Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других метал­лов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по хи­мическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свой­ствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпи­нели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле Ме Fe ₂ O ₄ , где под Ме пони­мают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалент­ных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представ­ляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа Ме Fe ₂ O ₄ , то есть 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Ки­слородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междоузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ио­нов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислород­ных междоузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели мо­жет быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 ок­таэдрических мест (позиции типа В).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а ка­тионы трехвалентного железа распределяются в междоузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междоузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде: (Мe ^{2 +} )[Fe ^{3 +} Fe ^{3 +} ]O ₄, где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных – ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнит­ных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (Zn Fe ₂ O ₄) и кадмия (Cd Fe ₂ O ₄). Как будет показано далее, ферриты со структурой нор­мальной шпинели являются немагнитными.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междоузлиям. Структура, в которой катионы Ме ^{2 +}находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде: (Fe ^{3 +} )[Me ^{2 +} Fe ^{3 +}]O ₄.

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых дру­гих элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распреде­лением катионов, когда и ионы Ме ^{2 +}, и ионы трехвалентного железа Fe ^{3 +} занимают пози­ции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточ­ному распределению катионов соответствует следующая структурная формула:

(Me ^{2 +} _{1 – X} Fe ^{3 +}_X )[Me ^{2 +}_X Fe ^{3 +}_{1 – X} ]O ₄ , где параметр X характеризует степень обращенно­сти шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения X, равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся дос­таточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказы­вается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не пе­рекрываются.