Ферриты (лат. ferrum - железо) - общее название сложных окислов, содержащих железо и др. элементы.
Большинство Ф. является ферримагнетиками (см. также Антиферромагнетик,
Слабый ферромагнетизм)и проявляет полупроводниковые или диэлектрич. свойства
(см. Магнитные диэлектрики).
В состав Ф. входят анионы
кислорода О2-, образующие остов их кристаллич. решётки, в промежутках
между анионами О2- располагаются катионы Fe3+ и катионы
переходных металлов. Наиб. хорошо изучены свойства Ф--шпинелей, Ф--гранатов,
ортоферритов и гексаферри-тов, различающихся по своей кристаллографич. и магнитной
атомной структуре.
К Ф. также относятся Ф.-
г а у с м а н и т ы (Мn2О3), л ит и е в ы е Ф. со структурой
NaCl, Ф. Са и Ва с орторомбич. структурой.
Ф--ш п и н е л и обладают
кристаллич. структурой шпинели благородной MgAl2O4 и имеют
общую ф-лу MeOFe2O3, где Me - двухвалентный металл (Ni,
Co, Fe, Мn и др.). К ним относятся также многочисл. смешанные Ф. состава
где сумма валентностей Me и Me' равняется 4.
Идеальную кристаллич. решётку
шпинели можно рассматривать как одну из кубич. плотных упаковок (рис. 1).
Рис. 1. Кристаллическая
структура ферритов-шпинелей: а - схематическое изображение элементарной
ячейки шпинельной структуры, разделённой на 8 октантов; б- расположение
ионов в смежных октантах ячейки; белые кружки
- анионы О2-, образующие остов решётки, чёрные
- катионы в октаэдрических и тетраэдрических позициях;
в-катион в тетраэдрическом окружении; г-катион
в октаэдрическом окружении.
Элементарная ячейка представляет
собой куб, образуемый 8 молекулами, и состоит из 32 анионов. Вакантные узлы,
занимаемые катионами, по структуре ближайшего окружения подразделяются на 64
тетраэдрич. (А)и 32 октаэдрич. (В)позиции. Различают н о р м
а л ь н ы е, о б р а щ ё н н ы е и с м е ш а н н ы е Ф--шпинели. В нормальных
шпинелях (ZnFe2O4, CdFe2O4) узлы
В заняты ионами трёхвалентного металла. В обращённых шпинелях все катионы
Me находятся в В-местах, а трёхвалентные (Fe) распределены поровну
между А- и B-местами. В смешанных Ф. порядок распределения катионов
произволен.
Ф. со структурой нормальной
шпинели оказываются антиферромагнитными, а со структурой обращённой шпинели-
ферримагнитными. Обменные взаимодействия между катионами осуществляются косвенным
образом (см. Косвенное обменное взаимодействие)и, как правило, являются
отрицательными. Наиб. сильными обычно являются обменные взаимодействия между
катионами, находящимися в позициях с разл. кристаллографич. окружением.
В частично или полностью
обращённых шпинелях катионы, находящиеся в узлах А и B, образуют
две магнитные подрешётки (строго говоря, ионы Me и Fe3+ в
узлах А также образуют две подрешётки, магн. моменты к-рых ориентированы
параллельно друг другу); намагниченности подрешёток А и В направлены
в противоположные стороны, поэтому результирующая намагниченность обращённых
шпинелей определяется магн. моментами двухвалентных ионов.
Ф.- г р а н а т ы имеют
общую хим. ф-лу Me3Fe5O12, где Me-трёхвалентный
4f-ион либо Y, Bi, Са и др. Кристал-лич. структура Ф--гранатов очень
сложна и изоморфна структуре природного минерала граната CaAl3(SiO)4.
В элементарную ячейку, представляющую собой куб, входят 8 формульных единиц.
По структуре ближайшего окружения наряду с тетраэдрич. (d)и октаэдрич.
(а)местами существуют додекаэдрич. (с) места, занимаемые Ме-ионами и
окружённые 8 анионами О2-. Из 40 ионов Fe3+ , находящихся
в элемент. ячейке, 24 иона занимают d-места и 16 ионов - а-места.
Ниже Кюри точки, к-рая для всех Ф--гранатов лежит в пределах
в них возникает ферримагнетизм. Магн. структура Ф--гранатов состоит из 20 d-
и 12 f-магн. подрешёток. Как и в Ф--шпинелях, наиб. сильным является
косвенное обменное взаимодействие между ионами Fe3 + в
а- и d-местах, в значит, степени определяющее значение точки Кюри.
В полях до 102 Тл все железные подрешётки можно рассматривать как
одну с результирующим магн. моментом, равным разности магн. моментов d-подрешёток.
Магн. моменты f-подрешёток ориентированы антипараллельно результирующему
магн. моменту d-подрешёток и образуют зонтичную структуру (кроме Ф--граната
Gd) (см. рис. 4 к ст. Ферримагнетизм ).Все Ф--гранаты, содержащие тяжёлые
редкоземельные ионы, имеют точку магн. компенсации, по достижении к-рой результирующая
намагниченность равна нулю. В них наблюдаются спонтанные и индуцированные внеш.
магн. полем спин-переориентационные переходы (см. Магнитный фазовый переход).
О р т о ф е р р и т ы обладают
кристаллич. структурой пе-ровскита СаТiO3. Среди большого ряда ортоферритов
выделяются редкоземельные ортоферриты, ортохромиты и т.д. состава RMeO3,
где R - Tb, Dy и т.д., Me - Fe, Cr, Аl. Элементарная ячейка ортоферрита включает
в себя 4 формульные единицы (рис. 2). При не очень низких темп-pax в ортоферритах
упорядочиваются только магн. моменты ионов Fe и они являются антиферромагнетиками
со слабым ферромагнетизмом. При очень низких (порядка неск. К) темп-pax ортоферриты
становятся ферримагнети-ками. В них наблюдаются спонтанные ориентаиионные
фазовые переходы (изменение ориентации оси антиферромагнетизма), существует
точка магн. компенсации слабых ферромагн. моментов и т.д.
Г е к с а ф е р р и т а
м и наз. соединения типа BaFe12O19, Ba2Me2Fe12O22,
BaMe2Fe16O27 и др., где ионы Ва могут замещаться
ионами Са, Rb, Sr. Элементарная ячейка гексаферритов состоит из шпинельных блоков,
не содержащих Ва, разделённых блоками гексагональной структуры, имеющими эти
ионы. В гексаферритах наблюдаются разл. типы магн. атомной структуры: существуют
одноосные и легкоплоскостные гексаферриты, а также гексаферриты, обладающие
конич. поверхностью лёгкого намагничивания.
Рис. 2. Элементарная
ячейка редкоземельных ортоферритов:
белые кружки-анионы О2-, чёрные - катионы
железа, заштрихованные-катионы редкоземельных
металлов. Показана структура ближайшего
окружения катионов железа.
Ф. в качестве магнитных
материалов широко применяются в технике, особенно в радиотехнике и радиоэлектронике
- в антеннах, сердечниках радиочастотных контуров, в СВЧ-технике (вентили и
циркуляторы). Большинство Ф--шпинелей, Ф--гранат иттрия (железо-иттриевый гранат,
ЖИГ) и нек-рые гексаферриты используются как магнитно-мягкие материалы .Отд.
гексаферриты обладают значит. коэрцитивной силой и применяются для изготовления
пост. магнитов.
Многие Ф--гранаты обладают рядом уникальных свойств; напр., в ЖИГ ширина линии магнитного резонанса составляет величину порядка 10-2 Тл, так что добротность резонатора может достигать неск. тысяч. Эпитакси-альные плёнки Ф--гранатов являются одним из лучших материалов для устройств с цилиндрическими магнитными доменами; нек-рые из них прозрачны и имеют большой угол фарадеевского вращения (см. Магнитооптика ).При низких темп-pax Ф--гранаты обладают большой магнитной анизотропией, обусловленной редкоземельными ионами, и значит. магнитострикцией; в них удаётся возбудить бегущие спиновые волны и наблюдать рассеяние света на спиновых волнах.