Ученые выяснили, как улучшить свойства ферритовых материалов для СВЧ-устройств

Исследование ведется при поддержке федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети» и направлено на получение результатов, обеспечивающих технологическое лидерство России в рамках реализации национального проекта «Новые материалы и химия». Результаты опубликованы в Journal of Alloys and Compounds (Q1, IF: 6.3).

По словам ученых, незамещенный литиевый феррит — это магнитомягкий материал, обладающий свойствами — высокой намагниченностью и температурой Кюри (около 630 °C), низкой коэрцитивной силой, делающими его привлекательным для использования в электронике и радиоволновой технике.

Для получения литиевых ферритов используются различные методы. Например, для получения наноразмерных ферритовых порошков при низких температурах применяют химические методы. А для изготовления плотных ферритовых изделий применяют доступный керамический метод, который включает в себя предварительный синтез ферритовых порошков из оксидов и карбонатов и спекание ферритовой керамики при температурах выше 1000 °C.

«Существенный недостаток литиевого феррита — его относительно низкое удельное электрическое сопротивление в плотноспеченных образцах, что приводит к большим диэлектрическим потерям на высоких частотах. Для решения этой проблемы существуют разные подходы, среди которых замещение ионов железа, входящих в решетку литиевого феррита, другими катионами. При этом температура Кюри феррита, определяющая термическую стабильность его свойств на высоких частотах, падает. Например, феррит LiTiZnMn, используемый для СВЧ-устройств в качестве фазовращателя, имеет температуру Кюри около 300 С, что значительно ниже, чем у незамещенного литиевого феррита. Поэтому существует проблема, связанная с необходимостью получения термически стабильных магнитомягких ферритов с особыми свойствами для сверхвысоких частот. Мы обнаружили, что добавление редкоземельных элементов (РЗЭ) при получении литиевого феррита значительно улучшает его электрические свойства» — говорит заведующая Проблемной научно-исследовательской лабораторией электроники диэлектриков и полупроводников Елена Лысенко.

При этом влияние редкоземельных элементов на свойства ферритов существенно зависит от способа изготовления материалов. Так, образцы ферритов с добавлением редкоземельных элементов, полученные химическими методами, имеют, как правило, замещенную однофазную структуру. В то время как, ферриты с РЗЭ, изготовленные широко распространенным твердофазным методом, могут иметь композитную структуру, в которой вторичная фаза на основе РЗЭ способствует формированию определенных свойств ферритов.

«В нашей работе изучено влияние добавки гадолиния (Gd3+) различной концентрации на микроструктуру и электромагнитные свойства литиевого феррита. Для получения образцов по традиционной керамической технологии использовались оксид железа, карбонат лития и оксид гадолиния. На первом этапе проводился твердофазный синтез при температуре 900 °C для получения ферритизованных порошков. На втором этапе образцы спекались при более высоких температурах — 1100 и 1150 °C — для получения плотной керамики. Затем полученные композитные материалы Li0.5Fe2.5O4Gd3Fe5O12 исследовались с помощью рентгенофазового анализа, термогравиметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, а также с помощью измерений электрических и магнитных характеристик», — добавляет ученый.

Установлено, что повышение температуры спекания улучшает структурные характеристики материала только при небольших добавках РЗЭ, тогда как увеличение содержания РЗЭ приводит к снижению магнитной проницаемости и намагниченности насыщения за счет уменьшения концентрации магнитной фазы литиевого феррита.

«Полученные результаты показали, что композитные образцы с низкими концентрациями РЗЭ характеризуются достаточно высокими значениями удельной намагниченности и начальной магнитной проницаемости. При этом существенное увеличение удельного электросопротивления (на несколько порядков) таких образцов обеспечило меньшие диэлектрические потери в широком диапазоне частот. Таким образом, введение малых концентраций РЗЭ способствует формированию магнитного композита на основе незамещенного литиевого феррита с высокой температурой Кюри (630 °C) и пониженными диэлектрическими потерями. Полученный результат представляет интерес для использования таких термически-стабильных композитов в СВЧ-устройствах, работающих при повышенных температурах», — подытоживает исследователь.

В исследовании принимали участие сотрудники Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ.