Brevet FR2610919A1 — publié le 19880819

La présente invention a pour objet un nouveau matériau ferrimagnétique à haute perméabilité à base de grenat substitué, sa préparation et son application. On sait que les matériaux ferrimagnétiques soht des substances dont les réseaux cristallins contiennent au moins deux sortes de sous-réseaux, les ions des sous-réseaux ayant, à l'état ordonné, des moments magnétiques de directions opposées mais de modules différents, de sorte que le moment magnétique résultant ntest pas nul. Ces substances ont donc des propriétés magnétiques. On sait par ailleurs que les matériaux magnétiques à haute perméabilité sont largement utilisés dans de nombreux domaines techniques, par exemple dans les têtes de lectures d'enregistrement magnétique, dans la transmission téléphonique, etc... Parmi les matériaux ferrimagnétiques à haute perméabilité, les plus utilisés sont actuellement les ferrites de manganèse-zinc, matériaux dont la mise au point a demandé plus de 20 ans. La présente invention a pour objet un nouveau matériau ferrimagnétique, à base de grenat du type YIG substitué, c'est-à-dire à base de grenat d'yttrium et de fer de formule Y3Fe5O12 caractérisé par le fait que le terbium est partiellement substitué à l'yttrium et que le scandium est partiellement substitué au fer. Cette double substitution conduit à un accroissement considérable de la perméabilité magnétique, avec une courbe caractéristique de la perméabilité en fonction de la température comparable à celle des meilleurs ferrites Mn-Zn, comme on le verra ci-après. On sait que le grenat YIG a une perméabilité initiale relativement faible, de l'ordre de 120 (à 300K, pour des grains de diamètre de 5 à 10pu). On a déjà décrit des dérivés de substitution du grenat YIG dans lesquels le scandium est partiellement substitué à l'yttrium, cette substitution apportant une augmentation notable de la perméabilité initiale à température ambiante. Toutefois, cette perméabilité atteint un niveau encore modeste puisqu'elle est inférieure à 2.000 ; voir J.R. CUNNINGHAM Jr., Journal of Applied Physics, Vol.36, n08 pp.2491-2496 (1965). Par ailleurs, l'article de K.P. BELOV et al., Sov. Phys.-JETB, Vol.41, n03 pp.590-596 (1975) a étudié des variations de l'anisotropie magnétique correspondant aux modifications de l'orientation des spins par rapport aux axes cristallins, dans des grenats du type YIG dans lesquels le terbium est partiellement substitué à l'yttrium. On a maintenant découvert qu'en réalisant dans les grenats YIG une double substitution à l'aide de scandium et de terbium, on obtient des matériaux ayant une perméabilité initiale très élevée, pouvant atteindre 104 environ. Ces résultats présentent un caractère surprenant. Il n'était pas évident qu'il serait possible d'incorporer dans le réseau cristallin déjà modifié par un substituant, un deuxième substituant sans apparition d'une autre phase. Par exemple, la substitution de l'yttrium par le lanthane ou du fer par l'indium n'est pas possible au-delà d'une concentration relativement faible : dans les deux cas, le matériau ne contient plus une seule phase cristalline, mais deux phases distinctes. Par ailleurs, on pouvait redouter que la double substitution imposée au réseau cristallin induise dans le cristal des contraintes mécaniques conduisant à des anisotropies magnétiques qui sont fonction à la fois de la magnétostriction et de la contrainte mécanique. Ces inconvénients étaient d'autant plus à redouter que, comme on le sait, dans les matériaux polycristallins apparaissent des contraintes et une magnétostriction propres au polycristal global. Autrement dit, même s'il était connu que la substitution de l'yttrium par le terbium seul permettait l'annulation de la constante d'anisotropie K1 à une certaine température par compensation entre l'anisotropie négative des ions fer et l'anisotropie positive, à basse température, des ions terbium, il n'était pas du tout évident qu'à la même température, la magnétostriction serait voisine de zéro, cette double condition étant nécessaire pour obtenir une perméabilité très élevée. La présente invention a en particulier pour objet un matériau ferrimagnétique à haute perméabilité, à base de grenat substitué, caractérisé par le fait que, les adjuvants éventuels et/ou impuretés mis à part, il répond à la formule I 3-x Tbx Feg,y Scy 012 (I) y dans laquelle x est un nombre supérieur ou égal à 0,02 et inférieur ou égal à 2,3, et y est un nombre supérieur ou égal à 0,1 et inférieur ou égal à 1,9. Les adjuvants (généralement des oxydes métalliques), éventuellement présents et les éventuelles impuretés représentent ensemble une concentration, exprimée en atomes de métal par formule unité (formule I), au plus égale à 0,01 environ. Les matériaux de l'invention sont caractérisés par le fait qu'ils présentent deux températures de transition magnétique, la première (la plus faible) correspondant à l'annulation de la constante d'anisotropie K1, et la seconde correspondant à la température de Curie. C'est entre ces deux températures que se situe la zone de haute perméabilité et l'on conçoit que le choix des concentrations en ions terbium et en ions scandium permettra de faire varier ces deux températures critiques. Les matériaux de l'invention constituent donc les premiers grenats ferrimagnétiques présentant une perméabilité magnétique très élevée dans toute une gamme de températures. Les matériaux de formule I peuvent être polycristallins ou monocristallins. Parmi les matériaux de formule I, on citera en particulier ceux pour lesquels y est au moins égal à 0,4. Dans un composé de formule I, x étant donné (ou respectivement y étant donné) on détermine aisément les variations possibles de y (ou de x respectivement) par de simples expériences de routine. Par exemple, y étant donné, x peut varier à la seule condition que la température d'annulation de l'anisotropie ne soit pas supérieure à la température de Curie de la composition considérée. Inversement, x étant donné, y peut varier à la seule condition que la température de Curie de la composition ne soit pas inférieure à la température d'annulation de l'anisotropie. L'invention a également pour objet un procédé de préparation des matériaux ferrimagnétiques tels que définis ci-dessus. Ce procédé est caractérisé par le fait : a) que soit l'on mélange les oxydes d'yttrium, de terbium, de fer et de scandium dans les proportions voulues, broie le mélange jusqu'à obtention d'une granulométrie de l'ordre de 0,3 à 3pm environ, que l'on compacte la poudre obtenue sous la forme désirée par application d'une pression convenable, puis que l'on soumet la poudre compactée à un frittage à une température de 1.350 à 1.5000C, pour obtenir un matériau polycristallin ou b) que soit lton mélange les oxydes décrits ci-dessus en a), avec un fondant selon les techniques connues, qu'on les chauffe jusqu'à la fusion, puis que l'on effectue un refroidissement lent pour obtenir un matériau sous forme de monocristaux. La pression appliquée pour le compactage de la poudre est par exemple de 1 à 10 tonnes/cm2 environ. Le matériau polycristallin est préparé notamment sous forme de tores. Les oxydes de départ sont par exemple Y203, Tub407, Fe203 et Suc 203. On sait que pour les matériaux magnétiques polycristallins, la perméabilité croit avec les dimensions des grains. Les diamètres de grain du matériau de l'invention sont de préférence supérieurs à 10pu, et sont généralement inférieurs à 100pu. Le temps et la température de frittage doivent être suffisants pour atteindre les dimensions de grain souhaitées, et peuvent être aisément déterminés dans chaque cas par des expériences de routine. Le temps de frittage est au moins égal à 24 heures et compris de préférence entre 40 et 100 heures environ. Les temps de montée et de descente en température dans le procédé a) sont par exemple de l'ordre de 10 à 30 heures. On effectue de préférence le frittage en atmosphère oxydante (par exemple mélange d'air et d'oxygène). Les matériaux polycristallins, de structuregrenat, obtenus ont une porosité très faible, de l'ordre de 0,01. Le procédé de préparation du matériau sous forme de monocristaux peut être mis en oeuvre selon les techniques connues ; voir pdr exemple J.W.NIELSEN, J. Appl. Phys., 31, 51 S (1960). Le fondant est par exemple l'oxyde de plomb. La fusion est obtenue généralement à une température de 1350 à 15000C environ. Le refroidissement lent est effectué par exemple à raison de 1 à 20C par heure. Les matériaux ferrimagnétiques à haute perméabilité de l'invention peuvent hêtre utilisés dans de nombreux domaines de l'électronique, par exemple, dans le domaine des ordinateurs, pour la réalisation de transformateurs d'impulsions à faible distorsion et faible encombrement ; dans le domaine de l'enregistrement magnétique pour la réalisation de tête d'enregistrement vidéo et la lecture de signaux ; dans le domaine des télécommunications pour la réalisation de transformateurs à large bande de fréquences , dans le domaine de la téléphonie, pour la réalisation de noyaux inducteurs dans les systèmes de transmissions téléphoniques ; et aussi dans le domaine des hyperfréquences où la haute perméabilité et la faible conductivité permettent l'obtention de faibles largeurs de raies. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un matériau ferrimagnétique à haute perméabilité, tel que défini ci-dessus, conrme matériau magnétique doux. Les diverses applications où un matériau magnétique doux est utilisé sont connues et ont été rappelées ci-dessus. Par rapport aux ferrites manganèse-zinc, les matériaux de l'invention présentent l'avantage d'être de meilleurs isolants. Il ne s'y produit donc que de très faibles courants d'induction, ce qui est intéressant notamment pour les applications dans les champs de haute fréquence. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE 1 : Réalisation d'un tore en matériau polycristallin de formule Y2 > 6 Tub0,4 Fe4,25 Suc0,75 012. On mélange les oxydes commerciaux Y203, Tb407, Fe203 et Sc203 dans les proportions indiquées. Ces oxydes sont broyés avec une meule diamantée jusqu'à obtention d'une granulométrie de l'ordre de lpm. Les oxydes mélangés et broyés sont ensuite compactés sous pression afin de mettre la poudre sous la forme d'un tore à section rectangulaire. La pression utilisée est d'environ 10 tonnes/cm2. Le tore ainsi préparé a été fritté à une température de 15000C pendant 48 heures, avec des durées de montée et de descente en température de l'ordre de 30 heures. Après frittage, on a obtenu un tore polycristallin ayant la composition indiquée, de porosité de l'ordre de 0,01, les diamètre de grains étant de l'ordre de 20 à 40 m. Dimensions du tore - Diamètre extérieur : 14,4 mm Ç - Diamètre intérieur : 4,4 mm - Epaisseur : 3,9 mm Mesure de la perméabilité magnétique La perméabilité magnétique initiale a été mesurée par la méthode du pont de self-inductance, basée sur la mesure de la self d'un bobinage dont le noyau est le tore à mesurer. - Nombre de spires : 4 - Fréquence : 1 KHz - Courant : de l'ordre de 0,5 mA Les mesures de perméabilité ont été effectuées dans un cryostat à diverses températures. Les résultats obtenus en fonction de la température sont représentés par la courbe 1 de la figure unique annexée, sur laquelle est portée en ordonnée (échelle logarithmique) la perméabilité, en en abscisse la température. On a représenté en outre, en traits interrompus (courbe 2) les résultats obtenus avec un monocristal de structure spinelle de composition Mono 42 Zon, 44 Fie2,14 4 (référence D. STOPPELS, Philips, Eindhoven, J. Appl. Phys. 52 p.2433 (1981)). EXEMPLE 2 : Réalisation d'un tore en matériau polycristallin de formule Y2 20 Tub0,80 Fe4 > 15 SC0,85 012. On mélange les oxydes commerciaux Y203, Tb407, Fe203 et Sc203 dans les proportions indiquées. Ces oxydes sont broyés avec une meule diamantée jusqutà obtention d'une granulométrie de l'ordre de lpm. Les oxydes mélangés et broyés sont ensuite compactés sous pression afin de mettre la poudre sous la forme d'un tore de section rectangulaire. La pression utilisée est d'environ 4 tonnes/cm. Le tore ainsi préparé a été fritté à une température de 14500C pendant 100 heures, avec des durées de montée et de descente en température de l'ordre de 30 heures. Après frittage, on a obtenu un tore polycristallin ayant la composition indiquée, de porosité de l'ordre de 0,01, les diamètre de grains étant de l'ordre de 15 à 30pu. Dimensions du tore - Diamètre extérieur : 13,4 mm - Diamètre intérieur : 4,0 mm - Epaisseur : 5,3 mm Mesure de la perméabilité magnétique La perméabilité magnétique initiale a été mesurée par la méthode du pont de self-inductance, basée sur la mesure de la self d'un bobinage dont Le noyau est le tore à mesurer. - Nombre de spires : 4 - Fréquence : 1 KHz - Courant : de l'ordre de 0,5 mA Les mesures de perméabilité ont été effectuées dans un cryostat à diverses températures. Les résultats obtenus en fonction de la température sont représentés sur la figure unique annexée (courbe 3). REVENDICATIONS 1. Matériau ferrimagnétique à haute perméabilité, à base de grenat d'yttrium et de fer de formule Y3 Fe5 012 > substitué, caractérisé par le fait que dans ladite formule, le terbium est partiellement substitué à yttrium et le scandium est partiellement substitué au fer. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, les adjuvants éventuels et/ou impuretés mis à part, il répond à la formule Y 3-x Tb Fe Sc 0 x 5-y y 12 dans laquelle x est un nombre supérieur ou égal à 0,02 et inférieur ou égal à 2,3, et y est un nombre supérieur ou égal à 0,1 et inférieur ou égal à 1,9. 3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé par le fait que y est au moins égal à 0,4. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les adjuvants et/ou impuretés (oxydes métalliques) éventuels représentent ensemble une concentration, exprimée en atomes de métal par formule unité (formule I), au plus égale à 0,01 environ. 5. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il se présente sous la forme d'un agrégat polycristallin. 6. Matériau selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les diamètres de grains sont supérieurs à 10pm environ. 7. Matériau selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il se présente sous la forme d'un tore. 8. Matériau selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé par le fait qu'il se présente sous la forme d'un monocristal. 9. Procédé de préparation d'un matériau tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait a) que soit l'on mélange les oxydes d'yttrium, de terbium, de fer et de scandium dans les proportions voulues, broie le mélange jusqu'à obtention d'une granulométrie de l'ordre de 0,3 à 3pm environ, que l'on compacte la poudre obtenue sous la forme désirée en la soumettant à une pression convenable, puis que l'on soumet la poudre compactée à un frittage à une température de 1.350 à 1.5000C, pour obtenir un matériau polycristallin ; ou b) que soit l'on mélange les oxydes décrits ci-dessus en a), avec un fondant selon les techniques connues, qu'on les chauffe jusqu'à la fusion, puis que l'on effectue un refroidissement lent pour obtenir un matériau sous forme de monocristaux. 10. Utilisation d'un matériau tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 8, comme matériau magnétique doux.