагмент рентгенограммы гексаферрита стронция.

Приведена модель и разностный профиль

Использована структурная модель с пространственной группой № 194, P63/mmc. R-фактор в этом и иных случаях не превышал 3 %. Параметры ячейки: a = b = 5,8863 Е; c = 23,0816 Е; V = 692,58 Е3, с/а = 3,921.

Прессованные порошки в виде дисков обжигались при 1100°С. Готовые образцы представляли собой таблетки диаметром 8 - 9 мм, толщиной 1,5 - 2 мм. Поверхность образцов подвергалась шлифовке. Микроструктура поверхности образцов изучалась с помощью растрового электронного микроскопа Zeiss Supra 25. На рис. 2 приведена микрофотография образца гексаферрита стронция.

Рис. 2. ? Микрофотография поверхности керамического образца гексаферрита стронция

Согласно электронно-микроскопическим исследованиям, размеры кристаллитов лежат в пределах от 0,2 мкм до 2 мкм. При этом оценка среднего размера кристаллита составила 1 мкм. Плотность образцов составила 90 % от рентгеновской.

Для диэлектрических измерений на образцы были нанесены электроды вжиганием серебряной пасты при температуре 550 °С.

Результаты и обсуждения

Диэлектрические измерения проводились с помощью измерителя RLC WK4300 и комплекса Novocontrol ALPHA. Диэлектрический спектр образца № 46, приготовленного по традиционной керамической технологии, показан на рис. 3.

Рис. 3. - Диэлектрический спектр образца № 46

Отметим, что в области низких частот еґ достигает значений порядка 104. В диапазоне частот от 10 до 107 Гц величина еґ плавно спадает до 20, что отвечает размытому спектру релаксационной дисперсии с большим набором времен релаксации.

На рис. 4 показан диэлектрический спектр образца № 98, приготовленного методом соосаждения. В интервале частот от 10?1 до 103 Гц в диэлектрическом спектре отмечается плато, со значением еґ порядка 104. При более высоких частотах также проявляется размытый релаксационный спектр, спад еґ продолжается вплоть до частоты 107 Гц, при которой еґ имеет значение порядка 700, что заметно больше, чем в образце № 46.

Рис. 4. ? Диэлектрический спектр образца № 98.

Значения еґна логарифмической шкале, соответствующие отрицательным значениям емкости образца, отмечены темными квадратами.

В области низких частот (менее 2?10?2 Гц) обнаружено состояние с отрицательной емкостью (ОЕ), которое можно интерпретировать как переход от емкостного характера импеданса к индуктивному, связанному с задержкой движения носителей, аналогичное [12, 13].

Отметим, что в диэлектрическом спектре образца № 98 расширен частотный диапазон существования высоких значений диэлектрической проницаемости. Характер частотной зависимости диэлектрической проницаемости можно объяснить с помощью модели Купса [5, 8], основанной на объемно-зарядовой поляризации Максвелла-Вагнера, а также влиянием перезарядки дипольных комплексов ионов железа с различной степенью окисления. Сочетание магнитных свойств и высоких значений диэлектрической проницаемости в феррите стронция дает возможность реализации устройств памяти, использующих эти два механизма одновременно. Также, использование изменения характера импеданса позволяет использовать керамические материалы SrFe12O19 в качестве гиратора (фазовращателя) в области низких частот.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 14-03-00103.

Литература

Ситидзе Ф., Сато Х. Ферриты. Москва: Мир, 1964. 407 c.

Крупичка С. Физика ферритов. Москва: Мир, 1976. Т. 1. 352 c.

Фиговский О. Новейшие нанотехнологии // Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/725/.

Иващенко С.Н. Энергетическая структура и применение сверхрешеток // Инженерный вестник Дона, 2010, №2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y 2010/189/.

Panchal N.R., Jotania R.B. Heat treatment effects on dielectric properties of SRFe12O19 hexaferrite prepared by an SHS route // IEEE international vacuum electronics conference (IVEC). Bangalore: IEEE International, 2011. Р. 499-500.

Brockman F.G., Dowling P.H., Steneck W.G. Dimensional effects resulting from a high dielectric constant found in a ferromagnetic ferrite // Phys. Rev. 1950. V. 77. №1. Р. 85-93.

Koops C.G. On the dispersion of resistivity and dielectric constant of some semiconductorsat audiofrequancies. // Phys. Rev. 1951. V. 83. №1. Р. 121-124.

Йоффе В.А., Хвостенко Г.И., Зонн З.Н. Электрические

свойства некоторых монокристаллов и поликристаллических ферритов // ЖТФ. 1957. V. 27. №9. C. 1985-1993.

Lunkemheimer P. Krohns S., Riegg S., Ebbinghaus S.G., Reller A., and Loidl A. Colossal dielectric constants in transition-metal oxides // Eur. Phys. J. Special Topics. 2010. V. 180. P. 61-89.

Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. Москва: Высшая школа», 1977. 448 c.

Малышев А.В., Пешев В.В., Притулов А.М. Температурные зависимости диэлектрических свойств литий-титановой ферритовой керамики // ФТТ. 2004. Т. 46. В. 1. С. 185-188.

Jonscher A.K. Dielectric Relaxation in Solids // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. V. 32. Р. 57-70.

Гавриляченко В.Г., Кабиров Ю.В., Панченко Е.М., Ситало Е.И., Гавриляченко Т.В., Милов Е.В., Лянгузов Н.В. Особенности диэлектрического спектра CaCu3Ti4O12 в низкочастотном диапазоне // ФТТ. 2013. Т. 55. B. 8. C. 1540-1543.

Размещено на Allbest.ru