1、磁性功能材料及應用,電子薄膜與集成器件國家重點實驗室 微電子與固體電子學院,梁迪飛（211樓401）,磁性功能材料及應用,Part 1 緒論 Part 2 磁電子學材料及應用 Part 3 軟磁材料及應用 Part 4 永磁材料及應用 Part 5 旋磁鐵氧體材料及其應用 Part 6 電磁波吸收材料的發(fā)展及其在EMC中的應用,第五章 旋磁鐵氧體材料,旋磁鐵氧體（又稱微波鐵氧體）是指適用于微波頻段的旋磁媒質(zhì)。旋磁鐵氧體在微波技術(shù)有著廣泛的應用，利用其旋磁特性及非線性效應等可制成多種鐵氧體器件（如隔離器、相移器、環(huán)行器、調(diào)制器等線性器件；振蕩器、倍頻器、限幅器、放大器

2、等非線性器件）,靜態(tài):H0, h() =0, B= H, 為實數(shù); 動態(tài)交變場(高頻軟磁):H=0, h( )0,B= H, 為 復數(shù); 交變場 + 恒磁場(旋磁:20056000MHz): H 0, h()0, 為張量;,概述:什么是旋磁材料?,磁動力學方程,磁化強度在進動時遇到的阻尼作用是一個極為復雜的物理過程，微觀機理不是十分清楚，宏觀表達式目前主要有以下三種形式：,（1）蘭道-利弗雪茲型,（2）布洛赫-布洛因伯根型,（3）吉爾伯特型,5-1 旋磁鐵氧體材料的基本要求,一、 飽和磁化強度Ms 4Ms(幾百幾千高斯) 越大，旋磁作用越強。有利于縮小器件的體積。 張量磁化率: x=m(i+

3、ir) /(i+j r)2- 2 xk= m /(i- j r)- 2 i = Hi; = (弛豫); m = 4Ms; 阻力矩促使進動迅速衰減,要達到進動,加大功率h由上式可知:x, xk都與4Ms有關(guān),當 4Ms m x, xk 旋磁作用,高的旋磁特性，低的損耗，寬的頻率范圍，高的功率負荷以及良好的溫度穩(wěn)定性,2 4Ms高，將易于使鐵氧體要微波訊號作用下出現(xiàn)低場損耗(自然共振) 對于多晶材料,由于晶界及疇壁的退磁場作用,然共振角頻率 自: H K 自 (HK+ 4Ms) 隨4Ms自 ，工作=H接近自而產(chǎn)生低場損耗, 對于低場器件，應用低4Ms,使自 工作; 3 此外, 4Ms大小還將影響恒

4、磁場、應用功率(hc)、樣品形狀等。 因此選擇4Ms應全面考慮,二、鐵磁共振線寬H,定義: 當 一定,調(diào)節(jié)外加磁場,產(chǎn)生鐵磁共振，則代表損耗的磁導率虛部 達到最大max ，這種現(xiàn)象稱為鐵磁共振。當=(1/2) max 所對應兩個磁場分別為Ha和Hb，則定義 H = Ha - Hb 為鐵磁共振吸收線寬。 1H愈窄,諧振點吸收愈大,如諧振式隔離器的優(yōu)值 R = (4/ rH)2 ；遠離諧振點，吸收往往愈小(與電損耗有關(guān)) 即尾巴小，因此希望H小好; 2 但如應用f0,Hi大,如3公分(f = c/ =1010Hz)低場器件, H較寬,也無多大影響，因隨f,諧振Hi ,諧振峰遠離低場區(qū); 3. 一般

5、H小，可降低磁損耗，但也與器件的其它性能有關(guān)； 4.對于遠 離共振區(qū)的器件，可用Heff,三、電阻率和介電損耗tg,在總損耗中除磁損耗外還包括材料的介電損耗(傳導損耗和極化損耗),均與Fe2+有關(guān); 一般： Fe2+ tg 介電損耗： tg 1/ ; 實際上可用直流電阻率或20MHz時測tg 來衡量旋磁鐵氧體的介電損耗，也采用在微波頻率 f 直接測 tg ; 四、居里溫度 Tc 居里溫度影響微波鐵氧體的溫度穩(wěn)定性,在高功率或高溫環(huán)境中應用時，必須考慮材料的居里溫度。大多數(shù)單元石榴石的居里溫度都在550560K左右。,五、 自旋波線寬（自旋波損耗的參量）,定義：波數(shù)k的自旋波(波取向的波數(shù)),由

6、于阻尼作用其振幅將衰減,當振幅衰減至1/e(起始振幅)所需時間-自旋波弛豫時間 K, HK = 2 / K 用HKL 表 k=0(均勻一致進動)的自旋波線寬,即材料的本征線寬(不由自旋波雜質(zhì)引起),即由S-L-l耦合作用引起的損耗; 可作為材料 承受功率高低的標準之一 六、基本磁化曲線及磁滯回線 對于在低場區(qū)應用的旋磁材料，可能由于磁化尚未飽和，材料的磁化強度將信賴于外加恒磁場，其變化關(guān)系即為靜態(tài)基本磁化曲線。在此情況下，基本磁化曲線是旋磁材料的一個指標。,5-2 旋磁鐵氧體材料的損耗,旋磁損耗分類： 磁損耗（共振損耗，低場損耗），電損耗（介電損耗） 損耗機理:,一、自旋波頻譜,定義: 由于熱

7、騷動或其他因素影響,磁有序體中某些對磁性有貢獻子自旋，偏離原來的有序排列方向,這個局部偏離的自進動,由于交換作用及磁偶極矩作用,將向磁有序體的其他部分傳播,這種自旋進動的傳播就是自旋波; 自旋波分類: 行波:振幅相同,相位不同; 駐波:振幅不同,相位相同; 平面自旋波mk = mkoej(kt-kr) 一般:將波矢k較大(k小)-自旋波; 波矢k較小(k大)-靜磁模;,在等效場:Heff=He-NzMo+Hex+Hdip作用下： 旋轉(zhuǎn)橢球樣品的本征自旋波頻譜: k2=(i+ ex2k2)(i+ ex2k2+ mSin2k) kHe、形狀、Ms、傳播方向k和波長。 可見： 1.自旋波頻譜可粗略分

8、為三個區(qū): 1交換區(qū); |k| k2 (10/l, l為樣品線度）; 2靜磁區(qū); |k| k1 (10/l); 3 k1 k k2 偶極區(qū), 2.外加場增加自旋波頻譜曲線升高; 3.對自旋波頻譜曲線,最下面一條k =0當k0, k = 0 -Nzm， 與 薄片加垂直于表面的恒磁場時的鐵磁共振頻率相同,上面 一條 k =/2 ,當 k0，對應k = (0 - Nz m)(0 - Nz m+ m)1/2 比球形 r球 = rHe= 0 更高,比棒狀r棒 = 0 + 1/2 m要低; 4.自旋波是色散波,即同一頻率對應一系列不同方向和不同k值的 自旋波 5 自旋波的群速Vg=dk/dK是波數(shù)K和的函

9、數(shù)，以此原理可 制成自 旋波延遲線，并可磁控其延遲特性。,二、 鐵磁共振能量的馳豫過程,1.S-L-l(自旋-軌道-晶格)的耦合作用,自旋磁矩進動時,由 S-L耦合使晶格振動,將一致進動的能量送給晶格,轉(zhuǎn)化為 熱能,弛豫過程損耗能量快慢可用3表示,其決定于S-L-l 的耦合強弱,即L是否存在及其大小如何；H對應于內(nèi) 稟線寬Hkl -由本征特性S-L耦合引起稱為kl弛豫。 2. S-S耦合作用(自旋-自旋耦合非一致進動)將均勻進動 (k=0)磁子的能量送給k0的自旋波,由自旋波譜知自旋 波是簡并波, 自旋波從均勻進動吸收能量(最終也經(jīng)S-L- l耦合使l振動發(fā)熱消耗掉)。,降低磁損耗的途徑：,1

10、. 選擇合適He,使一致進動和自旋波簡并度很小 ,但微波 器件的工作條件限制了He和樣品形狀，通常簡并不可 避 免; 2. 盡量減小散射中心,減小自旋波的產(chǎn)生; 多晶: 1在晶粒的邊界和內(nèi)部由于存在氣孔和非磁雜質(zhì)而形 的退磁場不均勻性; 2.晶粒各向異性的分散性; 3.少量弛豫離子;,三、影響單晶體鐵氧體H的因素,單晶弛豫過程: 1.S-S(二磁子)弛豫：不均勻性引起散射: 不均勻性愈多,自 旋波愈多; 自旋波振幅愈大;T2 及H H 簡并 2.電子轉(zhuǎn)移(Fe2+ Fe3+e):和弛豫雜質(zhì)離子; 弛豫通過 S- L 耦合將均勻進動能量耦合至晶格損耗掉,特點是H 有 溫度峰; H 雜質(zhì) 3.KL

11、弛豫,決定了高純樣品的本征損耗，要求HK L 0；,對YIG單晶小球:H單晶=H簡并+H雜質(zhì)+HK L 1.S-S弛豫:與自旋波(不均勻性)多少有關(guān); 1.磁性離子在晶格中排列的均勻程度 YIG:無陽離子空位:Y全占12面體; Fe3+占四,八面體; 尖晶石:有陽離子空位， 64個A位占8個,32個B位占16個; 尖晶石的均勻性比YIG差H簡并 2.工藝不當引起內(nèi)部缺陷,另相(與成分,工藝有關(guān)),如YIG:多Fe 出現(xiàn)Fe2O3或Fe3O4另相(工藝也可出現(xiàn)); 3.表面拋光的粗糙度；目前微波使用單晶YIG小球,當表面拋光 好時, H=0.10.5Oe; 109m 2. H具有溫度峰的弛豫過程

12、-H雜質(zhì); 3. HKL-內(nèi)稟線寬: S-L的本征特征, HKL與溫度有關(guān)(S-L與T有關(guān) ）;,四、影響多晶鐵氧體的因素,H多晶=H單晶+H磁晶+H空隙 影響因素: 1.多晶由任意取向的小單晶組成,各小單晶內(nèi)的有效內(nèi)場 不同引起HK(H磁晶); 2.多晶內(nèi)存在氣孔與另相,在氣孔與另相的表面出現(xiàn)磁荷, 引起不均勻性局部退磁場HP(H空隙); 因此多晶的H多晶比H單晶大數(shù)倍及幾十倍;,例:對YIG(Y3Fe5O12)單晶小球,若無磁晶各向異性,即Hk0; 若工作頻率f0=3000MhHz 共振磁場H 0 =H0 H0= f/( /2)= f/2.8= 3000/2.8=1071(Oe) 實際上Y

13、IG存在各向異性場Hk=(4/3)|k1/Ms| =57Oe 當 H0111時: H0 + Hk = H0 + (4/3)|k1/Ms| = 0 / H0 = 0 / - (4/3)|k1/Ms| = 1071-57=1014Oe 當 H0100時: H0 = f0 /2.8+2(k1/Ms)= 1071+86=1157Oe,1. HK磁晶各向異性降低Hk 的具體辦法 : A. 選 k1 小的材料如 Y3Fe5O12, MgFe2O4,MnFe2O4 ， Li0.5Fe2.5O4及其復合鐵氧體 MgMnAl B用非磁性離子取代磁性離子使 k;如Al3+代MgMn中的 Fe3+;Zn2+代NiF

14、e2O4的Ni2+使得4Ms k1 ; C采用正負 k 補償 ;如NiFe2O4中加CoFe2O4,可使k10,但一 般不用Fe2O3(+ k1),因Fe2+引起 損耗增大; D加In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+到Y(jié)IG中代Fe3+可使k10,H 2.HP 氣孔 另相磁荷各處內(nèi)場不同H0不同 .H ; 故降低HP的方法是:提高密度,減小另相氣孔;（原材料、配方、工藝）,四、影響多晶鐵氧體的因素,H多晶=H單晶+H磁晶+H空隙 影響因素: 1.多晶由任意取向的小單晶組成,各小單晶內(nèi)的有效內(nèi)場 不同引起HK(H磁晶); 2.多晶內(nèi)存在氣孔與另相,在氣孔與另相的表面出現(xiàn)磁荷, 引起不均勻性局部

15、退磁場HP(H空隙); 因此多晶的H多晶比H單晶大數(shù)倍及幾十倍;,5-3 微波鐵氧體材料簡介,一、微波鐵氧體的基本要求： 高的旋磁比、低的損耗、寬頻頻、高的功率負荷及良好的溫度穩(wěn)定性； 二、分類 多晶與單晶；多晶主要有尖晶石、石榴石和磁鉛石三種 三、基礎(chǔ)磁特性 飽和磁化強度4s：200550010-4T 居里溫度Tc：100600 在微波頻段其介電常數(shù)約為：816,特點: 4Ms高, Tc高,成本低,應用頻率高, H由幾十-幾百Oe; 為了提高電阻率常用缺鐵配方、加入微量的MnCO3、并在氧氣氛中燒結(jié)； 這了降低燒結(jié)溫度、提高密度可以在材料中加入CuO和Bi2O3 主要有： Mg系 Ni系 L

16、i系,5-3-1 尖晶石系旋磁材料,（一）、MgMn系 分子式：Mg2+xFe3+1-xMg2+1-xFe3+xO44Ms :3003000 10-4T，工程上主要有鎂-鋅、鎂-錳、鎂-錳-鋁系等，各向異性常數(shù)較小，易燒結(jié)成高密度、窄線寬的樣品； （二）、Ni系(NiZn): 特點:高功率,環(huán)境穩(wěn)定性好; 加少量Mn,Co可以避免出現(xiàn)Fe2+ ； 加Zn 4Ms； 加Al 4Ms H; （三）、 Li系 磁滯回線呈矩形，用于鎖式相移器以及高功率器件;,5-3-2 石榴石型旋磁鐵氧體材料: 主要應用于低頻段高功率器件,常組成以YIG為基礎(chǔ)的多元鐵氧體; 分為兩類: （1）YIG: YAlIG ,

17、YGdIG, YGaIG; 1.YIG(Y3Fe15O12): 4Ms =1700Gs,H多晶=0.20.5Oe, 因 L=0, k1小, H主要決定于氣孔(除雜質(zhì)外); 2.YAlIG, YGaIG, 其中Al,Ga 取代 Fe3+, 4Ms; 但取代后由 也, 所以 |k1/Ms| 近似不變, H幾乎不變; 3.YGdIG: Gd3+(4f7)取代Y,主要目的下降4Ms(室溫),且 |M /T |小穩(wěn)定性好;由于無軌道L, H較小; YGdIG 可出現(xiàn)c；,（2）鈣釩系: YCaVIG, BiGaVIG; 優(yōu)點: 1.與YAlIG相比,如4Ms相同, Tc ，H高功率特性較好; 2.摻入V

18、可降低 T燒; 3.Ca,V代Y降低成本; 1. YCaVIG: 加In3+離子分布為: Y3-2xCa2-xFe2-yIny (Fe3-xVx)O12 當為Y1.4Ca1.6Fe3.7In0.5V0.8O12 時; 其性能 : 4Ms =750Gs, H =8Oe, Tc =160oC, =109cm 2.BiCaVIG系 用Bi代替Y得到Bi3-2yCa2yFe2 (Fe3-yVy)O12,只有當y0.96時才能得單相, 4Ms最高只有700Gs,適用于低頻段,高功率器件,因Bi可助熔,又在1100oC燒成, H小； 3.加入In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+ 可降低H(取代Fe3+)

19、,5-3-3 六角晶系旋磁材料 作毫米波器件,內(nèi)場高,所需外加場小，器件體積小,本節(jié)描述了微波鐵氧體，所利用的物理現(xiàn)象是材料受靜磁場和微波場兩者作用時出現(xiàn)的旋磁共振。這種效應的內(nèi)在性質(zhì)是非互易的，它是由磁導率的張量（非標量）性質(zhì)造成的。這種非互易特性已廣泛地用于各種器件中。 飽和磁化強度Ms是一個基本量，它不僅是效率的一個因素，而且還因為在內(nèi)場下存在自然共振（不加靜磁場）。對于給定的應用，磁化強度是選擇材料時首先要考慮的一個量。 在任何共振效應中一樣，線寬是頭等重要的。線寬主要與自旋運動的阻尼效應有關(guān)，通過研究非共振線寬（Heff）或與自旋（Hk）有關(guān)的非線性效應，線寬問題可能解決。相反，在多

20、晶中，共振時觀察到的主模線寬H是由磁晶各向異性展寬的，或是由與缺陷和氣孔率有關(guān)的寄生效應展寬的。,6-1 石榴石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu),慨述： 石榴石:損耗低,可以方便調(diào)整Ms,H， HK; 主要應用:微波及光波領(lǐng)域; 1石榴石一般化學式:A3B2(C3)O12 為十二面體; 為八面體;( )四面體; A:二價金屬離子;如:Ca2+,Fe2+,Mg2+,Mn2+; B:三價Fe3+或其它3d過渡族金屬離子如Al3+Cr3+Mn3+ C:一般為Si4+ 2天然石榴石: (FeMn)3Al2(SiO4)3 3磁性石榴石鐵氧體由稀土R3+和Fe3+取代Mn2+,Si4+生成化 學式為R3Fe5O12 (3

21、R2O35Fe2O3)簡稱RIG (YIG)可用于微波, 激光,磁光,磁泡。,第六章石榴石鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)及基本特性,單位晶胞,一、單位晶胞 1由金屬離子16a(八面體)構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu).點陣常數(shù)a=12.5 埃, 基本上仍有O2-密堆而成（面心）;由于R3+太大,不能占 四面體(24d)和八面體(16a),占氧位又太小,而占12面體(24c)位, 所以石榴石結(jié)構(gòu)比尖晶石結(jié)構(gòu)復雜一些。 2除96個O2-外,具有三種金屬離子位置。 1.4個O2-包圍的四面體位有24個(簡稱24d或d位)由Fe3+所占; 2.由6個O2-包圍的八面體有16個(簡稱16a或a位);由Fe3+所占 3.由8個O2-包圍

22、的12面體有24個(簡稱24c或c位);由R3+所占,3每個小立方構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)，含占據(jù)八面體位(16a)的 金屬離子2個；4四面體(24d)與十二面體(24c)位的金屬離子處于小立方的 6 個晶面的中心線的1/4(或3/4），故每個小立方包含3個 占據(jù)四面體和3個占據(jù)十二面體位的金屬離子; 5單位晶胞有8個小立方，因此單位晶胞的64個空位 (82a+8 3d+8 3c)全被金屬離子占據(jù).金屬離子分 布 式如下：R3Fe2（Fe3）O12,石榴石鐵氧體結(jié)構(gòu)特點： 1金屬離子間隙完全被金屬離子占據(jù)，制造中要求配方 準確,燒結(jié)溫度高；2相對于尖晶石結(jié)構(gòu)，新增十二面體金屬離子位置，增 加了離子取代

23、途徑，有利于改善材料性能 ; 離子置換條件： 金屬離子總和=8 R2O3過量,出現(xiàn)RFe2O3 如不滿足 (鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵氧體）; 化學價平衡=24 Fe2O3過量,出現(xiàn)Fe2O3或 Fe3O4另相,二、離子取代規(guī)律 采用離子取代來改變石榴石鐵氧體的某些磁特性，以滿足各種應用上的需要。 規(guī)律： 總的說來，與尖晶石鐵氧體一樣，除應滿足摩爾比外其占位傾向性也應由金屬離子半徑、化學鍵及晶場等因素決定。 YIG中各種離子占位傾向性詳見書中表2.1.2,6-2 石榴石鐵氧體的飽和磁化強度,一、 分子磁矩的計算 兩近鄰磁性離子Me-O-Me之間超交換作用決定于離子間距及夾角; Fe3+(a)- O2- -F

24、e3+(d)夾角126.6o 2. 0 0 1. 8 8 Fe3+(d) -O2- - R3+(c)夾角122.2o; 1.88 2.43存在六種類型的超交換作用： a-a，d-d，c-c，a-d，a-c，d-c。 作用最強的為： a-d ， 其次為： d-c。 a-d位置上的離子磁距反向排列， a-c位置上的離子磁距同向排列,在0K的各位置磁矩排列: 24c 16a (24d) R3 Fe23+ Fe33+ O12 3mR B 25 B 35 B 分子磁矩 nB= |mc- (md- ma)| = |3mR- 5| 對YIG Y3+ 的 nB= 0 總 nB = 5 B 方向與 24d 相同

25、; 對Gd3Fe5O12 Gd 的 nB =7 B 總nB=3 7-5 =16 B方向與24c和16a相同;,二、石榴石磁化強度的溫度特性,特性：大多數(shù)石榴石鐵氧體(R3Fe5O12)的MsT曲線 均具有抵消點c, 即在f以下某一溫度 T, 合成凈磁矩為0; 原因: 超交換作用存在于a-d 最強, c-d 較弱, 隨著 溫度增加, 熱騷動作用更容易影響 c-d位,使 c 位的Mc不完全平行; c a d R3 Fe23+ ( Fe33+) O12 當T | md- ma | 凈Ms與Mc方向相同; T= c，| mc | = | md - ma | 凈Ms = 0; Tc ，| mc | |

26、md - ma | 凈Ms與d位同向;,三、 YIG多元鐵氧體的飽和磁化強度,離子分布式： 則 nB= |mc- (md- ma)| 式中，mc=xmR； ma=10-y（5-mMa）； md=15-z（5-mMd）； 故改變c、a、d位中取代離子R、Ma、Md的種類及其數(shù)量x、y、z，就可以改變石榴石型鐵氧體的飽和磁距。,（一）置換YIG鐵氧體中的Y離子對Ms的影響 用Gd置換Y離子：GdxY3-xFe5O12 ，當 x增加，達到一定值時,如 x=1.2,可出現(xiàn)c,且c隨x增加移向高溫;在工作溫度內(nèi) MsT 曲線較平坦,以此可提高溫度穩(wěn)定性; 以Ca,Bi等取代價貴的Y，可降低成本,并可人為

27、地控制磁 性能以滿足不同頻段器件的要求; （二）置換YIG鐵氧體中的Fe3+離子對Ms的影響 In3+,Sc3+,Cr3+對八面體(16a)位置 Fe3+ 的取代，| md- ma | 增加，而使0K時的飽和磁距增加，但超交換作用降低,居里溫度下降; Al3+、Ga3+取代占四面體(d)位置（YIG中) Fe3+ ，Ms 與 f 均是下降。,3 如取代具有抵消點材料(如YGdIG)的Fe3+ Ms變化與取代離子(非磁性離子)占四面體或八面體有關(guān)；當取代四面體時： 在低溫：| mc | | md- ma |，Ms值增加 當Tc； | mc | | md- ma | ，Ms 值下降 且隨取代量增加

28、，c移向高溫。,6-3 磁晶向異性及磁致伸縮特性,多數(shù)石榴石鐵氧體（R3Fe5O12）中稀土離子的 4f 電子被 5s2、5p6 電子屏蔽,晶場作用弱,軌道磁矩 L 未被淬滅,故 S-L耦合強, 因而表現(xiàn)出大的磁晶各向異性及磁致伸縮，而且對溫度具有強烈的信賴性。（在低溫時急劇上升）因此RIG材料對原材料純度要求高 1. Y3Fe15O12 （YIG）的 磁晶各向異性和磁致伸縮系 數(shù)均 很 小。 k1 = - 6.2102J/m3 (20oC) s= - 2.2210-6 (20oC) Gd3Fe5O12 (GdIG)的 k1也 較小, k1 = - 6.7 102J/m3 （20oC); 而且

29、GdIG, YIG的 k1 高低溫度變化不大;,2.Sm.Ho,Dy,Yb,Tb等的R3Fe15O12由于L 0, S-L耦合存在, 表現(xiàn)出高k1,特別在低溫具有很大的k1,這些離子稱為快 弛豫離子； 3.Co2+的L 0為正k1,在微波中為快弛豫離子,低功率器件 要避免； 4.為了降低石榴石鐵氧體的K1值，常采用加入適量的非 磁性離子In3+,Zr4+,Sn4+, Ti4+,Ge4+,V5+ 等取代 Fe3+；,習題: 寫出YIG石榴石鐵氧體的結(jié)構(gòu)式并計算其飽和磁矩 的表達式 思考題: 1.石榴石鐵氧體的結(jié)構(gòu)特點是什么?有哪幾種金屬離 子的位置?分子式?結(jié)構(gòu)式如何寫,有無空位?配方正 確將產(chǎn)

30、生什么結(jié)果? 2.YIG有何特性?可用那些離子替代12,8,4面體離子,在 制造中要防止那些雜質(zhì)混入? 3.石榴石鐵氧體的分子磁矩如何計算,為什么會引起誤 差? 4.大部分石榴石鐵氧體的曲線為什么具有抵消點 ?它 有什么作用?,微波鐵氧體器件是一種非互易器件，它在微波技術(shù)中具有重要意義及廣泛應用。 電阻率很高, 比鐵的電阻率大10121016倍, 當微波頻率的電磁波通過鐵氧體時, 導電損耗是很小的； 鐵氧體的相對介電常數(shù)為1020, 更重要的是, 它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì), 它的磁導率隨外加磁場而變, 即具有非線性; 在加上恒定磁場以后, 它在各方向上對微波磁場的磁導率是不同的, 就是說

31、其具有各向異性的。由于這種各向異性, 當電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時, 便呈現(xiàn)一種非互易性。利用這種效應, 便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件，最常用的有隔離器和環(huán)行器。,微波鐵氧體器件,微波鐵氧體器件 微波鐵氧體器件是一種非互易器件，它在微波技術(shù)中具有重要意義及廣泛應用。 鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷, 最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實際上隨著材料研究的進步, 后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。 目前常用的有鎳 - 鋅、鎳 - 鎂、 錳 - 鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（YIG）等微波鐵氧體的電阻率很高, 比鐵的電阻率大10121016倍, 當微波頻率的電磁波通過鐵氧體時, 導電損耗是很

32、小的。鐵氧體的相對介電常數(shù)為1020, 更重要的是, 它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì), 它的磁導率隨外加磁場而變, 即具有非線性; 在加上恒定磁場以后, 它在各方向上對微波磁場的磁導率是不同的, 就是說其具有各向異性的。由于這種各向異性, 當電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時, 便呈現(xiàn)一種非互易性。利用這種效應, 便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件，最常用的有隔離器和環(huán)行器。 ,1. 隔離器 隔離器也叫反向器, 電磁波正向通過它時幾乎無衰減, 反向通過時衰減很大。常用的隔離器有諧振式和場移式兩種。 1) 諧振式隔離器 由于鐵氧體具有各向異性, 因此在恒定磁場Hi作用下, 與Hi方向成左、右螺旋

33、關(guān)系的左、右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場具有不同的導磁率（分別設(shè)為-和+）。 設(shè)在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點, 沿+z方向傳輸左旋磁場, 沿-z方向傳輸右旋磁場, 兩者傳輸相同距離, 但對應的磁導率不同, 故左右旋磁場相速不同, 所產(chǎn)生相移也就不同, 這就是鐵氧體相移不可逆性。另一方面，鐵氧體具有鐵磁諧振效應和圓極化磁場的諧振吸收效應。,所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應，是指當磁場的工作頻率等于鐵氧體的諧振角頻率0時, 鐵氧體對微波能量的吸收達到最大值。而對圓極化磁場來說，左、右旋極化磁場具有不同的磁導率, 從而兩者也有不同的吸收特性。 對反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場，磁導率為+，它具有鐵磁諧振效應，而對正向傳輸

34、的左極化磁場，磁導率為-，它不存在鐵磁諧振特性, 這就是圓極化磁場的諧振效應。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的。,圖 1 諧振式隔離器的鐵氧體位置,鐵氧體諧振式隔離器就是在波導的某個恰當位置上放置鐵氧體片而制成的, 在這個位置上，往一個方向傳輸?shù)氖怯倚艌? 另一方向上傳輸?shù)氖亲笮艌?。圖 1 所示的矩形波導在x=x1處放置了鐵氧體, 下面來確定鐵氧體片放置的位置。 對于矩形波導TE10模而言, 其磁場只有x分量和z分量, 它們的表達式為,可見兩者存在/2的相差。在矩形波導寬邊中心處, 磁場只有Hx分量, 即磁場矢量是線極化的, 且幅度隨時間周期性變化, 但其方向總是x方向;

35、 在其它位置上, 若|Hx|Hz|,則合成磁場矢量是橢圓極化的, 并以寬邊中心為對稱軸, 波導兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個磁場; 當在某個位置x1上有|Hx|=|Hz|時, 合成磁場是圓極化的, 即,解得,進一步分析表明, 對TE10模來說,在x=x1處沿+z方向傳輸?shù)膱A極化磁場不與恒定磁場方向成右手螺旋關(guān)系, 即為左旋磁場, 而沿-z方向傳輸?shù)膱A極化磁場則是右旋磁場?？梢?，應在波導x=x1處放置鐵氧體片, 并加上恒定磁場, 使Hi與傳輸波的工作頻率滿足 =0=Hi 式中, 0為鐵氧體片的鐵磁諧振頻率；=2.8103/4Hzm/A, 為電子旋磁比。這時, 沿+z方向傳輸?shù)牟◣缀鯚o衰減通過, 而沿-

36、z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強烈吸收, 從而構(gòu)成了諧振式隔離器。,應該指出的是，若在波導的對稱位置x=x2=a-x1處放置鐵氧體, 則沿+z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強烈吸收, -z方向傳輸?shù)牟▌t幾乎無衰減地通過。也就是單向傳輸?shù)姆较蚺c前述情形正好相反。另外, 由于波導部分填充鐵氧體, 主模TE10的場會有所變化, 因此實際鐵氧體的位置與計算的略有差異。 2) 場移式隔離器 場移式隔離器是根據(jù)鐵氧體對兩個方向傳輸?shù)牟ㄐ彤a(chǎn)生的場移作用不同而制成的。,它在鐵氧體片側(cè)面加上衰減片, 由于兩個方向傳輸所產(chǎn)生場的偏離不同, 使沿正向（-z方向）傳輸波的電場偏向無衰減片的一側(cè), 而沿反

37、向（+z方向）傳輸波的電場偏向衰減片的一側(cè), 從而實現(xiàn)了正向衰減很小而反向衰減很大的隔離功能, 如圖 2所示。 由于場移式隔離器具有體積小, 重量輕, 結(jié)構(gòu)簡單且有較寬的工作頻帶等特點, 因此在小功率場合得到了較為廣泛的應用。,圖 2 場移式隔離器,3) 隔離器的性能指標 隔離器是雙端口網(wǎng)絡, 理想鐵氧體隔離器的散射矩陣為 可見S矩陣不滿足幺正性, 即隔離器是個有耗元件, 又由于隔離 器是一種非互易元件, 故S不具有互易性。 實際隔離器一般用以下性能參量來描述: （1）,式中, P01為正向傳輸輸入功率；P1為正向傳輸輸出功率, 理想情況下|S21|=1, +=0; 一般希望+越小越好。 （2

38、） 反向衰減量- ,式中, P02為反向傳輸輸入功率；P2為反向傳輸輸出功率； 理想情況下-。 （3）隔離比R 將反向衰減量與正向衰減量之比定義為隔離器的隔離比, 即,（4） 輸入駐波比 在各端口都匹配的情況下，我們將輸入端口的駐波系數(shù)稱為輸入駐波比，記作, 此時,2. 鐵氧體環(huán)行器 環(huán)行器是一種具有非互易特性的分支傳輸系統(tǒng), 常用的鐵氧體環(huán)行器是Y形結(jié)環(huán)行器, 如圖 3（a）所示, 它是由三個互成120的角對稱分布的分支線構(gòu)成。當外加磁場為零時, 鐵氧體沒有被磁化, 因此各個方向上的磁性是相同的。當信號從分支線“”輸入時, 就會在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖 3（b）所示的磁場, 由于分支“、 ”條件

39、相同, 信號是等分輸出的。 當外加合適的磁場時, 鐵氧體磁化, 由于各向異性的作用, 在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖 3（c）所示的電磁場, 這比不加磁場時旋轉(zhuǎn)了一個角度。,圖 3 環(huán)行器及其場分布,當外加合適的磁場時, 鐵氧體磁化, 由于各向異性的作用, 在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖 3（c）所示的電磁場, 這比不加磁場時旋轉(zhuǎn)了一個角度。 當設(shè)計成=30時, 分支“”處有信號輸出, 而分支“”處電場為零, 沒有信號輸出。同樣由分支“”輸入時, 分支“”有輸出, 而分支“”無輸出; 由分支“”輸入時, 分支“”有輸出而分支“”無輸出。 可見， 它構(gòu)成了“”“”“”“”的單向環(huán)行流通, 而反向是不通的, 故稱為環(huán)

40、行器。 Y形結(jié)環(huán)行器是對稱非互易三端口網(wǎng)絡, 其散射矩陣為,一個理想的環(huán)行器必須具備以下的條件: 輸入端口完全匹配, 無反射; 輸入端口到輸出端口全通, 無損耗; 輸入端口與隔離器間無傳輸。 于是環(huán)行器的散射參數(shù)應滿足:,S11=S22=S33=0 |S21|=|S32|=|S13|=1 S31=S12=S23=0,寫成矩陣形式:,式中, 為附加相移。 利用環(huán)行器可以單向器, 只要在Y形結(jié)環(huán)行器的端口“”接上匹配吸收負載, 端口“”作為輸入, 端口“”作為輸出, 如圖 4（a）所示。 這樣，信號從端口“”輸入時, 端口“”有輸出, 當從端口的反射信號經(jīng)環(huán)行器到達端口“”被吸收, 這樣“”“”是

41、導通的, 而“”“”是不通的, 它實現(xiàn)了正向傳輸導通、 反向傳輸隔離的單向器的功能。,圖 4 環(huán)行器的應用,利用兩個Y形結(jié)環(huán)行器還可以構(gòu)成四端口的雙Y結(jié)環(huán)行器, 如圖4（b）所示,單向環(huán)行規(guī)律是“”“”“”“”。 ,波導環(huán)行器理論 圖5 三種常用波導環(huán)行器中心結(jié),以上這三種類型波導環(huán)行器在鐵氧體結(jié)中心，存在一對方向相反的旋轉(zhuǎn)模，當旋轉(zhuǎn)模簡并時，其KR=1.84。這種波導結(jié)共振子采用介質(zhì)共振子的理論，可求得這種介質(zhì)共振模式為： 式中 ,d為b,c圖中鐵氧體圓片的厚度，或者為a圖中厚度的一半。 對于波導Y結(jié)環(huán)行器，采用圓柱形鐵氧體時，還有如下經(jīng)驗公式計算鐵氧體直徑：,環(huán)行器鐵氧體材料參量 歸一化飽

42、和磁化強度： 歸一化磁化場： 氧體張量磁導率的對角和非對角分量： 有效磁導率：,波導環(huán)行器實例 1）寬帶X 波段波導結(jié)環(huán)行器,圖6 采用脊變換環(huán)行器的結(jié)構(gòu)圖 ,常規(guī)波導結(jié)式環(huán)行器中心結(jié)的四分之一阻抗匹配器常采用圓形和三角形形式, 但對寬帶設(shè)計而言, Y 形匹配形式更具優(yōu)勢（結(jié)構(gòu)如圖6）。Y 形匹配形式由上下兩個對稱的 Y 形金屬臺階脊梁組成, 它的優(yōu)點是: TE10基模的截止頻率更低,相同工作波長情況下波導尺寸更小；T E10模截止頻率比矩形波導更低,而 TE20模截止頻率比矩形波導更高,使得單一模式工作頻帶很寬。 為實現(xiàn)中心結(jié)與標準波導的寬帶匹配, 圖6中的環(huán)行器還采用三級等寬切比雪夫階梯阻

43、抗變換器進行匹配。 選取飽和磁矩約為 2100Gs 的鋰鐵氧體, 上述設(shè)計制作的波導結(jié)式環(huán)行器性能為:在8. 4 12. 4 GHz的頻帶內(nèi), 駐波系數(shù)20 dB。,2）采用偏心鐵氧體的8mm E面T結(jié)波導環(huán)行器 圖7給出的E面T型結(jié)鐵氧體波導環(huán)行器工作在8mm波段，采用的鐵氧體圓盤的半徑R=1.59mm高H=1.57mm。，鐵氧體偏置為0.6mm。,圖7 E面T結(jié)環(huán)行器俯視圖,該環(huán)行器使用的波導結(jié)腔為8mm頻段常用的T型結(jié)腔，端口1、2、3所用的均為8mm頻段上的標準波導(7.1123.556mm)。鐵氧體樣品選用了鎳鋅鐵氧體，其相對介電常數(shù)為13.5，飽和磁化強度為4950Gs，介質(zhì)損耗角

44、正切為0.0005，由放置在波導上方和下方的永磁鐵來提供環(huán)行器所需的直流磁場。 該環(huán)行器的性能如圖8,a.插入損耗 ,b.隔離度 ,圖8 環(huán)行器性能圖,3) 基片集成波導環(huán)行器 基片集成波導環(huán)行器結(jié)構(gòu)如下圖，鐵氧體飽和磁化強度為3500高斯，相對介電常數(shù)為14.5，半徑為2.75mm，高度為1mm。介質(zhì)基板相對介電常數(shù)為2.1，厚度為1.5mm 俯視圖 側(cè)視圖,環(huán)行器性能,磁性功能材料及應用,電子薄膜與集成器件國家重點實驗室 微電子與固體電子學院,梁迪飛（211樓243）,磁性功能材料及應用,Part 1 緒論 Part 2 磁電子學材料及應用 Part 3 軟磁材

45、料及應用 Part 4 永磁材料及應用 Part 5 旋磁鐵氧體材料及其應用 Part 6 電磁波吸收材料的發(fā)展及其在EMC中的應用,模組,系統(tǒng),元器件,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù),什么是吸波材料？,吸波材料的由來,吸波材料在物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù)中的應用,吸波材料的其他應用,“Internet of Things（IOT），也稱為Web of Things。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感探測技術(shù)、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、終端設(shè)備等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學

46、、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制?！?來源自 互聯(lián)網(wǎng),什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù),什么是吸波材料？,吸波材料的由來,吸波材料在物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù)中的應用,吸波材料的其他應用,傳感探測技術(shù),現(xiàn)代傳感探測技術(shù)中，已經(jīng)實現(xiàn)可以將各類信號，如聲、光、電、熱、氣體、輻射轉(zhuǎn)化為電信號。,射頻識別，即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機

47、械或光學接觸。,RFID技術(shù),應用領(lǐng)域,GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導航服務。,全球定位技術(shù),終端設(shè)備用于信道兩端收發(fā)信號的通信設(shè)備。其中包括信息處理技術(shù)。,終端設(shè)備,終端設(shè)備將采集到的信號進行處理并返回到相應設(shè)備或人員。,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù),什么是吸波材料？,吸波材料的由來,吸波材料在物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù)中的應用,吸波材料的其他應用,吸波材料,顧名思義，吸波材

48、料是一種有吸收電磁波能力，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為其他能量的一種材料。,尖劈型吸波材料,塊狀吸波材料,膠板吸波材料,蜂窩型吸波材料,泡沫型吸波材料,涂層吸波材料,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù),什么是吸波材料？,吸波材料的由來,吸波材料在物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù)中的應用,吸波材料的其他應用,吸波技術(shù)及吸波材料研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間。二戰(zhàn)期間，雷達技術(shù)興起，而與之相應的雷達隱身技術(shù)也隨之而來。 吸波技術(shù)及吸波材料起源于德國，發(fā)展在美國并擴展到英、法、俄羅斯及日本等發(fā)達國家。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，逐步從軍用擴展到民用，成績斐然。,吸波材料的由來,早在二戰(zhàn)期間,德國就在潛艇上應

49、用雷達吸波材料，以躲避盟軍的雷達探測。在六七十年代，美國在SR-71高空高速偵察機上涂敷了雷達吸波材料。 各國已經(jīng)相繼研發(fā)隱身戰(zhàn)機，例如美國的F-117，俄羅斯的SU-47金雕，這些雷達隱身戰(zhàn)機的相繼問世標志著國外隱身技術(shù)已進入工程發(fā)展階段。,蘇-47 金雕,B-2 轟炸機的外表面95% 涂覆有一種具有不同厚度的韌性隱身涂層。 此外，B-2 轟炸機大量采用了吸波復合材料，如機身表面的大部分由吸波的碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制成。外翼的蒙皮及梁大多采用碳纖維-環(huán)氧復合吸波材料。,美國B-2隱形轟炸機,在入侵巴拿馬、海灣戰(zhàn)爭以及入侵南聯(lián)盟的戰(zhàn)爭中，美國的F-117 戰(zhàn)斗攻擊機執(zhí)行了幾千架次的空襲任務，卻只

50、損失了一架戰(zhàn)機；而B-2 隱身轟炸機從美國本土長途奔襲到南聯(lián)盟執(zhí)行轟炸任務卻未受絲毫威脅。,F-117,F-22,B-2,而現(xiàn)階段，吸波材料也從神秘的軍事隱身領(lǐng)域逐漸走向民用領(lǐng)域。,民用領(lǐng)域中的吸波材料,物聯(lián)網(wǎng)世界中的吸波材料,什么是物聯(lián)網(wǎng)？,物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù),什么是吸波材料？,吸波材料的由來,吸波材料在物聯(lián)網(wǎng)主要組成技術(shù)中的應用,吸波材料的其他應用,吸波材料在傳感探測領(lǐng)域的應用,例如雷達探測領(lǐng)域，紅外探測領(lǐng)域。,探地雷達用于探測地層形貌，及地層下所埋藏物體。探地雷達天線要求很高的行波特性。,探地雷達,在雷達罩四周通常會加入特定的吸波材料來保證天線的行波特性及好的指向性。,探地雷達剖面圖,金屬外殼,天線,吸波材料,D. Setiadi 等人研究出一種導電聚合物應用于自吸收的熱電傳感器，其原理是使用一種紅外吸收劑將入射的紅外輻射全部吸收，并把它轉(zhuǎn)變成熱能，通過熱電傳感器上溫度的升高而檢測到紅外輻射，這樣的紅外吸收劑能吸收90%以上的位于24m 波長的紅外線。這種熱電感應