Microstructure formation of lithium-titanium ferrite during synthesis using a 2.4 MeV electron beam.pdf Введение Ферритовые материалы являются ключевыми элементами большинства современных радиотехнических, электронных и вычислительных устройств [1, 2]. В частности, группа литиевых ферритов находит широкое применение в СВЧ-технике, а также в качестве катодных материалов для литиевых батарей [3, 4]. Литийзамещенные ферриты, в которых ионы Fe3+ замещены ионами титана, характеризуются низкими значениями диэлектрических потерь и высокой температурной стабильностью, поэтому они широко используются в микроволновой технике [5-7]. На сегодняшний день широко используется керамическая технология получения ферритов, включающая синтез ферритовых порошков при высоких температурах. Вследствие того, что ферриты, как правило, имеют сложный состав, их синтез происходит через образование переходных продуктов твердофазного взаимодействия, которые включают фазы моноферритов и твердых растворов окислов. Такие твердофазные взаимодействия протекают в диффузионном режиме, поэтому для полного протекания синтеза требуется включение в технологический процесс неоднократных процедур помола и компактирования с дальнейшими многочасовыми отжигами при высоких температурах. Таким образом, керамическая технология получения ферритов относится к разряду многооперационных и энергозатратных и не позволяет получить большой процент годной продукции. Кроме того, с помощью данной технологии невозможно получить ультрадисперсные ферритовые порошки из-за применения высоких температур синтеза. В последнее время интенсивно используются новые методы синтеза ферритовых материалов, основанные на нагреве реагентов в пучке высокоэнергетических электронов (1-10 МэВ) [8-10]. В наших работах [11, 12] было показано, что с помощью данного способа нагрева можно многократно ускорить твердофазные взаимодействия в реакционной смеси и существенно снизить температуру и время синтеза. Полученные электронно-пучковым способом нагрева ферриты характеризуются высокими значениями остаточной намагниченности, намагниченности насыщения, удельного электрического сопротивления и температурой Кюри. Известно, что свойства ферритов во многом определяются микроструктурой. Поэтому важно знать, как нагрев исходной смеси в пучке высокоэнергетических электронов влияет на формирование микроструктуры синтезированного феррита. Использование электронной микроскопии для изучения микроструктуры литиевых ферритов имеет ограничения вследствие их высокого удельного сопротивления. Зарядка поверхности препятствует получению снимков высокого разрешения. Данного недостатка лишен метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Цель данного исследования - изучение методом АСМ микроструктуры литиевого феррита, синтезированного при нагреве в пучке высокоэнергетических электронов с энергией 2.4 МэВ. Методика эксперимента В работе исследовался литий-титановый феррит состава Li0.6Fe2.2Ti0.2O4, который относится к основной группе материалов современной микроволновой техники. Исходными реагентами служили промышленные порошки Fe2O3 (чда), Li2CO3 (хч), TiO2 (чда). Исходная смесь этих порошков в заданной пропорции подвергалась обработке в шаровой планетарной мельнице АГО-2С в течение 60 мин при комнатной температуре. Использовался режим максимальной энергонапряженности мельницы 60g, при котором частота вращения барабанов в переносном движении составила 2200 об/мин. Порошковые компакты получали односторонним холодным прессованием в форме таблеток. Синтез литиевого феррита осуществляли электронно-пучковым нагревом порошковых компактов на ускорителе ИЛУ-6 (Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск) с энергией электронов 2.4 МэВ [13]. Более подробно методика синтеза описана в [11]. Синтез осуществлялся при температуре 750 С в течение 60 мин. Данные параметры значительно ниже значений, используемых при традиционном синтезе в печи (1000-1100 С, более 10 ч) [14]. Исследование образца с помощью атомно-силового микроскопа основано на последовательном сканировании площади поверхности образца острым зондом. Сканирование поверхности производится пьезосканером, при помощи которого исследуемый образец точно перемещается относительно острия. Результаты измерения величины перемещения зонда по отношению к образцу регистрируются программным обеспечением, с помощью которого моделируется рельеф образца. Микроструктура поверхности синтезированных ферритов исследовалась с использованием атомно-силового микроскопа Solver P47. Микрорельеф поверхности образцов синтезированного феррита исследовали методом АСМ в полуконтактном режиме. Ферритовый образец в виде таблетки закрепляли на предметном столике при помощи двухстороннего скотча. При анализе поверхности использовались зонды HA_HR серии ETALON (НТ-МДТ, Россия). Стоит отметить, что каких-либо специфических артефактов, таких, как залипание зонда, аномальная генерация и т.д., во время сканирования не наблюдалось. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 1 приведены трехмерные и одномерные изображения с разным разрешением микрорельефа поверхности образца литий-титанового феррита, синтезированного методом электронно-пучкового нагрева. Рис. 1. Изображения структуры синтезированного Li0.6Fe2.2Ti0.2O4-феррита, полученного методом атомно-силовой микроскопии: а - 3D-изображение рельефа поверхности; б - микрофотография поверхности Анализ изображений структуры феррита Li0.6Fe2.2Ti0.2O4, представленных на рис. 1, показал, что средний размер частиц синтезированного феррита составляет  250 нм. Изменение рельефа лежит в диапазоне  100-600 нм. Погрешность измерения составила 5 нм. Согласно данным [11, 12], средний размер частиц литиевого феррита при термическом синтезе составляет 1-2 мкм. Таким образом, результаты АСМ свидетельствуют о том, что при электронно-пучковом способе нагрева размер частиц синтезированного феррита в 4-8 раз меньше, чем частицы феррита, полученного традиционным термическим синтезом. Этим можно объяснить высокие значения удельного электрического сопротивления и остаточной намагниченности ферритов, синтезированных методом электронно-пучко¬вого нагрева.

Скачать электронную версию публикации