CC BY
11
Микро- и наноэлектроника !
УДК 621.396.96
Д. А. Винник
Южно-Уральский государственный университет
И. А. Устинова, А. Б. Устинов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Исследование замещенных алюминием монокристаллов гексаферрита бария-свинца (Ва1-хРЬхРе12-уЛ1у019), полученных методом спонтанной кристаллизации1
Впервые исследованы сверхвысокочастотные свойства монокристаллов гексаферрита бария-свинца, замещенного алюминием, состава Ва1хРЬхРе12_уЛ1у01д при х < 0.2 и у < 2.7, полученных методом спонтанной кристаллизации из раствора на основе оксида свинца. Показано, что частоты ферромагнитного резонанса (ФМР) в образцах в магнитных полях до 4.5 кЭ лежат в диапазоне 80...100 ГГц. Ширина кривой ФМР варьируется от 150 до 550 Э в зависимости от степени замещения алюминием.
Гексагональные ферриты, ферромагнитный резонанс
Интерес к получению гексагональных ферритов в мире значительно возрос в последнее десятилетие благодаря перспективе их применения для устройств электроники миллиметрового диапазона [1]. Бариевые ферриты являются перспективными наполнителями радиопоглощающих покрытий [1]. К их достоинствам следует отнести невысокую стоимость, высокую химическую стабильность, а также высокие значения поля магнитной кристаллографической анизотропии. Кроме того, частичным замещением магнитных ионов железа на немагнитные ионы, например алюминия, удается в значительной степени модифицировать структуры и изменять комплекс физических свойств данного материала [1]—[6].
Для оптимизации свойств матрицы гексагональных ферритов под требования электроники миллиметрового диапазона (повышения поля анизотропии и частоты ферромагнитного резонанса (ФМР)) частично замещают ионы железа диамагнитными ионами [7]-[8]. Так, в [9], [10] опубликованы результаты исследования замещенных алюминием монокристаллических пленок гексаферрита бария в миллиметровом и субтерагерцовом диапазонах.
Результаты выращивания объемных монокристаллов БаРе12_^А1 ^019 из раствора на основе ^20
и исследования их сверхвысокочастотных характеристик опубликованы в [11]. Целью работы, представленной в настоящей статье, являлось исследование замещенных алюминием монокристаллов гексаферрита бария-свинца ( Bai_ x Pb x Fe^_y Aly O19 ).
Рассмотрим методику получения монокристаллов гексаферрита бария-свинца [11]. Монокристаллы выращивались из раствора на основе оксида свинца. Для снижения испарения растворителя и повышения контролируемости процесса кристаллообразования в раствор добавляли борный ангидрид. Из раствора, содержащего массовые доли Al2O3 - 4.350 %, Fe2O3 - 17.466 %, BaCO3 -
5.396 %, B2O3 - 15.991 % и PbO - 56.797 %, были получены кристаллы Ba1_xPbxFe12_yAlyO^ при x < 0.2, y < 2.8 размером до 5 мм.
Химический состав монокристаллов определяли на растровом электронном микроскопе Jeol JSM7001F с энергодисперсионным анализатором Oxford INCA X-max 80. Для исследования структуры использовали дифрактометр Rigaku Ultima IV. Дифрактограммы получены в интервале углов 10...80° со скоростью 1 °/мин. Для иссле-
1 Работа поддержана: в СПбГЭТУ Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 16-32-50106 мол_нр); в ЮУрГУ Правительством РФ (постановление № 211 от 16.03.2013, соглашение № 02.А03.21.0011).
© Винник Д. А., Устинова И. А., Устинов А. Б., 2016
45
Таблица 1
Брутто-формула кристалла а, А с, А V, А3
ВаРе12О19 [12] 5.893 23.194 697.5
Ва0.8РЬ0.2Ре10А12О19 5.8176(5) 22.8992(13) 671.17(8)
дований отобранные наиболее ограненные монокристаллы перетирались в агатовой ступе. Порошок размещали в держателе из монокристаллического кремния. Установлено, что все образцы были монофазными гексаферритами со структурой магнетоплюмбита [1].
В табл. 1 приведены значения параметров кристаллической решетки изготовленных образцов состава Вао^РЬо^РеюА^О^ (а, с - параметры ячейки; V - ее объем; в скобках указан номер резонанса). Из таблицы следует, что параметры кристаллической решетки экспериментальных образцов заметно ниже, чем приведенные в [12] значения для чистой матрицы ВаРе^О^. Это можно объяснить меньшим размером ионов алюминия и свинца по сравнению с ионами железа и бария [13].
После подтверждения монофазности полученных материалов были отобраны восемь единичных наиболее ограненных монокристаллов. Из них откалыванием изготовлены пластины толщиной от 100 до 200 мкм. Площадь больших
плоскостей составляла около 2 мм2. Ось легкого намагничивания была ориентирована перпендикулярно плоскости образца.
Экспериментальное исследование сверхвысокочастотных и магнитных свойств серии гекса-ферритов состава Ва1_хРЬхРе12_уА1уО19 проведено путем измерения резонансных кривых при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля смещения Нех1 в диапазоне 0...4.5 кЭ. Измерялись спектры отражения
5П (/) = 201ов [Ргег (/)/Рп (/)],
где / - частота возбуждения; Рге£, Рт - отраженная и падающая мощности соответственно. По результатам измерений построены частотно-полевые зависимости и определены магнитные свойства материалов.
Резонансные кривые исследовались в частотном диапазоне 75... 110 ГГц. Измерения проведены с помощью векторного анализатора цепей Rohde&Schwarz 2УА 40 с преобразователем частоты Rohde&Schwarz 2УА-2110. Для измерений использовался волновод WR-10. Каждый магнитный образец был приклеен на латунную пластину
75
-3-
78
81
84
87
Г
-6
дБ
/ГГц
3989 Э
Рис. 1
толщиной 3 мм с ровными поверхностями. Пластина с образцом прикреплялась к фланцу с открытого конца волновода образцом вовнутрь. Латунная пластина замыкала накоротко фланец с образцом, являвшийся измерительной ячейкой. Резонаторы намагничивались однородным магнитным полем, направленным перпендикулярно к их плоскости, т. е. параллельно легкой оси гексаферрита.
Рассмотрим полученные результаты. Типичные кривые поглощения гексаферритового резонатора состава Ва0.8РЬ0.2РеюА12О19, измеренные при воздействии внешнего магнитного поля со значениями напряженности, превышающими напряженность насыщения (рис. 1), демонстрируют два ярко выраженных резонансных пика, соответствующих низшим ферромагнитным модам. Повышение частоты этих пиков с ростом напряженности по линейному закону с угловым коэффициентом около 2.8 МГ^Э свидетельствует об их ферромагнитной природе. Аналогичные частотные отклики наблюдались для других магнитных образцов. Диэлектрические моды резонаторов не наблюдались, так как при толщине образцов менее 200 мкм частота диэлектрической моды превышает 150 ГГц.
На рис. 2 показана зависимость частоты ФМР /0 от напряженности внешнего магнитного поля Яех1. Маркерами представлены экспериментальные данные, линиями - результат их линейной аппроксимации. Цифрами указан номер резонанса.
/, ГГц
88
8480 76
1000 2000 3000 Рис. 2
4000
Н, Э
0
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2016. Вып. 6
Таблица 2
Брутто-формула кристалла fo, ГГц Hext. s, кЭ 2 АН, Э Yexp, МГц/Э f0s, ГГц На, кЭ
Pbo.8Bao.2Fe1oAl2O19(1) 97.5 _ 101.48 1.738 552 1.419 97.5 68.71
Pbo.8Bao.2Fe1oAl2O19 (2) 94.28...98.5 1.738 390 1.499 94.28 62.9
Pbo.8Bao.2Fe1oAl2O19 (1) 95.8...100.4 1.653 244 1.623 95.8 59.03
Pbo.8Bao.2Fe1oAl2O19 (2) 97.6_101.4 1.653 215 1.36 97.6 71.76
Pb0.8Ba0.2Fe9.9Al2.1O19 (1) 83.54_90.18 1.432 451 2.263 83.54 36.92
Pb0.8Ba0.2Fe9.9Al2.1O19 (1) 80.0_88.436 1.545 174 2.84 80.226 28.2
Pb0.8Ba0.2Fe9.9Al2.1O19(2) 78.976_86.536 1.545 156 2.618 78.976 30.167
Pb0.8Ba0.2Fe10.1Al1.9O19(1) 90.18_97.52 1.265 283 2.49 90.18 36.22
Зависимость fo (Hext ) линейна для полей
сме-
щения с напряженностью, превышающей порог насыщения, что соответствует теории ФМР. Для полей смещения с меньшей напряженностью имеет место гистерезис резонансной частоты: частоты ФМР, измеренные при возрастании Hext и при ее убывании, различны, что аналогично исследованию [14]. Зависимости на рис. 2 получены при возрастающем поле.
Результаты аналогичных измерений для гекса-ферритовых образцов других составов представлены в табл. 2. В скобках указан номер резонанса. Представленные данные показывают, что при нулевой напряженности поля частота ФМР f находится в диапазоне 79.. .97.5 ГГц и зависит в основном от уровня замещения алюминия y в Bao 2^ei2-yAlyOi9. Благодаря магнитным диполям в гексаферритовой пленке внутреннее магнитное поле, выравненное полем анизотропии, не увеличивается, пока его напряженность не превысит порог насыщения
Hext. s = 4^MS, (1)
где 4%MS - намагниченность насыщения.
Поэтому с ростом намагничивания пленочных резонаторов от нулевого значения частота ФМР приблизительно постоянна при Hext ниже этого порога.
Из частотно-полевых зависимостей (см. рис. 2) определены гиромагнитное соотношение yexp,
намагниченность насыщения Hext s, напряженность поля одноосной магнитной кристаллографической анизотропии На и полная ширина кри-
вой ФМР 2ДН. Ширина кривой ФМР определялась как ширина кривой резонансного поглощения на половинном уровне поглощения.
В соответствии с теорией для гексагональных ферритов [15] частота ФМР определяется как
/с = у(#е* + На -4%М8), (2)
где у = 2.8 МГц /Э - гиромагнитное соотношение. Экспериментальные значения гиромагнитного отношения насыщения уеХр определялись как
наклон кривой /с (Нех1).
Напряженность поля анизотропии определена по значению частоты /с8, при которой происходит переход в насыщение. Как следует из (2) с учетом (1): На = /0и/уехр .
Полная ширина кривой ФМР 2АН определена из ширины резонансной кривой, измеренной на половине уровня мощности поглощения с учетом коэффициента связи резонатора с волноводом.
Таким образом, частоты ФМР в образцах лежат в диапазоне 80... 100 ГГц. Напряженность поля магнитной кристаллографической анизотропии меняется в пределах 28.72 кЭ. Образцы с высоким полем анизотропии имеют малое значение гиромагнитного отношения. По результатам исследований следует сделать вывод, что у образцов, демонстрировавших гиромагнитное отношение, близкое к стандартному значению 2.8 МГц/Э, наблюдавшиеся резонансы имеют ферромагнитную природу. Природа резонансов образцов с низким значением гиромагнитного отношения 1.3___1.7 МГц/Э требует дальнейших исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Harris V. G. Modern Microwave Ferrites // IEEE Trans. on Magn. 2012. Vol. M-48, iss. 3. P. 1075-1104.
2. Computational and Experimental Study on the Cation Distribution of La-Cu Substituted Barium Hexafer-
rites / C. Wu, Z. Yu, Y. Yang, K. Sun, J. Nie, Y. Liu, X. Jiang, Z. Lan // J. Alloys Compd. 2016. Vol. 664. P. 406-410.
3. Synthesis, Characterization and Magneto-optical properties of BaBixLaxYxFei2-3xOi9 (0.0 < x < 0.33) Hex-
aferrites / S. GGner, I. A. Auwal, A. Baykal, H. Sozeri // J. Magn. Magn. Mat. 2016. Vol. 416. P. 261-268.
4. Investigation of the Microwave Absorptive Behavior of Doped Barium Ferrites / A. Ghasemi, A. Hossienpour, A. Morisako, X. Liu, A. Ashrafizadeh // Mater. Des. 2008. Vol. 29. P. 112-117.
5. Afghahi S. S. S., Jafarian M., Atassi Y. Microstructural and Magnetic Studies on BaMgxZnxX2xFei2-4xOi9 (x = Zr, Ce, Sn) Prepared via Mechanical Activation Method to Act as a Microwave Absorber in X-band // J. Magn. Magm. Mat. 2016. Vol. 406. P. 184-191.
6. Effect of Mg2+ and Ti4+ Dopants on the Structural, Magnetic and High Frequency Ferromagnetic Properties of Barium Hexaferrite / M. H. Shams, A. S. H. Rozatian, M. H. Yousefi, J. Valicek, V. Sepelak // J. Magn. Magn. Mater. 2016. Vol. 399. P. 10-18.
7. Исследование кристаллической и магнитной структуры бариевых ферритов, допированных диамагнитными ионами / А. В. Труханов, В. А. Турченко, И. А. Бобриков, С. В. Труханов, А. М. Балагуров // Кристаллография. 2015. Т. 60. С. 693-700.
8. Evolution of Structure and Physical Properties in Al-Substituted Ba-Hexaferrites / A. Trukhanov, L. Panina, S. Trukhanov, V. Turchenko, M. Salem // Chin. Phys. B. 2016. Vol. 25. P. 016102.
9. Al Substituted Ba-Hexaferrite Single-Crystal Films for Millimeter-Wave Devices / A. B. Ustinov, A. S. Tata-renko, G. Srinivasan, A. M. Balbashov // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 105. P. 105-108.
10. Ustinov A. B., Srinivasan G. Subterahertz Excitations and Magnetoelectric Effects in Hexaferrite-Piezoelectric Bilayers // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. P. 93-95.
11. Structural and Millimeter-Wave Characterization of flux Grown Al Substituted Barium Hexaferrite Single Crystals / D. A. Vinnik, A. B. Ustinov, D. A. Zherebtsov, V. V. Vitko, S. A. Gudkova, I. Zakharchuk, E. Lahderanta, R. Niewa // Ceram. Int. 2015. Vol. 41. P. 12728-12733.
12. Townes W. D., Fang J. H., Perrotta A. J. The Crystal Structure and Refinement of Ferromagnetic Barium Ferrite, BaFe12O19 // Z. Kristallogr. 1967. Vol. 125. P. 437-449.
13. Shannon R. D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chal-cogenides // Acta Crystallogr. 1976. Vol. A32. P. 751-767.
14. Wang S. G., Yoon S. D., Vittoria C. Microwave and Magnetic Properties of Double-Sided Hexaferrite Films on (111) Magnesium Oxide Substrates // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 92. P. 6728-6732.
15. Kittel C. On the Theory of Ferromagnetic Resonance Absorption // Phys. Rev. 1948. Vol. 73, iss. 2. P. 155-161.
D. A. Vinnik South Ural State University
I. A. Ustinova, A. B. Ustinov Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"
Investigation of Aluminum Substituted Single-Crystal Barium Lead Hexaferrites Ba1-xPbxFe12-yAl/O19 Grown by Flux Technique
Microwave properties of aluminum substituted single-crystal barium lead hexaferrites Ba—Pb^Fe12_AlO19 (x < 0.2 and y < 2.7) grown by flux technique have been investigated for the first time. It is shown that ferromagnetic resonance frequencies are in the range 80... 100 GHz at magnetic fields of 4.5 kOe. The width of ferromagnetic resonance curve varies from 150 Oe to 550 Oe and depends on the degree of aluminum substitution.
Hexagonal ferrites, ferromagnetic resonance
Статья поступила в редакцию 7 октября 2016 г.
