Sn、Zr掺杂YIG的制备及其磁性能的研究文献综述
2020-04-10 16:29:22
1.1 YIG材料的简介
1.1.1 YIG材料的应用
YIG微波铁氧体材料，因其在微波频段内具有较低的介电损耗和较窄的共振线宽而广泛应用于隔离器、环形器、移相器 、雷达、微波通讯、导弹、人造卫星、微波加热及医疗设备等。其应用分类如表1-1所示
表1-1 微波铁氧体的应用分类[1]
Table 1-1The sorts of the application of microwave ferrites
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种类 |
名称 |
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隔离器 |
法拉第旋转式、场移式、谐振式、边导模式、环行器式、矩形波导-同轴转换式、脊波导式、超薄 式微带隔离器 |
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环形器 |
四端差相移环行器、波导结式、带线结式、结形锁式、矩形波导-同轴结式、脊波导式、超薄片式微带环行器 |
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移相器 |
模拟式、闭锁式、数字式、双模互易式、多极化式 |
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开关 |
同轴转换式、截止式、法拉第旋转式、锁式差相移式、锁式结环行器式 |
YIG材料的应用不仅仅局限于微波介质陶瓷，由于它还具有良好的磁光效应，即在外磁场作用下，电磁特性会发生变化，从而使光波在其内部的传输特性也发生变化的效应。其中人们最熟悉的，亦最有用的效应是法拉第效应和克尔效应。因此YIG材料也可以用作磁光材料。
利用磁光器件的磁光效应可以做出光隔离器（或称单向器）、磁光传感器（如磁光电流测试仪）、磁光调制器、环形器、相移器、磁光开关、磁光存储器等等[2-4]。
1.1.2 窄线宽YIG材料的研究进展
作为微波材料，YIG材料具有非常窄的共振线宽（ΔH），这使得它在旋磁材料领域获得了越来越广泛的重视和应用。这是由于，铁磁共振线宽的大小决定了材料由铁磁共振产生的损耗的大小。铁磁共振线宽越窄，损耗越小。
对于YIG材料，其铁磁共振线宽可以由式1-1,1-2,1-3进行判断[5]。
（1-1）
（1-2）
（1-3）
因此可通过非磁性离子取代磁性离子使磁晶各向异性常数K1降低，或者减少气孔以提高致密度，从而降低ΔH。
YIG可以与其它稀土元素制成不同成分的复合石榴石铁氧体，适当控制成分可使△H在很大范围内变动，而饱和磁化强度4πMs基本保持不变。另外，以YIG为基础的稀土复合材料，其4πMs可以降到很低，而居里温度Tc则仍然可保持在合理的高度。适当控制复合材料的成分，可以利用其补偿点而获得很高的4πMs温度稳定性。以YIG为基础的稀土复合材料磁损耗和介电损耗都很小，在纳米尺度具有透光特性[6]。
许启明[7]等通过低温烧结 Sn掺杂 Bi-CVG 铁氧体材料，并讨论了其微结构及磁性能。在 1075℃烧结后获得性能更加优良的 [Bi0.75Y0.65Ca1.6](Fe4.0Sn0.4V0.6)O12石榴石铁氧体材料，其性能为： R.D=98.49%，Hc=152.3A/m，4πMs=711.3#215;10-4T，ΔH=2.1 kA/m。
他们[8]制备的{Y0.2Gd2.1Ca0.7}[Fe1.3Sn0.7](Fe3)O12在1100℃下预烧，1350℃下烧结，材料具有良好的温度稳定性，且Ms=75#215;10#8722;4T，ΔH=1.1kA/m。
Huang Yinyin等[9]用传统陶瓷氧化物法在1350℃的温度下烧结了Zrx：YCaVIG，对于性能最好的Y2.6-xCa0.4 xZrxV0.2Fe4.8-xO12，性能如下：εr=14.8，tanδε=1.35#215;10#8722;3，4πMs=1638#215;10#8722;4T，Br=596#215;10#8722;4T，Hc=59.68A/m，ΔH=5.25kA/m。
根据网上所查的金属氧化物粉体的报价，SnO2的价格在8万元/吨左右，ZrO2的价格在4万元/吨左右，V2O5的价格在8万元/吨左右，而Gd2O3的价格在15万元/吨左右。可见，如果想降低成本，尽管可以大幅度提高性能，但是引入Gd元素不大合适。而引入掺入Zr元素则是比较好的选择。
通过对上述研究情况的分析，Zr、V共掺后所得的YIG的ΔH性能远远不如Sn、V共掺所得的，而此种差异的来源尚不明确。因此，可以尝试采用Zr、Sn共掺，并通过中心复合响应曲面实验设计确定这两种元素对YIG的ΔH性能影响的能力的强弱。
1.2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法(Sol-Gel 法，简称S-G法)是一种条件温和的材料制备方法，是以无机物或金属醇盐作前驱体，在液相将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶-凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
1.2.1 Sol-Gel法的基本原理
Sol-Gel法的基本反应步骤如下：
(1)、溶剂化：金属阳离子Mz 吸引水分子形成溶剂单元M(H2O) nz ，为保持其配位数，具有强烈释放H 的趋势。
(2)、水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n与水反应。
(3)、缩聚反应：按其所脱去分子种类，可分为失水缩聚和失醇缩聚两类。
Sol-Gel法应用的关键是溶胶制备，溶胶的质量直接影响到最终所得材料的好坏，而制备满足要求的溶胶成为研究的重点，近年的研究来主要集中在如下几个方面：(1)、加水量的控制[10]，(2)、催化剂的使用[11]，(3)、溶胶浓度的控制[12]，(4)、反应温度[13]尤其是水解温度[14]的控制，(5)、络合剂的使用，(6)、电解质的含量，(7)、高分子化合物的使用。
1.2.2 当前Sol-Gel的研究应用
溶胶-凝胶法制备得到的薄膜[15,16]具有多孔性并带有一定极性，此性能使薄膜非常容易从使用环境中吸收水份。当膜层中的空气被水汽所替代，膜层的孔隙率下降，膜层的折射率将增大而透过率会急剧下降。
溶胶-凝胶自燃烧法合成纳米氧化物已经较为普遍[17-19]。Jiang Yuwen等[20]提出将溶胶-凝胶法和自燃烧结合合成金属单质和合金。
溶胶-凝胶法可以在低温下合成化学组分可控、颗粒细小、粒度均匀的堇青石前驱体[21]，在较低温度下煅烧便可转变为堇青石，可有效降低其致密化烧结温度[22,23]。另外，加入回流后，还可以防止组分内气体挥发。
溶胶-凝胶法是制备纳米粉体的一种有效方法。栾伟玲等人[24]分别采用了溶胶-凝胶法和溶胶-沉淀法合成了BaTiO3纳米粉体，结果表明，采用溶胶-凝胶法制备的粉体的煅烧温度为600℃，平均粒径为19nm，颗粒均匀分布；而采用溶胶-沉淀法制得的粉体的煅烧温度为800℃，平均粒径为42nm，存在部分团聚。同时，他们还指出，采用溶胶-凝胶法制备的粉体具有更好的烧结活性，烧结密度较高，介电性能较好。
溶胶-凝胶技术在当前已经取得了很大的进步，其应用范围应用领域还在不断地扩大。而本实验中YIG的粉体制备也可以使用溶胶-凝胶的方法。
1.3 选题的目的、意义和主要研究内容
本课题主要研究Sn、Zr掺杂对YIG铁磁共振线宽性能的影响情况，其意义如下：
1、可以降低YIG的磁性损耗；
2、可以用廉价的Zr、Sn元素替代稀土元素，降低生产成本；
本实验采用溶胶-凝胶法制备Sn、Zr共掺杂的YIG粉体，旨在确定其制备条件，并比较不同方法对其粒径以及磁性能的影响。
本实验主要研究以下内容：
1、通过溶胶-凝胶法制备Sn: YIG粉料，研究pH和煅烧温度对其性能的影响；
2、以步骤1中获得的最佳合成条件作为合成方法，制备Sn、Zr共掺YIG粉料，研究Sn、Zr掺入量对其磁性能的影响；
3、通过步骤2进一步研究Sn、Zr单一作用和共同作用对YIG磁性能影响的强弱，找出对其性能影响最大的因素；
参考文献
[1] 洪向东. 低温烧结制备微波YIG铁氧体及其性能研究.[D]. 2008
[2] 秋艳鹏. 低维Bi-YIG磁光材料的制备及研究.[D]. 2007
[3] 黄敏, 张守业, 赵渭忠等. 稀土铁石榴石磁光材料及其应用.[J]. 材料科学与工程, 1996(04): 18-22.
[4] 张宇峰. 稀土铁石榴石薄膜的制备及磁光性能测试.[D]. 2005
[5] 韩志全, 任仕晶. 石榴石的铁磁共振线宽△H, 有效线宽△Heff 及自旋波线宽△Hk [J]. 磁性材料及器件, 2009, 40(004): 6-11.
[6] 徐海涛. 掺杂稀土石榴石型铁氧体纳米材料磁性能研究及应用[D]. 吉林大学,2008.
[7] Xu, Q.M., N. Li, W.B. Liu, etc. Effects of Sn-substitution on the microstructure and magnetic properties of Bi-CVG ferrite with low temperature sintering.[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(13): 4617-4621.
[8] 洪向东, 许启明, 郝利军. 掺Gd3 、Sn4 的YIG微波铁氧体高功率特性.[J]. 材料科学与工程学报, 2008(03): 446-448.
[9] Huang, Y.Y., J. Yang, T. Qiu, etc. Effects of Zr-substitution on microstructure and properties of YCaVIG ferrites. [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2012, 324(6): 934-938.
[10] Scherfl T.,Fischer R.,Fidler J.etc., 2-Dimensional and 3-Dimensional valculation of remanence enhancement of rare-earth based composite magnets (Invited).[J]. Journal of Applied Physics,1994,76:7053-7058
[11] 李彬. 溶胶-凝胶法合成发光玻璃陶瓷材料的研究.[J]. 硅酸盐学报. 1990, 18(5): 414-421
[12] 张志波. 用溶胶-凝胶法制备SiO2薄膜.[J]. 无机材料学报，1993, 8(1); 125-128
[13] 丁子上, 翁文剑, 杨娟. 化学络合法在溶胶-凝胶过程中的应用[J]. 硅酸盐学报. 1995, 23(5); 571-579
[14] 陶洪亮, 余桂郁. Sol-gel工艺制无支撑γ-Al2O3分离膜.[J]. 硅酸盐通报，1994, (1):26
[15] Motos M.C., Carvalho A.M., Almeida R.M., etc. Influence of processing parameters on the thickness of sol-gel silica films.[J]. Proc SPIE.1992, 1758: 77#8211;82.
[16] Crawford L J, Edmonds N R. Calculation of film thickness for dip coated antireflective films.[J]. Thin Solid films. 2006, 515(3):907#8211;910.
[17] Yang W, Qi Y.L., Ma Y.J., etc. Synthesis of Nd2O3 nanopowders by sol-gel auto-combustion and their catalytic esterification activity[J]. Materials Chemistry and Physics. 2004, 8(4): 52-57.
[18] Maxim V.K., Quentin A.P., Ivan P.P. Self propagating high-temperature synthesis of chromium substituted magnesium Zinc ferrites Mg0.5Zn0.5Fe2-xCrxO4 (0≤x≤1.5) [J]. Journal of Materials Chemistry. 1998(8):2071-2706
[19]Alexander G.M. The chemistry of self-propagating high-tempera-ture synthesis[J]. Journal of Materials Chemistry. 2004, 14(12): 1779-1786.
[20]Jiang Yuwen, Yang Shaoguang, Hua Zhenghe,etc. Sol-gel autocombustion synthesis of metals and metal alloys[J]. Angewandte Chemie. 2009, 121(45): 8681-8683.
[21]任书霞，杨丹. 溶胶-凝胶法在纳米粉体制备中的应用[J]. 中国粉体技术. 2006, 12(1): 48-50.
[22]Okuyama M, Fukui T, Sakurai C. Phase transformation and mechanical properties of B2O-doped cordierite derived from complex-alkoxide[J]. Journal of Materials Science. 1993, 28(16)4465-4470.
[23]谢志勇, 梁辉, 徐明霞等. 溶胶-凝胶法制备堇青石粉体的固相反应过程和烧结性的研究[J]. 无机材料学报. 2004, 19(4):779-783.
[24]牛淑云, 傅晓燕, 玉占君等. 络合溶胶-凝胶法制备纳米级Y2O3(Eu,Dy)发光体[J]. 辽宁师范大学学报. 2003, 26(3):272-274.
1.1 YIG材料的简介
1.1.1 YIG材料的应用
YIG微波铁氧体材料，因其在微波频段内具有较低的介电损耗和较窄的共振线宽而广泛应用于隔离器、环形器、移相器 、雷达、微波通讯、导弹、人造卫星、微波加热及医疗设备等。其应用分类如表1-1所示
表1-1 微波铁氧体的应用分类[1]
Table 1-1The sorts of the application of microwave ferrites
