close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12379

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12379
(13) C1
(19)
C 04B 35/26
C 04B 35/495
МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФЕРРИТА ВИСМУТА
(21) Номер заявки: a 20080869
(22) 2008.06.28
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Мантыцкая Ольга Станиславовна; Шаповалова Елена Федоровна; Чобот Александра Николаевна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(56) US 7303828 B2, 2007.
US 5164349 A, 1992.
US 5358660 A, 1994.
SU 1364611 A1, 1988.
US 7250648 B2, 2007.
BY 10176 C1, 2007.
BY 12379 C1 2009.10.30
(57)
Магнитный материал на основе феррита висмута со структурой перовскита, отличающийся тем, что дополнительно содержит ионы кальция и ниобия в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3, где 0,1 ≤ х ≤ 0,5.
Изобретение относится к области электроники, в частности к магнитным материалам
на основе сложных оксидов со структурой перовскита, применяемым в различных устройствах сенсорной техники, магнитной памяти и быстродействующих электрических системах обработки информации.
Известен сложный оксидный материал, позволяющий управлять резистивными свойствами в записывающих устройствах [1]. Этот оксидный материал состоит из манганита,
полученного обжигом в окислительной атмосфере с контролем изменения содержания в
нем кислорода и соответствующего изменения сопротивления манганита. Манганит представляет собой сложные оксиды марганца со структурой перовскита и общей химической
формулой RE1-xAExMnOy, где RE - ион редкоземельного металла, АЕ - щелочноземельный
ион, 0,1 ≤ x ≤ 0,5. Контроль содержания кислорода в манганите подразумевает формирование обогащенной кислородом области RE1-xAExMnOy, где y > 3. В результате в этой
области формируется низкое сопротивление. Если y < 3, формируется высокое сопротивление. Конкретно, резистивный материал на основе сложных оксидов марганца содержит
богатые кислородом участки с низким сопротивлением и прилегающие дефицитные по
кислороду участки с высоким сопротивлением.
Оксидный материал, описываемый в указанном изобретении, близок к заявляемому
техническому решению и выбран в качестве первого аналога предлагаемого изобретения.
Этот резистивный материал на основе сложных оксидов марганца содержит богатые кислородом участки с низким сопротивлением и прилегающие дефицитные по кислороду
BY 12379 C1 2009.10.30
участки с высоким сопротивлением, что позволяет задавать свойства при использовании
его в запоминающем резисторе.
Недостатком этого магнитного материала является то, что его свойства, формируемые
в процессе обжига, сохраняются неизменными в процессе эксплуатации и не способны
изменяться под воздействием внешнего магнитного поля.
Известен также магнитный материал [2] на основе сложных оксидов марганца со
структурой перовскита и редкоземельных элементов. Такой магнитный материал может
быть получен с заданными характеристиками для использования в различных устройствах
электроники. Условия формирования слоев и роста кристаллов могут определять величину спонтанной намагниченности или диэлектрической постоянной. Магнитный материал,
описываемый в указанном изобретении, близок к заявляемому техническому решению и
выбран в качестве второго аналога предлагаемого изобретения. Этот магнитный материал
на основе сложных редкоземельных оксидов марганца имеет химическую формулу
Y(Mn1-yTiy)О3, где 0,35 < y < 0,65.
Недостатком этого материала является сложность и дороговизна получения.
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению
является магнитный оксидный материал со структурой перовскита с формулой
(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2- (А - ион из группы Li+ , Na+ , K+ , РЬ2+ , Са2+ , Sr2+, Ва2+ , Bi3+ и La3+ ,
В - ион из группы Fe3+ , Ti4+, Zr4+, Nb5+ , Ta5+ , W6+ и Mo6+, m - целое число), где по крайней
мере 1 % А-ионов замещены ионами Si4+ или Ge4+ в четырехкратной координации [3]. Такой
состав позволяет существенно улучшить надежность магнитного материала.
К недостаткам указанного материала следует отнести то, что он имеет сложный состав, содержит вредные компоненты (свинец), получение его представляет сложный технологический процесс и требует дорогостоящих компонент и больших энергетических
затрат.
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка магнитного материала
на основе твердого раствора феррита висмута и феррониобата кальция посредством упрощения и удешевления технологии изготовления.
Поставленная задача решается тем, что магнитный материал на основе феррита висмута со структурой перовскита дополнительно содержит ионы кальция и ниобия в соотношении, соответствующем химической формуле Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3, где 0,1 ≤ x ≤ 0,5.
Сущность изобретения заключается в том, что в магнитном материале на основе твердого раствора феррита висмута и феррониобата кальция в результате локальных кристаллоструктурных искажений возникают локальные магнитные взаимодействия, приводящие
к возникновению спонтанной намагниченности. На фигуре представлены результаты измерения магнитного гистерезиса состава x = 0,3 при комнатной температуре и при 5 К.
Этот состав является магнитожестким материалом, коэрцитивная сила составляет не менее 7 кЭ. Внешнее магнитное поле величиной 15 кЭ слишком мало для того, чтобы полностью перемагнитить образец. Величина спонтанной намагниченности - около 0,3 Гс*см3/г.
Частичная замена ионов висмута кальцием в А-подрешетке, а железа ниобием в B-подрешетке перовскитной структуры феррита висмута позволяет получить магнитный материал, обладающий повышенной спонтанной намагниченностью и магнитожесткостью при
комнатной температуре (фигура (а)).
Катионное упорядочение в BiFeO3 обусловлено относительным сдвигом ионов Bi3+ ,
3+
Fe и О2- вдоль оси [001] в гексагональной установке. В отличие от ионов висмута ионы
Са2 + , Sr2+, Ва2+ не образуют резко анизотропных химических связей. Поэтому при замещении ионов висмута на щелочноземельные ионы можно ожидать постепенного разрушения дальнего порядка вследствие образования локальных центросимметричных позиций,
занятых щелочноземельными ионами. Каждый А-катион перовскита АВО3 окружен ближайшими шестью соседями А-типа. Поэтому приблизительно при 15-25 % содержания
щелочноземельного иона от общего количества А-мест дальний порядок должен разру2
BY 12379 C1 2009.10.30
шиться, и система переходит в фазу с другим типом симметрии. Ионы Са2+ , Sr2+,
Ba2+ сильно отличаются по величине ионного радиуса. В этом ряду радиус последовательно увеличивается от 1,31 Å (Са2+ ) до 1,65 Å (Ва2+ ) для координационного числа 12 по кислороду. Вследствие размерного эффекта при замещении этими ионами должны возникать
разного типа кристаллоструктурные искажения. В случае малых А-катионов в перовскитах часто возникают орторомбические искажения (пространственная группа Pbnm), а в
случае больших А-катионов (А = Ва2+ ) система часто стремится принять кубическую
симметрию (пространственная группа Pm3m ). Эта общая тенденция справедлива и в случае систем твердых растворов BiFeO3-A(Fe0,5Nb0,5)O3 (А = Са, Sr, Ва). В случае замещения
иона Bi3 + на ионы Са2 + , Sr2+ возникают орторомбические искажения, а в случае
А = Ва2 + система стремится к кубической симметрии.
Орторомбическая пространственная группа Pbnm допускает существование слабого
ферромагнетизма. Поэтому свойства систем с А = Са2+ , Sr2+ резко отличаются от свойств
систем с А = Ва2+ , а в системе с A = Sr спонтанная намагниченность хотя и возникает, но
величина ее мала (фигура (б)).
Перечисленные особенности заявляемого магнитного материала на основе твердого
раствора феррита висмута и феррониобата кальция являются существенными отличиями
по сравнению с прототипом, так как их отсутствие не позволяет достигнуть поставленной
цели - получить магнитный материал более дешевый, с использованием более простой аппаратуры и с меньшими затратами.
Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемый
магнитный материал на основе твердого раствора феррита висмута и феррониобата кальция имеет простой химический состав по сравнению с прототипом, не содержит дорогостоящих и вредных компонент. Получение этого материала по обычной керамической
технологии не требует длительного времени и больших энергетических затрат, в то время
как при использовании прежнего магнитного материала требовались редкие и дорогостоящие компоненты, сложная аппаратура и значительные затраты.
Пример конкретного осуществления.
Твердые растворы состава Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 (x = 0,5) были получены по обычной
керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиометрическом соотношении в планетарной мельнице фирмы RETSCH. Образцы помещались в разогретую печь и после синтеза при 1350 °С закаливались на воздухе. Поверхностный слой
образцов после синтеза удалялся. Это обусловлено тем, что висмут является летучей компонентой, что может привести к нарушению соотношения между катионами. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН-3М в Cu-Ka излучении.
Расчет кристаллической структуры выполнялся с помощью программы FullProf.
Элементарная ячейка твердых растворов Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 вплоть до x = 0,15 хорошо описывается в рамках пространственной группы R3c, однако при x > 0,15 появляются дополнительные рефлексы, которые указывают на образование сверхструктуры типа
√2ap × √2 ар × 2ар, где ар - параметр исходной кубической ячейки. Такого типа сверхструктура соответствует орторомбическим искажениям элементарной ячейки. Рентгенограмма
образца x = 0,3 хорошо описывается пространственной группой Pbnm.
Преимуществом заявляемого материала по сравнению с известными является удешевление и упрощение процесса изготовления.
Источники информации:
1. Oxygen content system and method for controlling memory resistance properties. US Patent 7,972,258, Hsu et al., H 01L 021/20.
2. Ferroelectric rare-earth manganese-titanium oxides. US Patent 7,250,648, H 01L 29/76
(20060101), Li et all., 31.06.2007.
3
BY 12379 C1 2009.10.30
3. Ferroelectric film, method of manufacturing the same, ferroelectric memory and piezoelectric device. US Patent 7,303,828, B32B 9/00 (20060101), Kijima et al., 4.12.2007.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
102 Кб
Теги
by12379, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа