0,50 ц о

NiZni Fe204

f V.0,50

°<>0,64

-О--ОО-О-о-о-о--о-*

1,0 0,6

10 -ггг=>°-:

0-1 1.0 10 102 4.1оЗ

/ МГц

Рис. 8.12. Магнитные спектры Ni-Zn-ферритов

2000 -

1000 -

Рис. 8.13. Температурная зависимость начальной ферритов

100 200 Т, °С

магнитной проницаемости Mn-Zn-

Среди ферритов со структурой шпинели есть особая группа ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), которые широко используются в импульсной технике. Для этих ферритов важными характеристиками являются параметр, определяющий прямоугольность петли гистерезиса, и время их перемагничивания. Прямоугольность петли гистерезиса можно оценивать с помощью двух параметров (рис. 8.14): по относительной остаточной индукции В/В или по коэффициенту прямоугольности R, который определяется как отношение В(-Н/2)/В(Н). Самое примечательное заключается в том, что в Mg-Mn,

Mg-Mn-Zn и других смешанных ферритах наблюдается спонтанная прямоугольность петли гистерезиса в изотропном (не текстурованном) состоянии. Ферриты с ППГ широко используются в запоминающих, логических и переключающих устройствах электронной техники.

Рис. 8.14. К определению прямоугольности петли гистерезиса

Ферриты с гексагональной кристаллической структурой (гексаферриты)

Кристаллическая структура гексаферритов представляет собой плотноупакованную гексагональную решетку из анионов кислорода О , в октаэдрических порах которой располагаются трехвалентные катионы Fe* . Наиболее известной из этих структур является структура минерала маг-нетоплюмбита РЬО 6Ге20з (или PbFej20j9). Основные гексаферриты со структурой магнетоплюмбита, представляющие интерес как магнитные материалы, по своим химическим составам можно расположить в тройной диаграмме ВаО-МО-Ре20з (рис. 8.15), где в качестве двухвалентного металла М могут быть Мп, Fe, Со, Ni, Zn, Mg и др.

Феррит М (ВаО 6Ге20з) (здесь и далее использованы обозначения фаз, принятые на диаграмме рис. 8.15) является магнитотвердым материалом с высокой константой одноосной анизотропии. При изготовлении анизотропных постоянных магнитов из феррита бария по порошковой технологии и прессовании порошков в магнитном поле получают достаточно

РеОз 100 О

М=ВаРе,20,9

(ВаО -гРезОз

BaFejO 40

W= ВаМ2Ре,б027 Y= BajMjFeijOjj Z= Ba2M2Fe2404,

Рис. 8.15. Наиболее важные составы ферритов в тройной диаграмме ВаО-МО-Ре20з

высокие магнитные свойства: намагниченность насыщения до 0,47 Тл, остаточная индукция до 0,35 Тл, коэрцитивная сила Н до 280 кА/м (при теоретическом значении jH около 1360 кА/м) и магнитная энергия до 36 кДж/м. Замена катиона Ва на Sr позволяет получать постоянные магниты на основе SrO 6Ре20з с магнитной энергией до 40 кДж/м. Использование смешанных ферритов (Ва, Sr)0 бРСзОз при частичной замене катионов железа катионами скандия или хрома позволяет повысить термостабильность их свойств. Поэтому перспективным направлением улучшения свойств магнитотвердых ферритов является поиск оптимального легирования и использования модифицирующих комплексных добавок в сочетании с оптимизацией процессов ферритизации с учетом качества сырьевых материалов и видов ферритообразования, обеспечивающих заданную дисперсность готового к прессованию порошка.

Феррит W можно представить как смесь Ш + 25= ВаО 2М0 8Ре20з, феррит Y - как 2ВаО 2М0 бРсзОз, феррит Z - как смесь М + F = = ЗВаО 2М0 ПРсзОз. Все ферриты W, Y ч Z имеют плотноупакован-ную гексагональную решетку с очень большим параметром решетки вдоль гексагональной оси с (до 8,41 нм). В зависимости от двухвалентного катиона эти ферриты имеют или ось, или плоскость легкого намагничивания. Последние из этих ферритов называют иногда ферро-кспланами (т.е. с плоскостью легкого намагничивания). В табл. 8.16

Тип феррита

W Y Z

Двухвалентный катион М

Т - ось легкого намагничивания,

X - плоскость легкого намагничивания.

показана магнитная симметрия этих гексагональных ферритов. Ферро-кспланы при невысокой магнитной проницаемости могут работать в качестве магнитомягкого материала при частотах перемагничивания до 1000 МГц.

Ферриты со структурой граната

Структурную формулу ферритов-гранатов можно представить как ЗМ2О3 5Ре20з, где М - трехвалентный катион РЗМ. Элементарная кристаллическая ячейка ферритов-гранатов состоит из четырех подобных молекул. Наиболее распространенным среди ферритов-гранатов является феррит иттрия (YjFejOjj) с намагниченностью насыщения более 0,175 Тл, который может быть модифицирован ионами других РЗМ (Sm, Gd, Nd и др.). Ферриты-гранаты на основе иттрия с начальной магнитной проницаемостью до 20 Гс/Э могут успешно работать в приборах СВЧ при частотах до 10 Гц. Эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов используются в магнитооптических приборах для вращения плоскости поляризации света, а пленки с управляемыми цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) используются в устройствах магнитной памяти. Последний вид эпитаксиальных пленок обладает одноосной наведенной анизотропией, перпендикулярной поверхности пленки. Для получения всех этих качеств очень важным является оптимизация составов эпитаксиальных пленок и технологических параметров их получения.

В заключение следует отметить, что миниатюризация приборов радиоэлектроники и расширение частотного диапазона радиотехнических устройств до 10...! О* ГГц (до длин волн в доли микрометра) вызывает необходимость создания независимых и управляемых магнитных устройств оптического диапазона. Примером такого устройства можно на-

Таблица 8.16. Магнитная симметрия некоторых гексагональных ферритов

звать фарадеевский вентиль. Другим направлением в создании новых ферритовых СВЧ-устройств является применение гексаферритов с большой магнитной кристаллографической анизотропией для создания устройств миллиметрового диапазона. К новым направлениям относится также использование в СВЧ-устройствах структур, состоящих из ферритовых и высокотемпературных сверхпроводящих пленок [7]. Расширенный интерес проявляется также к исследованию магнитных свойств пленок на основе Ni-Zn-, Мп-Zn- и других ферритов с нанокристаллической структурой [6].

8.5. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхпроводимость: история и современность

Явление сверхпроводимости бьшо открыто Камерлинг-Онне-сом в 1911г., как полное исчезновение электрического сопротивления ртути при температуре около 4 К (-269 °С) выше абсолютного нуля (Нобелевская премия 1913 г.). Поскольку сразу стал ясен офомный прикладной потенциал сверхпроводимости, с этого времени в течение более чем 90 лет предпринимаются попытки увеличить критическую температуру сверхпроводящего перехода. Оказалось, что среди чистых металлов наибольшую критическую температуру имеет ниобий (9,26 К), а самую низкую - вольфрам (0,015 К). Более высокие значения наблюдались в сплавах. Самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигнутой к 1986 г., обладал сплав NbjGe: 23 К (-250 °С). Долгое время, вплоть до середины 50-х годов, сверхпроводимость бьша совершенно непонятным явлением. Ее безуспешно пытались объяснить Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Лишь спустя двадцать лет после создания квантовой теории, в 1950г. В.Л.Гинзбургом и Л.Д.Ландау бьша создана феноменологическая теория перехода в сверхпроводящее состояние. Ее созданию помогло открытие П.Л. Капицей сверхтекучести гелия, которое подсказало трактовку сверхпроводимости как сверхтекучести электронной жидкости. Однако, поскольку свойство сверхтекучести присуще только бозе-системам, состоящим из частиц с целым спином, долгое время оставалось неясным, как возможна сверхтекучесть в электронной (фермионной) системе.

Еще семь лет спустя, в 1957 г., Бардиным, Купером и Шриффером бьша создана общепринятая сейчас микроскопическая теория сверхпро-

водимости - теория БКШ (Нобелевская премия 1972 г.). Согласно этой теории, часть обычно отталкивающихся друг от друга свободных электронов благодаря взаимодействию с фононами (квантами колебаний кристаллической решетки) образуют связанное состояние (так называемые куперовские пары ). Эти пары имеют целый спин и при охлаждении конденсируются , образуя сверхтекучую электронную жидкость. Сверхтекучесть позволяет конденсированным куперовским парам переносить электрический заряд без неупругих столкновений с кристаллической решеткой и оставшимися электронами, а значит и без диссипации энергии. В том же 1957 г. А. А. Абрикосовым бьш открыт новый класс сверхпроводников - так называемые сверхпроводники П рода, характеризующиеся отрицательным значением энергии границы нормальной и сверхпроводящих фаз. В отличие от ранее известных материалов (в основном чистых металлов, которые стали называться сверхпроводниками I рода), сверхпроводимость II рода допускает возможность проникновения магнитного поля в объем материала в виде квантов магнитного потока, так называемьгх вихрей Абрикосова, при сохранении нулевого электросопротивления. Из-за существенно более высоких критических значений магнитного поля все практически используемые сегодня сверхпроводящие материалы являются именно сверхпроводниками II рода.

В 1986 г. Беднорцем и Мюллером в исследовательском центре корпорации IBM у сложных соединений оксида меди Laj-BaCuO бьша обнаружена сверхпроводимость при необычно высокой температуре 30 К (-243 °С) (Нобелевская премия 1987 г.). Эти соединения бьши названы высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), а традиционные сверхпроводники стали именоваться низкотемпературными (НТСП). К 1993 г., исследовав множество близких соединений путем замены атомов лантана и бария другими, ученые нашли целый ряд сверхпроводящих материалов на основе оксидов меди, из которых самыми высокотемпературными оказались соединения с иттрием, барием и ртутью, такие как YBajCujCuOy., BijSrjCajCuOg.., Tl2Ba2Ca2Cu08+, Hg2Ba2Ca2Cu08+. Максимальная температура сверхпроводящего перехода в ВТСП на сегодняшний день достигает 135...160 К в зависимости от давления (рис. 8.16).

Одновременно явление сверхпроводимости при относительно высоких температурах бьшо обнаружено у органических веществ, в частности, фуллеренов. Сверхпроводимость в органических соединениях бьша открыта в 80-х годах в тетраметилтетраселенафульвалене Бекгаардовой соли