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 suur koertsitiivsus, mistõttu tuleb nende demagneetimiseks teha rohkem tööd. Kõvad ferriidid sobivad hästi rakendamiseks püsimagnetitena külmkapimagnetites, kõlarites ja elektrimootorites. Pehmete ferriitide koertsitiivsus on väike, mistõttu nende magneetumust on kerge muuta. Seetõttu kasutatakse neid elektroonikatööstuses ferriitsüdamikena kõrgsageduslikes induktiivpoolides ja trafodes. 
Ajalugu.
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 suuremat vastassuunalist magnetvälja. Ferriitsüdamikes kasutati tihti materjali Mg2+0.45Mn2+0.55Mn3+0.23Fe1.77O4.
Tuntumad ferriidid.
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.
Ferriitide eristus struktuurisümmeetria järgi.
Kuubilised ferriitmaterjalid.
Kuubilisi ferriite iseloomustab molekulvalem MO·Fe2O3, kus M tähistab kahevalentset iooni (näiteks Fe2+, Mn2+, Ni2+, Co2+). Magnetiit (molekulvalemiga FeO·Fe2O3) on üks tuntumatest kuubilise kristallsümmeetriaga ferriitmaterjalidest. See leidis ka kõige varem kasutust esimeste kompasside valmistamiseks. Kuubilised ferriidid on magnetiliselt pehmed ehk vähese energiaga magnetiseeritavad ja demagnetiseeritavad. Tänu suurele magnetilisele läbitavusele, suurele küllastusmagneetumusele ja väiksele elektrijuhtivusele on mõistlik rakendada neid induktsioonipoolide südamikena kõrgete sagedustega vahelduvvooluga rakendustes. Suur läbitavus võimaldab suurt magnetvoo tihedust pooli sees, annab suure induktiivsuse ning väike 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.
formula_1
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 väike.
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.
Ferriitide eristus koertsitiivsuse järgi.
Pehmed ferriidid.
Väikese koertsitiivsusega ferriite kutsutakse pehmeteks ferriitideks. Väike koertsitiivsus näitab, et materjali spontaanse magneetumuse suunda saab muuta väikese energiakuluga. Tavaliselt sisaldavad pehmed ferriidid nikli, tsingi või magneesiumi ühendeid ning neid kasutatakse trafodes ja ferriitsüdamikes. Pehme ferriitmaterjali väike elektrijuhtivus takistab pöörisvoolude teket südamikus. Pöörisvoolud on samuti üks energiakadude tekitajaid magnetsüdamikes. Tänu võrdlemisi väikestele energiakadudele kõrgsageduslikel vahelduvvooludel kasutatakse neid ferriite üsna laialdaselt magnetsüdamikena raadiosagedusega trafodes ja induktiivpoolides, mis omakorda leiavad rakendust lülitusrežiimiga toiteallikates ja silmusantennides.
Levinumad pehmed ferriidid on MnxZn1-xFe2O4 (mangaan tsink ferriit) ja NixZn1-xFe2O4 (nikkeltsinkferriit). Mangaantsinkferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on suur, samas kui nikkel tsink ferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on väike. Mangaantsinkferriiti kasutatakse madalamatel sagedustel kui 5 MHz. Nikkeltsinkferriite kasutatakse nende suurema eritakistuse tõttu sagedustel 2–300 MHz.
Kõvad ferriidid.
Kõvadel ferriitidel on suur koertsitiivsus ja suur jääkmagneetumus. Nende magneetumuse suuna muutmiseks tuleb teha rohkem tööd, mistõttu kasutatakse neid püsimagnetites. Kõvade ferriitmagnetite valmistamisel kasutatakse raudoksiide, baariumkarbonaati ja strontsiumkarbonaati. Need on ka suure magnetilise läbitavusega, 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.
Levinumad 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.