Ferriitmaterjal

Ferriitmaterjal või ferriit on keraamiline materjal, mis koosneb mitmest siirdemetalli oksiidist (tavaliselt sisaldab ka Fe₂O₃). Ferriite iseloomustab madal elektrijuhtivus, mis on omane elektrilistele isolaatoritele. Enamik ferriitmaterjale on ferrimagneetikud ehk omavad mingist kriitilisest temperatuurist TC allpool spontaanset magneetumust. Ferrimagneetikute spontaanne magneetumus on tingitud sellest, et materjali kristallstruktuur koosneb vastandlike magnetmomentidega alamvõredest, kus ühe alamvõre magnetmoment on suurem teise alamvõre magnetmomendist. Igal ferriidil on sõltuvalt koostisest omane Curie temperatuur, TC, millest kõrgemal temperatuuril need on paramagnetilised. Tavaliselt valmistatakse ferriitmaterjale keraamika töötlustehnikatega, näiteks NiO·Fe₂O₃ valmistamiseks segatakse NiO ja Fe₂O₃ puru, mida pressitakse ja kuumutatakse, et saada soovitud kujuga materjal.
Struktuuri sümmeetria järgi eristatakse kaht laialt levinud tüüpi ferriitmaterjali – kuubilised ferriidid ja heksagonaalsed ferriidid.
Magnetilise koertsitiivsuse põhjal jaotatakse ferriitmaterjalid kahte gruppi – kõvad ferriidid ja pehmed feriidid. Kõvasid ferriite iseloomustab kõrge koertsitiivsus, mistõttu tuleb nende demagneetimiseks teha rohkem tööd. Kõvad ferriidid sobivad hästi rakendamiseks püsimagnetitena külmkapimagnetites, kõlarites ja elektrimootorites. Pehmete ferriitide koertsitiivsus on madal, mistõttu nende magneetumust on kerge muuta. Seetõttu kasutatakse neid elektroonikatööstuses ferriitsüdamikena kõrgsageduslikes induktiivpoolides ja trafodes.

Ferriitsüdamikmälu

Enne laialdast transistoripõhiste mälude arvutites rakendamist kasutati ferriite ferriitsüdamikes, mis ühendati omavahel juhtmete võrgustikuga. Iga südamikku sai kasutada ühe biti informatsiooni hoidmiseks, kasutades selleks südamiku jäävat magnetmomente kummaski suunas elektrivooluga magneetimisel. Ferriitide hüstereesisilmuse ristkülikusarnane kuju oli põhiline põhjus nende valimiseks magnetsüdamikmäludes kasutamiseks. Ferriitsüdamiku magneetumuse muutmiseks rakendati materjali koertsitiivsusest veidi kõrgemat vastassuunalist magnetvälja. Ferriitsüdamikes kasutati tihti materjali Mg²⁺0.45Mn²⁺0.55Mn³⁺0.23Fe1.77O₄.

Magnetiit

Üks varaseimatest tundmaõpitud ferriitidest on looduses leiduv magnetiit (FeO·Fe₂O₃). Magnetiiti on juba sajandeid kasutatud magnetnõeltena kompassides. Veel on leitud, et magnetiidi püsivat magneetumust kasutavad mõned magnetotaktilised bakterid, kes kasutavad selle magnetilisi omadusi Maa magnetväljajoonte järgi orienteerumiseks. Magnetiidi osakesed on bioühilduvad ning neid kasutatakse kontrastainena magnetresonantstomograafias. Tavatingimustes on magnetiit pöördspinelli kristallstruktuuriga ühikraku võreparameetriga a = 8,4 Å. Kogu magnetmoment ühikraku kohta on 4 μB. Alla 120 K temperatuuri juures on stabiilne selle ortorombiline kristallstruktuur (parameetritega a = 5,91 Å, b = 5,95 Å ja c = 8,4 Å). Üleminekul ortorombiliseks saab materjalist pooljuht ning aine elektrijuhtivus muutub järsult.

Maghemiit

Maghemiit on samuti raudoksiidist ferriitmaterjal, mis on tähtis mitmetel geofüüsilistel ja tehnoloogilistel põhjustel (näiteks paleomagnetilise ajaloo uurimisel). Looduslikult esineb seda titanomagnemiidina (maghemiidi titaani asendussulam). Maghemiit on tekkinud magnetiidi madalal temperatuuril oksüdeerumise tulemusena ning selle struktuuri kirjeldatakse kui katiooni defitsiidiga spinell struktuur.

Teised olulisemad ferriidid

Praktilisest vaatepunktist olulised on segaspinellid molekulvalemiga M1-αZnαFe₂O₄, kus M on kahevalentne katioon, mis asetseb pöördspinelli struktuuris ning Zn-ga elementaarrakk võtab normaalse spinelli struktuuri. Segaspinelliga ferriidid on otstarbekad, sest neil on kõrge küllastusmagneetumus ehk maksimaalne magnetmoment ühikraku kohta. Samuti on küllastusmagneetumus täpselt valitav muutes lähteainete proportsioone.

Kuubilised ferriitmaterjalid

Kuubilisi ferriite iseloomustab molekulvalem MO·Fe₂O₃, kus M tähistab kahevalentset iooni (näiteks Fe²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺). Magnetiit (molekulvalemiga FeO·Fe₂O₃) on üks tuntuimatest kuubilise kristallsümmeetriaga ferriitmaterjalidest. See leidis ka kõige varem kasutust esimeste kompasside valmistamiseks. Kuubilised ferriidid on magnetiliselt pehmed ehk vähese energiaga magnetiseeritavad ja demagnetiseeritavad. Tänu kõrgele magnetilisele läbitavusele, kõrgele küllastusmagneetumusele ning madalale elektrijuhtivusele on mõistlik neid rakendada induktsioonipoolide südamikena kõrgete sagedustega vahelduvvooluga rakendustes. Kõrge läbitavus võimaldab kõrget magnetvoo tihedust pooli sees, annab kõrge induktiivsuse ning madal elektrijuhtivus takistab pöörisvoolude teket.
Kuubilise kristallsümmeetriaga ferriidid omandavad kristalliseerudes spinelli (MgO·Al₂O₃) kristallstruktuuri. Spinelli struktuuris hapniku anioonid paiknevad tahkkesendatud kuubilises konfiguratsioonis. Anioonide vahel on tühimikud, mis on kahe erineva kujuga – tetraeedrilised ja oktaeedrilised tühimikud. Metallikatioonid asetuvad neis tühimikes, kusjuures oktaeedrilistest tühimikest on täidetud pooled, samas kui tetraeedrilistest tühimikest on täidetud vaid kaheksandik. Eristatakse veel normaalse spinelli, pöördspinelli (ingl. k. inverse spinel) ja nende kahe kombinatsiooni struktuuriga ferriite. Spinelli ja pöördspinelli kombinatsiooni struktuuri jaotuse iseloomustamiseks määratakse nende jaoks parameeter γ, mis on võrdne oktaeedrilisi tühimikke täitvate M²⁺-ioonide suhtega M²⁺-ioonide koguarvu suhtes. Täielikult pöördspinelli struktuuriga materjali γ = 1 ning täielikult normaalse spinelli puhul γ = 0.

Normaalne spinell

Normaalses spinelli struktuuris on tetraeedrilistes tühimikes ainult M²⁺-ioonid ning oktaeedrilisi tühimikke täidavad Fe³⁺-ioonid. Näiteks ZnO·Fe₂O₃ ja CdO·Fe₂O₃ on normaalse spinelli struktuuriga. Reeglina normaalse spinelli struktuuriga ferriitides on antiferromagnetiline vastasmõju nõrk ning seetõttu on need paramagnetid. Näiteks Zn²⁺- ja Cd²⁺-ioonid ei oma magnetmomenti ja oktaeedrilistes tühimikes paiknevad Fe³⁺-ioonid interakteeruvad üksteisega üsna nõrgalt, mistõttu materjali magnetiline läbitavus on väga madal.

Pöördspinell

Pöördspinellis Fe³⁺-ioonid jagunevad ühtlaselt tetraeedriliste ja oktaeedriliste tühimike vahel ning M²⁺-ioonid (normaalses spinelis tetraeedrilistes tühimikes) täidavad vaid oktaeedrilisi tühimikke. Näiteks FeO·Fe₂O₃, CoO·Fe₂O₃ ja NiO·Fe₂O₃ on kõik pöördspinelli struktuuriga. Pöördspinelli struktuuriga ferriitides on antiferromagnetiline vastasmõju tugevam, mille tõttu on need tavaliselt ferrimagnetid. Pöördspinelli struktuuris Fe³⁺-ioonid tetraeedrilistes ja oktaeedrilistes tühimikes on üksteise suhtes paralleelselt ja vastakuti, mistõttu Fe³⁺-ioonide spinnid tühistavad teineteise mõju. Samas M²⁺-ioonide spinnid oktaeedrilistes aukudes on samuti kõik paralleelselt joondatud ja sama suunaga, andes pöördspinelli struktuuriga ferriitmaterjalile summaarse magnetmomendi.

Heksagonaalsed ferriitmaterjalid

Vahest uurituim heksagonaalsetest ferriitidest on baariumferriit molekulvalemiga BaO·6Fe₂O₃. Uuritud on veel heksagonaalseid ferriite SrO·6Fe₂O₃ ja PbO·6Fe₂O₃. Baariumferriidi kristalliseerumisel tekib materjalis heksagonaalse sümmeetriaga magnetoplumbiidi (PbO·6Fe₂O₃) struktuur. Struktuuri ühikrakus on 10 kihti hapniku anioone, mis omakorda jaotatakse neljaks plokiks (tähistustega S, S*, R ja R* pildil). Plokid S ja S* on spinelli struktuuriga, koosnevad kahest kihist hapnikest ning kuuest Fe³⁺-ioonist. Neli Fe³⁺-iooni asetsevad oktaeedrilistes tühimikes, nende spinnid suunatud paralleelselt samasuunaliselt ning ülejäänud kaks iooni on tetraeedrilistes tühimikes, kus nende spinnid on paralleelselt vastassuunas oktaeedriliste tühimike rauaioonidega. S*-plokki eristab S-plokist 180° pööre üksteise suhtes. R- ja R*-plokk koosnevad mõlemad kolmest hapnikukihist, kus üks keskmise kihi hapniku anioon on asendatud baariumi iooniga. Igas R-plokis on kuus Fe³⁺-iooni, millest viis asetsevad oktaeedrilistes tühimikes, kolme iooni spinnid ühes suunas ja kahe spinnid vastassuunas. Kogu magnetmoment ühikrakus on 20 μB.
Heksagonaalseid ferriite kasutatakse püsimagnetites. Nad on reeglina magnetiliselt kõvad (erinevalt kuubilistest ferriitidest) koertsitiivsustega ca. 200 kA/m. Sarnaselt kuubiliste ferriitidega on neid odav valmistada keraamika töötlusmeetoditega.

Pehmed ferriidid

Madala koertsitiivsusega ferriite kutsutakse pehmeteks ferriitideks. Madal koertsitiivsus näitab, et materjali spontaanse magneetumuse suunda saab muuta madalate energiakuludega. Tavaliselt sisaldavad pehmed ferriidid nikli, tsingi või magneesiumi ühendeid ning neid kasutatakse trafodes ja ferriitsüdamikes. Pehme ferriitmaterjali madal elektrijuhtivus takistab pöörisvoolude teket südamikus. Pöörisvoolud on samuti üks energiakadude tekitajaid magnetsüdamikes. Tänu võrdlemisi madalatele energiakadudele kõrgsageduslikel vahelduvvooludel kasutatakse neid ferriite üsna laialdaselt magnetsüdamikena raadiosagedusega trafodes ning induktiivpoolides, mis omakorda leiavad rakendust lülitusrežiimiga toiteallikates ning silmusantennides.
Levinuimad pehmed ferriidid on MnₓZn₁₋ₓFe₂O₄ (mangaan tsink ferriit) ja NiₓZn₁₋ₓFe₂O₄ (nikkel tsink ferriit). Mangaan tsink ferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on kõrge, samas kui nikkel tsink ferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on madal. Mangaan tsink ferriiti kasutatakse madalamatel sagedustel kui 5 MHz. Nikkel tsink ferriite kasutatakse nende kõrgema eritakistuse tõttu sagedustel 2 kuni 300 MHz.

Kõvad ferriidid

Kõvadel ferriitidel on kõrge koertsitiivsus ja kõrge jääkmagneetumus. Nende magneetumuse suuna muutmiseks tuleb teha rohkem tööd, mistõttu kasutatakse neid püsimagnetites. Kõvade ferriitmagnetite valmistamisel kasutatakse raudoksiide, baariumkarbonaati ja strontsiumkarbonaati. Nad omavad ka kõrget magnetilist läbitavust, on odavad ning neid võib näha külmkapimagnetites. Ferriitmagnetite tihedus on umbes 5 g/cm³, maksimaalne magnetinduktsioon on umbes 0,35 T ja suurim magnetvälja tugevus on 30–160 A/m.
Levinuimad kõvad ferriidid on strontsiumferriit (SrO·6Fe₂O₃) ja baariumferriit (BaO·Fe₂O₃). Strontsiumferriiti kasutatakse väikestes elektrimootorites, mikrolaineseadmetes, salvestusseadmetes, magneto-optilistes seadmetes, telekommunikatsiooni- ja elektroonikatööstuses. Baariumferriiti kasutatakse laialdasemalt püsimagnetites, rooste- ja niiskusekindlas keraamikas, magnetsalvestusseadmetes ja kõlarite magnetitena.