Anpassen des Brechungsindex der Impedanz

Jul 30, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15818 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die unabhängige Steuerung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften von zwei- und dreiteiligen Ferrit-Verbundwerkstoffen wird durch Variation der Partikelgröße und des Volumenanteils von Ferriteinschlüssen demonstriert. Dies bietet einen Weg zur Herstellung breitbandiger, impedanzangepasster Verbundwerkstoffe mit maßgeschneiderten hohen Brechungsindexwerten. Es wird ein zweiteiliger Verbundwerkstoff aus NiZn-Ferrit in einem dielektrischen PTFE-Grundkörper mit ungefähr gleichen Werten der relativen realen Permittivität und Permeabilität bis zu 100 MHz hergestellt. Der Brechungsindex für NiZn-PTFE-Verbundwerkstoffe, gemessen bei 20 MHz, beträgt 6,1 für einen NiZn-Volumenanteil von 50 % Vol. und 6,9 für einen NiZn-Volumenanteil von 70 %Vol. Ebenso haben wir einen dreiteiligen Verbundwerkstoff mit einem Brechungsindex von etwa 16 bis 60 MHz charakterisiert. Der dreiteilige Verbundwerkstoff besteht aus NiZn- und MnZn-Ferriten in einer dielektrischen PTFE-Wirtsmatrix mit einem prozentualen Volumenverhältnis von jeweils 65 %: 15 %: 20 %.

Im Handel erhältliche Weichferrite werden aufgrund ihres gleichzeitig hohen Realteils der Permeabilität und ihres geringen magnetischen Verlusts im MHz-Frequenzbereich in großem Umfang in Telekommunikations- und Antennensystemen eingesetzt1. Der hohe Realteil der Permeabilität erhöht nicht nur den Brechungsindex für Verbundmaterialien und unterstützt so die Miniaturisierung, sondern erhöht auch die charakteristische Impedanz in Richtung des impedanzangepassten Falles von Z \(=1.\). Es ist bekannt, dass die Frequenzabhängigkeit der Permeabilität nimmt bei höheren Frequenzen (GHz) aufgrund der Domänenwandrelaxation und der gyromagnetischen Relaxation ab: ein Phänomen, das durch das Snoek-Gesetz2 beschrieben wird. Seit Snoeks Originalartikel im Jahr 1948 erschien, gab es viele Studien, die dieses Konzept auf dünne magnetische Filme und Verbundmaterialien ausdehnten3,4,5. Das ursprüngliche Gesetz berücksichtigt weder die Größe noch die Form der magnetischen Partikel, wenn das Ferrit pulverisiert und mit einem Wirtsmaterial vermischt wird. Die Größe und Form der Partikel sowie der Füllanteil des resultierenden Verbundwerkstoffs bieten zusätzliche Freiheiten zur Abstimmung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Reaktion. Beispielsweise kann die Formanisotropie magnetischer Einschlüsse durch die Verwendung magnetischer Flocken erhöht werden, wodurch die Frequenz erhöht wird, bei der eine starke magnetische Reaktion beobachtet werden kann6,7. Materialien mit einer planaren kristallinen Geometrie, wie z. B. Hexafarrite vom M-Typ, weisen eine erhöhte magnetokristalline Anisotropie auf, wodurch der Frequenzbereich der magnetischen Leistung erweitert wird8. Natürlich beeinflussen dieselben Freiheitsgrade auch die dielektrische Reaktion (Permittivität) des Verbundwerkstoffs. In dieser Studie zeigen wir, dass die relative Permittivität (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) und Permeabilität (\(\mu = \mu^{\prime } - i\mu^{\prime\prime}\)) des Verbundwerkstoffes werden durch die Partikelgröße der Ferriteinschlüsse beeinflusst. Wenn die Eigenschaften der magnetischen Partikel in Verbundwerkstoffen sorgfältig kontrolliert werden, können Materialien mit hohem Brechungsindex (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) und Impedanzanpassung (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon) entstehen }\)) an freiem Speicherplatz hergestellt werden. Diese Materialien mit hohem Brechungsindex und Impedanzanpassung an den freien Raum sind wichtig für die Miniaturisierung von Antennen.

NiZn- und MnZn-Ferrite sind aufgrund ihrer geringen magnetischen Koerzitivfeldstärke magnetisch „weich“, was bedeutet, dass sie ihren Magnetismus nicht beibehalten, nachdem sie einer magnetischen Vorspannung ausgesetzt wurden. Die allgemeine chemische Formel für Spinellferrite lautet MFe2O4, wobei „M“ ein zweiwertiges Metall ist. Die Spinell-Kristallstruktur mit einer kubisch dicht gepackten Anordnung von Metallionen, umgeben von Sauerstoffionen, führt aufgrund der Anordnung der Elektronenspins zu einer hohen magnetokristallinen Anisotropie9. Studien zum Einfluss der Ferritpartikelgröße und der prozentualen Volumenbeladung von Verbundwerkstoffen auf die resultierende komplexe Permeabilität eines Verbundwerkstoffs auf Dielektrikumbasis sind nicht neu. Beispielsweise stellten Dosoudil et al.10 drei Sätze von Verbundproben unter Verwendung kommerziell erhältlicher MnZn- und NiZn-Ferrit-Keramikpulver in einer Polyvinylchlorid (PVC)-Matrix her. In ihrer Arbeit untersuchen sie den Einfluss der Partikelgröße auf die Permeabilität, indem sie die Volumenbeladung (65 % Vol.) des Ferritpulvers und das MnZn:NiZn-Verhältnis (80 %:20 %) festlegen. Es wurde eine typische Abhängigkeit vom Snoekschen Gesetz beobachtet, die durch einen Resonanzpeak in der Imaginärkomponente der Permeabilität gekennzeichnet ist, der sich mit zunehmender Partikelgröße zu höheren Frequenzen verschiebt. Der Realteil der relativen Permeabilität (\(\mu^{\prime }\)) bei 20 MHz stieg von etwa 16 (für < 40 µm große Partikel) auf etwa 20 (für 80–250 µm große Partikel). Die Zunahme der Permeabilität mit zunehmender Partikelgröße ist mit der Zunahme der Anzahl magnetischer Domänen innerhalb der Ferritpartikel verbunden und wird später diskutiert.

Slama et al.11 untersuchten die Koerzitivfeldstärke und Niederfrequenzpermeabilität (bei 100 kHz) als Funktion der Korngröße für einen massengesinterten NiZn-Ferrit. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Niederfrequenzpermeabilität und der Korngröße (für einen Korngrößenbereich von 2–15 µm) beobachtet, während zwischen der Koerzitivfeldstärke und der Korngröße ein umgekehrter Zusammenhang festgestellt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die intrinsischen magnetischen Eigenschaften erheblich von der Mikrostruktur des Ferrits beeinflusst werden. Dies wird später in diesem Artikel erörtert.

Natürlich werden nicht nur die magnetischen Eigenschaften durch die Ferritpartikelgröße in Verbundwerkstoffen beeinflusst, sondern auch die dielektrischen Eigenschaften. Der Einfluss der Partikelgröße sowohl auf die tatsächliche Permeabilität als auch auf die Permittivität hexagonaler Ferrite wurde von Li et al.12 untersucht. In dieser Studie wurde die Partikelgröße eines 70 % vol. hexagonaler Ferritverbund (\({\mathrm{Ba}}_{3}{\mathrm{Co}}_{2}{\mathrm{Fe}}_{24}{\mathrm{O}}_{41} \)) in einer Polyvinylidenfluorid-Polymermatrix wurde über die drei Partikelgrößenbereiche variiert; 75–150, 38–50 und 10–30 µm. Bei 20 MHz stieg der reale Teil der relativen Permeabilität für Ferritpartikelgrößenbereiche von 10–30 µm bzw. 75–150 µm von 3 auf 4,8, während die entsprechende relative reale Permittivität ebenfalls von 50 auf 75 anstieg. Parsons et al. untersuchten auch, wie sich die Partikelgröße auf die Permeabilität und Permittivität von polykristallinen NiZn-Ferrit-Nanopartikeln in Polymerverbundwerkstoffen auswirkt13. In ihrer Studie wurden mitgefällte NiZn-Nanopartikel verwendet, um ein nahezu impedanzangepasstes Material mit einer Permittivität und Permeabilität von etwa 4,5 über den Frequenzbereich von 300–500 MHz zu erzeugen. Li et al. führten Studien zu den Partikelgrößeneffekten für Verbundwerkstoffe durch, die Co-Ti-substituierte M-Typ-Hexaferrit-Verbundwerkstoffe enthielten14, und stellten eine modifizierte Theorie des effektiven Mediums vor, um die magnetodielektrischen Eigenschaften vorherzusagen. Die modifizierte Theorie des effektiven Mediums zeigt, dass die magnetische Permeabilität stark von der Partikelgröße abhängt, insbesondere wenn die Partikelgrößenverteilung eng ist. Li et al. untersuchten auch die Bedeutung der magnetokristallinen Anisotropie für Hexaferrite vom M-Typ, wenn sie durch einstufige oder zweistufige Sinterverfahren hergestellt wurden. Durch die Herstellung von Hexaferriten durch ein zweistufiges Sinterverfahren kann eine feinkörnige Mikrostruktur mit gleichmäßigen Domänen erreicht werden. Die einheitlichen Domänen verfügen über eine verbesserte Hochfrequenzpermeabilität bei minimiertem Verlust. Verbundproben mit Co-Ti-substituiertem Bariumhexaferrit mit einer Dichte von 89 % in Polyvinylalkohol hatten einen Realteil der Permeabilität von 15, der sich bis zu 500 MHz erstreckte. Die relative Permittivität war mit 10,8 deutlich niedriger.

In der vorliegenden Studie wurden das kommerziell erhältliche gesinterte NiZn-Ferrit-Pulver und das gesinterte MnZn-Ferrit von MagDev Ltd (UK) zur Herstellung kaltkomprimierter NiZn-Ferrit-PTFE- und NiZn-MnZn-Ferrit-PTFE-Verbundwerkstoffe verwendet. Röntgenbeugungsmessungen bestätigten, dass die Phasenzusammensetzungen von NiZn-Ferrit \({\mathrm{Ni}}_{0,4}{\mathrm{Zn}}_{0,6}{\mathrm{Fe}}_{2}{ \mathrm{O}}_{4}\) (mit geringfügigen Verunreinigungsphasen von \(\mathrm{NiO}\), \(\mathrm{ZnO}\), \({\mathrm{Fe}}_{2 }{\mathrm{O}}_{3}\) und \({\mathrm{{Fe}}_{3}{\mathrm{O}}_{4})\) und MnZn-Ferrit zu \( { \mathrm{Mn}}_{0,8}{\mathrm{Zn}}_{0,2}{\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) (mit geringer Verunreinigung Phasen von \({\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{O}}_{4}\), \({\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{O}}_ { 3}\) und MnO). Das Vorhandensein von Verunreinigungsphasen bedeutet, dass in der Masse der Körner Eisen- und Eisenionen vorhanden sind. Diese Eisen- und Eisenionen erleichtern das Springen von Elektronen über Kristallstellen in den Körnern, wodurch der spezifische Widerstand des Materials verringert und die Permittivität erhöht wird15.

Laserbeugungsmessungen wurden mit einem Mastersizer2000 von Malvern Instruments Ltd. (UK) durchgeführt und ergaben einen modalen Partikeldurchmesser für das NiZn-Ferritpulver von 4 µm. Während der Modalwert für die Partikelgröße unter 10 µm lag, lag der Bereich der Partikelgrößen zwischen 1 und 200 µm. Die von MagDev Ltd. angegebenen Werte des Realteils seiner statischen relativen Permeabilität und relativen Permittivität betragen 125 und 100. Die Partikelgröße des Pulvers wurde mithilfe eines Vibrationssiebs in verschiedene Größenbereiche getrennt, um acht Größenbereiche zu erzeugen: 125–90 µm; 90–75 µm; 75–63 µm; 63–53 µm; 53–45 µm; 45–38 µm; 38–20 µm und < 20 µm. Die durchschnittliche Partikelgröße und Unsicherheit für jede gesiebte Fraktion wurde mittels Laserbeugung gemessen und es wurde festgestellt, dass die abgeleitete Größenverteilung gut mit der Größe der entsprechenden Siebmaschen übereinstimmt.

Um die elektromagnetischen Eigenschaften zu charakterisieren, wurden aus jeder gesiebten Probe Verbundwerkstoffe hergestellt. Die NiZn-Ferrit-Pulverfraktion wurde mit pulverförmigem PTFE mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 35 µm nach Angaben des Lieferanten Sigma Aldrich Ltd. gemischt. Die Pulver wurden durch einfaches Rühren der Pulver in einem Metallzylinder gemischt, bevor die Mischung verschlossen und von Hand geschüttelt wurde. Die Pulvermischung wurde in eine zylindrische, gehärtete Stahlform gegossen, die mit Silikon-Formtrennspray besprüht worden war. Anschließend wurde die Mischung 300 s lang bei 55 MPa in der Form gepresst, um fräsbare Verbundproben mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe zwischen 5 und 10 mm herzustellen. Es wurden Proben mit Volumenanteilen von 15, 30, 50 und 70 % NiZn-Ferritpulver hergestellt (insgesamt 32 Einzelproben).

Ebenso ein dreiteiliges Komposit mit 15 % Vol. MnZn-Ferrit, 65 % Vol. NiZn-Ferrit und 20 % Vol. PTFE wurde mit der gleichen Methode hergestellt. Der NiZn-Ferrit wurde mit der oben genannten Partikelgrößenverteilung ohne Siebung verwendet. Laserbeugungsmessungen ergaben, dass das MnZn-Ferritpulver einen mittleren Partikeldurchmesser von 35 µm hatte und die statischen Werte des Realteils der Permeabilität und Permittivität gemäß MagDev \({10}^{3}\) und \({ 10}^{5}\).

Die Proben wurden mithilfe der von Barry16 entwickelten Streifenleitungstechnik elektromagnetisch charakterisiert. Die Streifenleitungsgeometrie hatte eine Signalleitungsbreite w = 19,40 mm, eine Signalleitungsdicke t = 0,10 mm und einen Masseebenenabstand h = 13,40 mm, wie in Abb. 1 dargestellt. Die Signalleitung hatte eine Standardverjüngung von 20° gegenüber der Koaxialleitung Stift auf endgültige Streifenbreite stecken. Jede der Proben wurde in zwei identische quaderförmige Formen gefräst, wobei jedes der Probenpaare über und unter der Signalleitung platziert wurde, um den Querschnitt der Übertragungsleitung auszufüllen. Die quaderförmigen Formen hatten einen 0,05 mm tiefen Schlitz mit einer Breite von 19,40 mm, der zur Aufnahme des leitenden Streifens der Übertragungsleitung gefräst war. Die Streifenleitung wurde an einen Vektornetzwerkanalysator (VNA) angeschlossen, der mithilfe der Standardkalibrierung „Short“, „Open“, „Load“ und „Through“ (SOLT-Kalibrierung) kalibriert wurde, um die Reflexionsebenen auf die Enden von Koaxialkabeln einzustellen. Die komplexen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten der Proben wurden gemessen, indem die Ferritproben in die Streifenleitung eingesetzt und die komplexen Parameter S11 und S21 gemessen wurden. Aus diesen komplexen S-Parametern werden zusammen mit der Frequenz und der Dicke der Probe die relative komplexe Permittivität und Permeabilität mithilfe der Extraktionsmethode von Nicholson, Ross, Weir (NRW) ermittelt17,18.

Schematischer Querschnitt für die Streifenleitungsgeometrie, der die Breite des Zentralleiters w, die Dicke des Zentralleiters t und die Höhe des Streifenleitungshohlraums h zeigt.

Abbildung 2 zeigt die realen Teile der relativen Permittivität und Permeabilität bei 20 MHz als Funktion der durchschnittlichen NiZn-Ferrit-Partikelgröße für einen NiZn-Ferrit-PTFE-Verbundwerkstoff für (a) 15 % Vol., (b) 30 % Vol., ( c) 50 % vol. und (d) 70 % vol. Alle vier Diagramme zeigen, dass sowohl die Permeabilität als auch die Permittivität als Funktion der NiZn-Ferrit-Partikelgröße zunehmen; Allerdings ist die Permeabilität im Vergleich zur Permittivität stärker von der Partikelgröße abhängig. In Abb. 2d beispielsweise steigt die Permittivität von 7,0 (bei einer durchschnittlichen Partikelgröße von 4,2 µm) auf 7,9 (bei einer durchschnittlichen Partikelgröße von 147 µm), während der entsprechende Permeabilitätswert bei gleicher Partikelgröße von 5,5 auf 12,5 steigt Zunahme. Der Anstieg der Permeabilität mit zunehmender Partikelgröße lässt sich anhand der Verteilung der Entmagnetisierungsfelder für Partikel mit unterschiedlicher Anzahl von Domänen verstehen.

Diagramme der relativen realen Permittivität (εˊ) und Permeabilität (μˊ) bei 20 MHz als Funktion der durchschnittlichen NiZn-Ferrit-Partikelgröße für einen NiZn-Ferrit-PTFE-Verbund mit (a) 15 % Vol., (b) 30 % Vol. , (c) 50 % vol. und (d) 70 % vol. Laden von Ferritmaterial. Die durchschnittliche Partikelgröße und Unsicherheit wurden aus Laserbeugungsmessungen abgeleitet.

Untersuchungen zur Domänenstruktur von MnZn-Ferrit haben ergeben, dass Monodomänen in Körnern mit einer Größe von etwa 4 µm oder weniger existieren19. Die Domänenstruktur und Anzahl der Domänen wird durch die innere Energie des Teilchens bestimmt, wobei die magnetostatische Energie und die Austauschenergie konkurrieren. Die magnetostatische Energie wird durch die Aufteilung des Teilchens in mehrere Domänen minimiert, wodurch die Domänengröße verringert wird, während die Austauschenergie durch die Ausrichtung benachbarter Spins minimiert und die Domänengröße erhöht wird. Wenn sich das Teilchen in mehr Domänen aufteilt, nimmt die Koerzitivfeldstärke ab, da zum Bewegen der Domänenwände weniger Magnetkraft erforderlich ist als zum Drehen der Magnetisierungsvektoren ganzer Domänen. Im Allgemeinen besitzen magnetische Materialien mit einem niedrigen Koerzitivfeldstärkewert eine große Permeabilität20, da sie sich leichter magnetisieren lassen.

Abbildung 2 zeigt auch eine schwache Abhängigkeit der Permittivität von der Partikelgröße. Dies kann durch Betrachtung der Kornstruktur innerhalb jedes Ferritpartikels verstanden werden. Die dielektrischen Eigenschaften von Ferriten beruhen auf ihrer körnigen Struktur, die aus halbleitenden Körnern besteht. Ein Elektronensprungprozess findet über Kristallgitterplätze innerhalb der Körner statt, die Eisen- und Eisenionen enthalten15. An den Korngrenzen ersetzen Verunreinigungsionen die Eisenionen und unterdrücken den Hopping-Effekt, wodurch der spezifische Widerstand erhöht wird21. Bei Mn-Zn-Ferriten kann sich ein kapazitiver Effekt zwischen internen Barriereschichten (IBLC) manifestieren, der zu einem „riesigen dielektrischen Phänomen“22,23 führt. Es wurde dokumentiert, dass das Vorhandensein der Korngrenzen die relative Permittivität des Ferrits erheblich erhöht, da kapazitive Effekte, die durch die Trennung der Ladungen entstehen, die Permittivität erhöhen24. Die größeren Ferritpartikel in dieser Studie bestehen im Vergleich zu kleineren Ferritpartikeln aus mehr Körnern und isolierenden Korngrenzen. In einigen Fällen können sehr kleine Partikel mit einer Größe von weniger als 10 µm einkörnig sein25. Daher wird die Permittivität der kleineren Ferritpartikel verringert, da die kapazitiven Effekte, die von den Korngrenzen herrühren, verringert werden.

Abbildung 2 zeigt, dass für die stärker belasteten Verbundwerkstoffe (50–70 Vol.-%) gleiche Werte der Realteile der relativen Permittivität und Permeabilität erhalten werden können, indem die Ferritpartikelgröße zwischen 25 und 30 μm eingestellt wird. Die entsprechenden Brechungsindexwerte der Verbundwerkstoffe betragen 6,1 (50 Vol.-%) bzw. 6,9 (70 Vol.-%) bei 20 MHz. Wenn der Ferrit-Verbundwerkstoff einen geringen elektromagnetischen Verlust aufweist, bietet dies die spannende Aussicht auf ein Material mit hohem Index und angepasster Impedanz.

Abbildung 3 zeigt die komplexe relative Permeabilität als Funktion der Frequenz für acht 70 % Vol. NiZn-Ferrit-PTFE-Komposite mit unterschiedlichen Partikelgrößenbereichen, die (a) den Realteil und (b) den Imaginärteil der relativen Permeabilität zeigen. Diese Diagramme zeigen, dass die Änderung der Frequenzdispersion der komplexen Permeabilität für Verbundstoffe mit unterschiedlichen Partikelgrößen dem Snoek-Gesetz2 folgt. Das heißt, die relative Permeabilität nimmt mit der Frequenz schneller ab, wenn der Anfangswert für den Realteil höher ist. Die Frequenzdispersion der relativen Permeabilität verhält sich ähnlich wie die komplexe Permeabilität für Verbundwerkstoffe, die unterschiedliche Volumenanteile an Ferritfüllstoff enthalten, wobei größere Partikel eine größere anfängliche relative Permeabilität ergeben, ähnlich einem höheren Volumenanteil der Ferritbeladung.

Diagramme der komplexen relativen Permeabilität als Funktion der Frequenz für acht 70 % Vol. NiZn-Ferrit-PTFE-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Partikelgrößenbereichen: (a) der reale Teil der relativen Permeabilität, während (b) die imaginäre Permeabilität.

Im letzten Teil dieser Studie wird ein dreiteiliger Verbundwerkstoff aus MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit und PTFE als alternativer Ansatz zur Entwicklung von impedanzangepassten Materialien mit hohem Index hergestellt. Die Anteile jeder Komponente wurden so gewählt, dass sie den höchstmöglichen Brechungsindex des Verbundwerkstoffs liefern, unter der Annahme, dass Proben mit einem maximalen Ferrit-Beladungsvolumenanteil von 80 Vol.-% hergestellt werden können. Als dielektrische Matrix wurde PTFE-Pulver verwendet. Abbildung 4a zeigt die frequenzabhängige komplexe Permittivität und Permeabilität für einen Verbundwerkstoff mit 65 % Vol. NiZn-Ferrit (modale Partikelgröße 4 µm), 15 % Vol. MnZn-Ferrit (modale Partikelgröße 35 µm) und 20 % Vol. PTFE (Partikelgröße < 35 µm). Für diesen Teil der Studie werden die Pulver im Lieferzustand direkt vom Hersteller verwendet. Das heißt, die Partikelgrößen für die Ferriteinschlüsse wurden keinem zweiten Siebschritt unterzogen. Die realen Teile der Permittivität und Permeabilität stimmen unterhalb von 100 MHz eng überein, wobei die relative Impedanz bei 100 MHz auf 94 % ihres Niederfrequenzwerts abfällt (Abb. 4b). Die gemessene Durchlässigkeit ist nahezu vollständig (> 98 %), wobei der Brechungsindex bei n ~ 16 liegt. Mit einem dielektrischen Wirtsmaterial mit höherem Index können höhere Werte für den Brechungsindex erhalten werden. Das PTFE-Wirtsmaterial hat eine dielektrische Permittivität von etwa 2,2, was einem Brechungsindex von 1,4826 entspricht. Oberhalb von 100 MHz kommt es zu einer zunehmenden Diskrepanz zwischen komplexer Permittivität und Permeabilität, die mit der Domänenwandrelaxation verbunden ist27,28. Bei 4 GHz steigt die Absorption aufgrund der Erhöhung des Imaginärteils der Permeabilität auf 60 %, während die relative Impedanz aufgrund der Verringerung des Realteils der Permeabilität auf 0,28 sinkt.

(a) Diagramm der komplexen relativen Permeabilität und Permittivität als Funktion der Frequenz und (b) reflektierte und durchgelassene Intensität, Absorption und relative Impedanz als Funktion der Frequenz für ein 65 % vol. NiZn-Ferrit, 15 % Vol. MnZn-Ferrit und 20 % Vol. PTFE-Verbundwerkstoff.

Zusammenfassend wurde festgestellt, dass sowohl die relative reale Permeabilität als auch die Permittivität für NiZn-Ferrit-PTFE-Verbundwerkstoffe mit zunehmender Ferritpartikelgröße zunehmen. Die Permeabilität wies im Vergleich zur Permittivität eine weitaus stärkere Partikelgrößenabhängigkeit auf, sodass bei 20 MHz eine impedanzangepasste Bedingung für Partikelgrößen von 25–30 µm mit sowohl 50 als auch 70 % Vol. erfüllt werden konnte. NiZn-Ferrit-Verbundwerkstoffe. Die entsprechenden Brechungsindexwerte dieser beiden Verbundwerkstoffe betragen 6,1 bzw. 6,9. Eine dritte Komponente, MnZn-Ferrit, die zu NiZn-Ferrit-PTFE-Verbundwerkstoffen hinzugefügt wird, sorgt dafür, dass die relative Permittivität und Permeabilität bei 10 bis 50 MHz jeweils 16,1 betragen. Die Möglichkeit, die Permeabilität und Permittivität durch Steuerung der Partikelgröße in magnetischen Verbundwerkstoffen oder durch Einführung einer dritten Komponente zu ändern, ermöglicht die Entwicklung gewünschter EM-Eigenschaften, wie z. B. eine breitbandige Impedanzanpassung an den freien Raum. Komponenten, die einen hohen Brechungsindex und Materialien mit geringem elektromagnetischen Verlust erfordern, wie etwa Linsen und miniaturisierte Antennen, werden von diesen Verbundwerkstoffen profitieren.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im Repository der University of Exeter, Open Repository Exeter (ORE), verfügbar. Referenz 29 enthält einen Weblink für dieses Repository.

Dionne, GF Magnetische Oxide (Springer, 2009).

Buchen Sie Google Scholar

Snoek, J. Dispersion und Absorption in magnetischen Ferriten bei Frequenzen über einem Mc/s. Physica 4, 207 (1948).

Artikel ADS Google Scholar

Chai, G., Xue, D., Fan, X., Li, Appl. Physik. Lette. 93, 152516 (2008).

Artikel ADS Google Scholar

Acher, O. & Dubourg, S. Verallgemeinerung des Snoek-Gesetzes auf ferromagnetische Filme und Verbundwerkstoffe. Physik. Rev. B 77, 104440 (2008).

Artikel ADS Google Scholar

Lagarkov, A. & Rozanov, K. Hochfrequenzverhalten magnetischer Verbundwerkstoffe. J. Magn. Magn. Mater. 321, 2082 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shirakata, Y., Hidaka, N., Ishitsuka, M., Teramoto, A. & Ohmi, T. Verlustarmes Verbundmaterial mit feinen Zn-Ni-Fe-Flocken für Hochfrequenzanwendungen. IEEE Trans. Mag. Rev. 45, 4337 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, Y. & Grant, P. NiZn-Ferrit/Fe-Hybridverbundwerkstoffe auf Epoxidbasis: Erweiterung der magnetischen Eigenschaften auf Hochfrequenz. Appl. Physik. A 117, 477 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Li, Q., Chen, Y., Yu, C., Qian, K. & Harris, VG Permeabilitätsspektren planarer Bariumhexaferrite vom M-Typ mit hohem Snoek-Produkt durch zweistufiges Sintern. Marmelade. Ceram. Soc. 103, 5076–5085 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Misra, S., Karan, T. & Ram, S. Dynamik von Oberflächenspins in kleinen Kern-Schale-Magneten aus Li0,35Zn0,30Fe2,35O4-Bindungen über einem Kohlenstoff. J. Phys. Chem. C 119, 23184 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Dosoudil, R., Usakova, M., Franek, J., Slama, J. & Gruskova, A. Partikelgröße und Konzentrationseffekt auf Permeabilität und EM-Wellen-Absorptionseigenschaften von Hybrid-Ferrit-Polymer-Verbundwerkstoffen. IEEE Trans. Magn. 46, 436 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Slama, J. et al. Der Einfluss von Partikelgröße und Substituentengehalt auf die magnetischen Eigenschaften von Be- oder Cu-substituierten NiZn-Ferriten. Adv. Elektr. Elektron. Ing. 5, 362 (2011).

Google Scholar

Li, B., Shen, Y., Yue, Z. & Nan, C. Einfluss der Partikelgröße auf das elektromagnetische Verhalten und die Mikrowellenabsorptionseigenschaften von Ba-Ferrit/Polymer-Verbundwerkstoffen vom Z-Typ. J. Magn. Magn. Mater. 313, 322 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Parsons, P., Duncan, K., Giri, AK, Xiao, JQ & Karna, SP Elektromagnetische Eigenschaften von NiZn-Ferrit-Nanopartikeln und ihren Polymerverbundwerkstoffen. J. Appl. Physik. 115, 173905 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Li, Q., Chen, Y. & Harris, VG Partikelgrößenverteilung modifizierte Theorie des effektiven Mediums und Validierung durch magneto-dielektrische Co-Ti-substituierte BaM-Ferrit-Verbundwerkstoffe. J. Magn. Magn. Mater. 453, 44–47 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Birajdar, AA et al. Frequenz- und temperaturabhängige elektrische Eigenschaften von Ni0,7Zn0,3CrxFe2−xO4 (0 ≤ x ≤ 05). Ceram. Int. 38, 2963–2970 (2012).

Artikel Google Scholar

Barry, W. & Broad-Band, A. Automatisierte Streifenleitungstechnik zur gleichzeitigen Messung komplexer Permittivität und Permeabilität. IEEE Trans. Mikrowelle. Theorie Technol. 34, 80 (1986).

Artikel ADS Google Scholar

Nicolson, A. & Ross, G. Messung der intrinsischen Eigenschaften von Materialien durch Zeitbereichstechniken. IEEE Trans. Instrument. Mess. 19, 377 (1970).

Artikel Google Scholar

Weir, W. Automatische Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante und Permeabilität bei Mikrowellenfrequenzen. Proz. IEEE 62, 33 (1974).

Artikel Google Scholar

Goldman, A. Modern Ferrite Technology 2. Aufl. (Springer, 2010).

Google Scholar

Cullity, BD & Graham, CD Einführung in magnetische Materialien, 2. Aufl. (John Wiley & Sons, 2011).

Google Scholar

Jahan, N. et al. Korrelation zwischen den strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Al3+-substituierten Ni-Zn-Co-Ferriten. RSC Adv. 12, 15167 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Koops, C. Zur Streuung des spezifischen Widerstands und der Dielektrizitätskonstante einiger Halbleiter bei Audiofrequenzen. Physik. Rev. 83, 121 (1951).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Loyau, V. et al. Eine Analyse der Mn-Zn-Ferrit-Mikrostruktur mittels Impedanzspektroskopie, Rastertransmissionselektronenmikroskopie und Energiedispersionsspektrometrie-Charakterisierungen. J. App. Physik. 111, 053928 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Adams, T., Sinclair, D. & West, A. Riesenbarriereschicht-Kapazitätseffekte in CaCu3Ti4O12-Keramik. Adv. Mater. 14, 1321 (2002).

3.0.CO;2-P" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4095%2820020916%2914%3A18%3C1321%3A%3AAID-ADMA1321%3E3.0.CO%3B2-P" aria-label="Article reference 24" data-doi="10.1002/1521-4095(20020916)14:183.0.CO;2-P">Artikel CAS Google Scholar

Kawano, K., Hachiya, M., Iijima, Y., Sato, N. & Mizuno, Y. Der Einfluss der Korngröße auf die magnetischen Eigenschaften von NiZn-Ferrit und den Qualitätsfaktor des Induktors. J. Magn. Magn. Mater. Rev. 321, 2488 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Qiang, WY, Yong, W., Bin, L., Ye, Z., Ping, DG Anwendung bei der Messung der komplexen Mikrowellenpermittivität eines zylindrischen Dielektrikums unter Verwendung einer an den Anschlüssen geladenen Koaxialsonde. In ICEMI 4–46 (2007).

Tsutaoka, T. Frequenzdispersion der komplexen Permeabilität in Mn-Zn- und Ni-Zn-Spinellferriten und ihren Verbundmaterialien. J. Appl. Physik. 93, 2789 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Beatrice, C. et al. Magnetische Verluste im Vergleich zur Sinterbehandlung in Mn-Zn-Ferriten. J. Magn. Magn. Mater. 429, 129–137 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Parke, L et al. Anpassung des Brechungsindex von impedanzangepassten Ferrit-Verbundwerkstoffen. http://hdl.handle.net/10871/130799 (University of Exeter ORE).

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Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung des EPSRC und DSTL für die Finanzierung des Doktorandenstudiums von LP über das Doctorial Training-Konto der University of Exeter, und JRS, IJY und APH danken EPSRC für die Unterstützung durch das QUEST-Programmstipendium (EP/I034548/1). „Die Suche nach ultimativer Elektromagnetik mithilfe räumlicher Transformationen.“

Gruppe für elektromagnetische und akustische Materialien, Abteilung für Physik und Astronomie, Universität Exeter, Stocker Road, Exeter, EX4 4QL, Großbritannien

L. Parke, CP Gallagher, AP Hibbins und JR Sambles

Labor für Verteidigung, Wissenschaft und Technologie, Salisbury, SP4 0JQ, Großbritannien

IJ Youngs

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Autor 1, LP, sammelte die Daten unter der Aufsicht der Autoren 2, 4 und 5 (IY, AH und RS). Die Abbildungen und das Manuskript wurden vor der Einreichung von Autor 1, LP, initialisiert und von Autor 3 und 5 (CG und RS) bearbeitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit CP Gallagher.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Parke, L., Youngs, IJ, Gallagher, CP et al. Anpassen des Brechungsindex von impedanzangepassten Ferrit-Verbundwerkstoffen. Sci Rep 12, 15818 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19188-3

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Eingegangen: 28. März 2022

Angenommen: 25. August 2022

Veröffentlicht: 22. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19188-3

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