铁氧体晶体结构

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1、铁氧体晶体结构与磁性UNITED ELECTRONICS CO., LTD 优耐电子（深圳）有限公司 研发部:伍卓权 2009-04-08一. 铁氧体的晶体结构 二. 铁氧体磁性来源 三. 超交换作用 四. 复合铁氧体铁氧体的晶体结构铁氧体是是氧化铁(Fe2O3)和其他一种或几 种金属氧化物化合而成的物质,是复合氧化物.铁氧体的晶体结构主要有三种:A.尖晶石型;B.柘榴石型;C.磁铅石型.铁氧体的晶体结构A.尖晶石型铁氧体的晶体结构化学式是:MeFe2O4或MeOFe2O3其中Me代表二价金属离子(常有:Mn2+,Co2+, Cu2+ Ni2+,Mg2+,Zn2+,Fe2+,Cd2+等等)通常

2、是过渡金属元素.分子式中Fe3+离子也可以被其他三价金属离子取代,通常 是Al3+,Cr3+或Ca3+;也可以被Fe2+或Ti4+取代一部分.由于与一种叫镁铝尖晶石的矿石(MgAl2O4)的结构相同 而得名.铁氧体的晶体结构n尖晶石铁氧体的晶格结构 呈立方对称.n一个单位晶胞含有8个分子式, 一个晶胞的分子式为M2+8Fe3+16O2-32 , 所以,一个铁氧体单晶胞内共有56个离子, 其中M2+离子8个, Fe3+离子16个, O2-离子32个.n三者以氧离子的尺寸最大, 晶格结构组成必然以氧离子作密堆积, 金属离子填充在氧离子密堆积的间隙内. 如下图所示:离子半径 O2- A2.65Mg2

3、+ A1.62 Al3+ A1.16铁氧体的晶体结构四面 体八面 体铁氧体的晶体结构n在32个氧离子密堆积构成的面以立方晶格中,有两种间 隙:1)四面体间隙;2)八面体间隙.n四面体间隙由4个氧离子中心联结构成的4个三角形平 面包围而成,这样的四面体间隙共有64个,而且,四面体 的间隙较小,只能填充尺寸小的金属离子.n八面体由6个氧离子中心联线构成的8个三角形平面包 围而成,这样的八面体共有32个,八面体的间隙较大,可 以填充尺寸较大的金属离子.n一般地,四面体间隙简称为A位;八面体间隙简称为B位.铁氧体的晶体结构n一个尖晶石单胞,实际上只有8个A位和16个B位被金属离子 填充.n填充A位的金

4、属离子构成的晶格称为A次晶格,同理也有B次 晶格.n实用上,把M2+离子填充A位,Fe3+离子填充B位的分布定义为 ”正型”尖晶石铁氧体即,(M2+)Fe3+2O4n如果上述分布对调了,则定为”反型”尖晶石铁氧体,即(Fe3+ )M2+ Fe3+O4,如:Li,Cu,Fe,Co,Ni铁氧体.n正型结构的铁氧体只有ZnFe2O4和CdFe2O4两种铁氧体的晶体结构n此外,还有介于正型与反型之间的混合分布结构,即,(M2+(1-X)Fe3+X)M2+ XFe3+ (2-X) O4式中x为M2+离子占有A位的份数.n当x=1时变成反型,即,(Fe3+)M2+ Fe3+ O4表示:M2+全在B位上,而

5、Fe3+各有一半占据A位和B位,如 :Li,Cu,Fe,Co,Ni铁氧体.n当x=0时变成正型结构,即(M2+)Fe3+2O4表示:M2+全在A位上,而Fe3+全在B位,如: ZnFe2O4和 CdFe2O4n一般是03 铁氧体的磁性n物质中原子或离子磁矩的有序排列方式对 应的三种磁性的列图:1.铁磁性2.反铁磁性2.亚铁磁性超交换作用n1934年,克拉默首先提出了一种交换作用模 型-超交换模型,用来解释反铁磁性自发磁 化的起因.他认为,反磁性物体内的磁性离子 之间的交换作用是通过隔在中间的非磁性 离子之为媒介来实现的,故称超交换作用.n超交换作用的原理：超交换作用n超交换作用的原理：(以Mn

6、O为例)n由于MnO具有面心立方结构,存在两种键角,即180 度与90度的键角.如上图:n在基态时: n Mn2+3d5 有5个未被抵消的自旋磁矩n O2- 2p6 没有未被抵消自旋磁矩n 而,Mn2+O2- Mn2+,电子波函数在180度键角 方向时可能有较大的迭加(如下图),只是O2-离子无 磁性,不能自发磁化. 超交换作用然而,由于有迭交, O2- 提供2p电子迁移到Mn2+的3d轨道 内的机会,使体系完全可能变成含有Mn2+和 O1-的激发态n所以,在激发态时:n O2- 2p5 就有1个被抵消自旋磁矩n 这个未配对的电子当然有可能与近邻的Mn2+离子的 3d电子了生交换作用.n最终,

7、导致O2-两则成180度键角耦合的两个Mn2+的自旋必 定为反平行排列.超交换作用n铁氧体中的超交换作用n对铁氧体来说,金属离子分布在A位与B位,它们最近邻的都是氧 离子,因此可以有三种超交换作用,即:A-A,A-B,B-B三种.n在这三种里面,又因为金属离子之间通过中间氧离子所组成的键 角不同,再分成五种情况:如下图n根据上述原理,A位和B位上的离子磁矩取向是反平行排列,因此A 位上的离子磁矩只能是平行排列,B位的亦然.n由于MA和MB的数值不等而方向相反,结果就有未抵消的净磁矩 而呈现亚铁磁性.复合铁氧体的磁性n复合铁氧体的磁性取决于各组份的磁性,各组分的 比例及生产工艺.n1.复合铁氧体

8、的饱和磁化强度MSn 软磁材料要求饱和磁化强度尽量大.n 铁氧体的磁性是由两个次晶格的磁矩之差所决定 的.因此,铁氧体的饱和磁化强度取决于两个次晶格 的饱和磁化强度之差.n因此要获得一定大小的饱和磁化强度,就需要改变 两个次晶格饱和磁化强度的相对大小.(如加入非磁 性金属离子).复合铁氧体的磁性n二元系含Zn复合铁氧体n分子式:(Zn2+xFe3+1-x)Me2+1-xFe3+1+xO4n其分子磁矩是:m=mB-mAn =me(1-x)+5(1+x)uB-5(1-x) uB n =10x+me(1-x)uB n式中:me是Me2+的离子磁矩数. 复合铁氧体的磁性n在MeFe2O4反型铁氧体中,

9、由于加入了Zn2+离子,它 占据A位的趋向最大,所以,原来在A位的Fe3+有一部 分被它赶到B位,而Zn2+是非磁性离子,因而A位的磁 矩减少了,B位的磁矩增加了,结果,由于非磁性离子 Zn2+的加入而形成的复合铁氧体的磁矩反而比原 来的单铁氧体增加了.n按上式计算,其磁矩是随x增加而线性增加的,但实 际上x不能太大.n例如:在Mn1-XZnXFe2O4和Ni1-XZnXFe2O4中x只能分 别大到0.6和0.7,如果再增大,分子磁矩反而下降.复合铁氧体的磁性n因此,加入适量的非磁性离子Zn2+(占据A位最强的 离子)就可以得到饱和磁化强度较高的复合铁氧体 材料.n反之,要降低饱和磁化强度就必须降低B次晶格的 饱和磁化强度,这可以加入占B位最强的非磁性离 子来代替其中一部分Fe3+的方法来实现.n非磁性离子的加入除了可以控制饱和磁化强度外, 还会造成居理温度的下降.这是因为,由于非磁性离子的加入降低了A位和B位 上磁性离子的数目,使A-B之间的超交换作用场减 弱必然导致居里温度的降低.复合铁氧体的磁性n饱和磁化强度MS与ui值的关系uiMS2 K1+sK1为磁晶的各向异性常数，S为磁致伸缩系数，为内应力要提高材料的磁导率，就要提高材料的饱和磁 化强度，减小磁晶的各向异性常数K1，减小磁致伸 缩系数等等。谢 谢！待续