Настройка показателя преломления импеданса

May 09, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 15818 (2022) Цитировать эту статью

664 доступа

Подробности о метриках

Продемонстрировано независимое управление магнитными и электрическими свойствами двух- и трехкомпонентных ферритовых композитов путем изменения размера частиц и объемной доли ферритовых включений. Это открывает путь к созданию широкополосных композитов с согласованным импедансом и индивидуальными высокими значениями показателя преломления. Изготовлен двухкомпонентный композит, содержащий феррит NiZn в диэлектрической основе из ПТФЭ с примерно равными значениями относительной реальной диэлектрической и магнитной проницаемостей до 100 МГц. Показатель преломления композитов NiZn–ПТФЭ, измеренный на частоте 20 МГц, составляет 6,1 при объемной доле NiZn 50 об.%. и 6,9 для объемной доли NiZn 70% об. Аналогичным образом мы охарактеризовали трехчастный композит с показателем преломления примерно от 16 до 60 МГц. Трехкомпонентный композит состоит из ферритов NiZn и MnZn в диэлектрической матрице из ПТФЭ с процентным объемным соотношением 65%: 15%:20% соответственно.

Коммерчески доступные мягкие ферриты широко используются в телекоммуникационных и антенных системах благодаря их одновременно высокой активной части проницаемости и низким магнитным потерям в диапазоне частот МГц1. Высокая реальная часть проницаемости не только увеличивает показатель преломления композитных материалов, способствуя миниатюризации, но также увеличивает характеристический импеданс в сторону согласованного по импедансу случая Z \(=1.\). Хорошо известно, что частотная зависимость проницаемости уменьшается на более высоких частотах (ГГц) из-за релаксации доменной стенки и гиромагнитной релаксации: явление, которое описывается законом Снука2. С момента появления оригинальной статьи Снука в 1948 году было проведено множество исследований, распространяющих эту концепцию на тонкие магнитные пленки и композитные материалы3,4,5. Исходный закон не учитывает размер и форму магнитных частиц, если феррит измельчен в порошок и смешан с основным материалом. Размер и форма частиц, а также степень наполнения полученного композита предоставляют дополнительную свободу в настройке частотной зависимости магнитного отклика. Например, анизотропию формы магнитных включений можно увеличить, используя магнитные чешуйки, увеличивая частоту, на которой можно наблюдать сильный магнитный отклик6,7. Материалы с планарной кристаллической геометрией, такие как гексафарриты М-типа, обладают повышенной магнитокристаллической анизотропией, расширяющей частотный диапазон магнитных характеристик8. Конечно, эти же степени свободы также влияют на диэлектрический отклик (диэлектрическую проницаемость) композита. В этом исследовании мы показываем, что относительная диэлектрическая проницаемость (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) и проницаемость (\(\mu = \mu^{\prime } - i\mu^{\prime\prime}\)) композита зависит от размера частиц ферритовых включений. Если свойства магнитных частиц в композитах тщательно контролируются, можно получить материалы с высоким показателем преломления (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) с согласованным импедансом (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon) }\)) чтобы освободить место можно изготовить. Эти материалы с высоким показателем преломления и импедансом, соответствующим свободному пространству, важны для миниатюризации антенн.

Ферриты NiZn и MnZn являются магнитно «мягкими» из-за их низкой магнитной коэрцитивной силы, то есть они не сохраняют магнетизм после воздействия магнитного смещения. Общая химическая формула ферритов шпинели — MFe2O4, где «М» — двухвалентный металл. Кристаллическая структура шпинели с кубической плотной упаковкой металлических ионов, окруженных ионами кислорода, приводит к высокой магнитокристаллической анизотропии из-за упорядочения электронных спинов9. Исследования влияния размера частиц феррита и процентной объемной загрузки композитов на результирующую комплексную проницаемость композита на основе диэлектрика не новы. Например, Досудил и др.10 изготовили три набора композитных образцов, используя коммерчески доступные порошкообразные ферриты MnZn и NiZn в матрице из поливинилхлорида (ПВХ). В своей статье они исследуют влияние размера частиц на проницаемость, фиксируя объемную загрузку (65% по объему) ферритового порошка и соотношение MnZn:NiZn (80%: 20%). Наблюдалась типичная зависимость по закону Снука, характеризующаяся резонансным пиком мнимой составляющей проницаемости, который смещается в сторону более высоких частот с увеличением размера частиц. Реальная часть относительной проницаемости (\(\mu^{\prime }\)) на частоте 20 МГц увеличилась примерно с 16 (для частиц размером < 40 мкм) до примерно 20 (для частиц размером 80–250 мкм). Увеличение проницаемости с увеличением размера частиц связано с увеличением числа магнитных доменов внутри ферритовых частиц и будет обсуждаться позже.