DE112009001356B4

DE112009001356B4 - Verbessertes hexagonales Ferritmaterial und Verfahren zur Herstellung und Verwendung davon

Info

Publication number: DE112009001356B4
Application number: DE112009001356.2T
Authority: DE
Inventors: Michael Hill
Original assignee: Skyworks Solutions Inc
Current assignee: Allumax TTI LLC
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: DE112009001356T5; WO2009148883A8; KR20110033983A; WO2009148883A2; CN102076629A; GB2473386A; US20130292602A1; WO2009148883A3; US8524190B2; US8758721B2; CN102076629B; GB2473386B; GB201021566D0; US20090297432A1; KR101607353B1

Abstract

Eine elektrische Komponente, umfassend Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, wobei Ba Barium ist, M mindestens ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium ist, Co Kobalt ist, Fe Eisen ist, O Sauerstoff ist, mit 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ x.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Ausführungsformen und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung sind auf magnetische Materialien, die zur Verwendung in Hochfrequenz-Anwendungen geeignet sind, Verfahren zur Herstellung dieser Materialien und auf Vorrichtungen, die diese Materialien einschließen, gerichtet.
2. Erörterung des verwandten Fachgebiets
Die Druckschrift JP 2006-076872 A offenbart einen gesinterten Körper mit einem hexagonalen Z-Phasen-Ferrit gemäß der allgemeinen Formel Ba_3+aCo_2-bFe_24-cO₄₁, wobei a<0.6, b<0.4 und c<0.2 in einem Molenverhältnis sind. Der Z-Ferrit weist eine Amplitudenpermeabilität von mehr als 13 auf.
Bestimmte elektrische Vorrichtungen, die in Hochfrequenz-Anwendungen (z. B. 800 MHz bis 2,5 GHz) verwendet werden, wie Transformatoren, Drosselspulen, Zirkulatoren und Absorber, können ein magnetisches Material nutzen, wie einen keramischen Ferrit, um ihre Funktionalität zu ermöglichen oder zu verbessern.
Verschiedene hexagonale Ferritmaterialien sind als Komponenten von Vorrichtungen, wie beispielsweise Hochfrequenz-Drosselspulen, genutzt worden. Diese Materialien sind im Allgemeinen Kombinationen von Barium oder Strontium, einem zweiwertigen Übergangsmetallelement, wie Ni, Co, Mn, Zn oder Fe, und dreiwertigem Eisenoxid. Diese Verbindungen können sich in einer Vielzahl von Kristallstrukturen, die auf der Magnetoplumbit-Zelle basieren, welche üblicherweise als M-Phase, W-Phase, Y-Phase, Z-Phase, X-Phase oder U-Phase bezeichnet werden, bilden.
Ein magnetisches Material, welches hohe magnetische Permeabilität bei Frequenzen bis zu etwa 500 MHz zeigt, ist Bariumcobaltferrit der Z-Phase (Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁), welcher üblicherweise mit Co₂Z abgekürzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Klasse von Materialien gemäß einigen Ausführungsformen und Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung kann elektrische Vorrichtungen mit überlegenen Betriebsmerkmalen, die bei hohen Frequenzen betrieben werden, erleichtern. Das Dotieren von Co₂Z mit geringen Mengen eines Alkalimetalls, wie Kalium, Natrium oder Rubidium, erleichtert die Beibehaltung einer deutlichen magnetischen Permeabilität bei hohen Frequenzen verglichen mit dem, was zuvor für Materialien auf Co₂Z-Basis erhalten wurde. Die magnetische Permeabilität des Materials wird bei annehmbaren Verlusten bei viel höheren Frequenzen im Vergleich zu nicht modifizierten Ferriten beibehalten. Dies dehnt die mit der Frequenz verknüpfte Begrenzung in Vorrichtungen, wie beispielsweise Drosselspulen oder Antennen, aus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindung, umfassend einen mit Alkalimetall dotierten Hexaferrit, bereitgestellt. In Übereinstimmung mit einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung weist diese Verbindung die Formel Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, auf, wobei x in einem Bereich von 0 bis etwa 1 liegt, y weniger als x ist und M ein oder mehrere Alkalimetalle ist. Gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten ist M ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst der mit Alkalimetall dotierte Hexaferrit Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁, das mit bis zu etwa I Gewichtsprozent eines Alkalimetalls dotiert ist, wobei das Alkalimetall mindestens eines aus Kalium und Rubidium ist. Gemäß einigen Gesichtspunkten liegt der mittlere Korndurchmesser der Verbindung in einem Bereich zwischen etwa 5 µm und etwa 1 mm. Gemäß weiteren Gesichtspunkten umfasst der mit Alkalimetall dotierte Hexaferrit einen Ferrit vom Z-Typ
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Komponente bereitgestellt, umfassend Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, mit x zwischen 0 und 1 und y kleiner oder gleich x. Gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten ist die elektrische Komponente ein Radiofrequenz-Femtzirkulator, welcher gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten als ein Isolator konfiguriert ist. Gemäß einem oder mehreren anderen Gesichtspunkten ist die elektrische Komponente eine beliebige aus einer Drosselspule, einem Transformator und einer Antenne.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Hexaferrit bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Vorstufengemischs, umfassend eine Bariumquelle, eine Cobaltquelle und eine Eisenquelle, Einbringen einer Alkalimetallquelle in das Vorstufengemisch, wodurch ein Alkalimetall enthaltendes Gemisch hergestellt wird, und Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs auf eine erste Temperatur von mindestens 1100 °C für eine erste Zeitdauer, die zur Bildung von Hexaferrit-Teilchen ausreicht. Gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten umfasst dieses Verfahren ferner Aussetzen des Vorstufengemischs einer Sauerstoffquelle. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst die Sauerstoffquelle mindestens eine Sauerstoff enthaltende Verbindung eines beliebigen aus Barium, Cobalt, Eisen und einem Alkalimetall. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst die Sauerstoffquelle ein Gas. Gemäß weiteren Gesichtspunkten liegt die erste Temperatur in einem Bereich von 1100 °C bis etwa 1300 °C und liegt die erste Dauer in einem Bereich von etwa zwei Stunden bis etwa 12 Stunden. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst das Verfahren ferner Vermahlen der Hexaferrit-Teilchen zu einem Pulver mit einem Median des Teilchendurchmessers im Bereich von etwa einem Mikrometer bis etwa vier Mikrometer. Gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten umfasst das Verfahren ferner Erhitzen des Pulvers auf eine zweite Temperatur in einem Bereich von etwa 1150 °C bis etwa 1450 °C für eine zweite Zeitdauer, die zur Bildung von gesintertem Hexaferrit ausreicht, in einem Bereich von etwa zwei Stunden bis etwa 12 Stunden. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Erhitzen des Pulvers das Erhitzen des Pulvers unter einer Atmosphäre mit einem absoluten Sauerstoff-Partialdruck in einem Bereich von etwa 0,003 Pfund pro Quadratzoll (psi) bis etwa 20 Pfund pro Quadratzoll (psi) und gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Erhitzen des Pulvers das Erhitzen des Pulvers in einer Umgebung mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen etwa 20 °C pro Stunde und 200 °C pro Stunde. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst das Verfahren ferner Abkühlen des gesinterten Hexaferrits in einer Umgebung, welche sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 °C pro Stunde nach Erhitzen des Pulvers abkühlt. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs das Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs unter einer Atmosphäre mit einem absoluten Sauerstoff-Partialdruck in einem Bereich von etwa 0,003 Pfund pro Quadratzoll (psi) bis etwa 20 Pfund pro Quadratzoll (psi) und gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs das Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs in einer Umgebung mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen etwa 20 °C pro Stunde und 200 °C pro Stunde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Hexaferrit bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Gemischs, umfassend eine Bariumquelle, eine Cobaltquelle und eine Eisenquelle, Calcinieren des Gemischs bei einer Temperatur, die mindestens 1100 °C beträgt, für eine Zeitdauer, die zur Bildung von Hexaferrit-Teilchen ausreicht, und Einbringen eines Alkalimetalls in die Hexaferrit-Teilchen. Gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten umfasst das Verfahren zur Herstellung eines dotierten Hexaferrits das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die zur Bereitstellung von dotiertem Hexaferrit mit mindestens einem gewünschten magnetischen Merkmal ausreicht. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer reellen Komponente der magnetischen Permeabilität des dotierten Hexaferrits entspricht, ausreicht. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Einbringen von mindestens einer Alkalimetallverbindung in Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ in einer Menge, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer imaginären Komponente der magnetischen Permeabilität des dotierten Hexaferrits entspricht, ausreicht. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die zur Erhöhung des Verhältnisses von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r des dotierten Hexaferrits bei einer Frequenz von mindestens einer aus etwa 0,5 GHz und etwa 1 GHz relativ zu undotiertem Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ ausreicht. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die zum Versehen des dotierten Hexaferrits mit einem Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r von größer als etwa 0,8 bei einer Frequenz von mindestens einer aus etwa 0,5 GHz und etwa 1 GHz ausreicht. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die ausreicht, um dem dotierten Hexaferrit eine größere reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität bei einer Frequenz oberhalb von 1 GHz als diejenige von undotiertem Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ zu verleihen. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die ausreicht, um dem dotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ eine größere reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als etwa 10 bei einer Frequenz oberhalb von 1 GHz zu verleihen. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die ausreicht, um dem dotierten Hexaferrit eine größere Resonanzfrequenz als diejenige von undotiertem Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ zu verleihen. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ das Dotieren von Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ mit mindestens einer Alkalimetallverbindung in einer Menge, die ausreicht, um dem dotierten Hexaferrit eine größere Resonanzfrequenz als 1 GHz zu verleihen.
Figurenliste
Verschiedene Gesichtspunkte von mindestens einer Ausführungsform werden nachstehend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen wird jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Zeichnungen veranschaulicht wird, durch eine gleiche Ziffer dargestellt. Zu Zwecken der Klarheit muss nicht jede Komponente in jeder Zeichnung bezeichnet sein. Die Zeichnungen werden zum Zwecke der Veranschaulichung und Erläuterung bereitgestellt und sind nicht als eine Definition der Begrenzungen der Erfindung gemeint. In den Zeichnungen ist:

1 ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung eines Materials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ein Diagramm, das die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für verschiedene mit Kalium dotierte Hexaferrite gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B das Diagramm aus Figur 2A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
3A ein Diagramm, das die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für verschiedene mit Natrium dotierte Hexaferrite gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B das Diagramm aus Figur 3A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
4A ein Diagramm, das die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für verschiedene mit Rubidium dotierte Hexaferrite gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
4B das Diagramm aus Figur 4A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
5 ein Diagramm, das die Resonanzfrequenz von mit Kalium, Natrium und Rubidium dotierten Hexaferriten als eine Funktion des Dotierungsniveaus zeigt;
6A ein Diagramm, das die imaginäre Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für mit Kalium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
6B das Diagramm aus Figur 6A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
7A ein Diagramm, das die imaginäre Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für mit Natrium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B das Diagramm aus Figur 7A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
8A ein Diagramm, das die imaginäre Komponente der relativen magnetischen Permeabilität als eine Funktion der Frequenz für mit Rubidium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
8B das Diagramm aus Figur 8A, wobei die Frequenzachse neu skaliert wurde, um deutlicher die Daten bei Frequenzen von 100 MHz bis 10 GHz zu veranschaulichen;
9 ein Diagramm, das den magnetischen Verlustfaktor als eine Funktion der Frequenz für mit Kalium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ein Diagramm, das den magnetischen Verlustfaktor als eine Funktion der Frequenz für mit Natrium und Rubidium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ein Diagramm, das die reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität als eine Funktion der Frequenz für mit Kalium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ein Diagramm, das die reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität als eine Funktion der Frequenz für mit Natrium und Rubidium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ein Diagramm, das die imaginäre Komponente der relativen elektrischen Permittivität als eine Funktion der Frequenz für mit Kalium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ein Diagramm, das den elektrischen Verlustfaktor als eine Funktion der Frequenz für mit Kalium dotierte Hexaferrite bei mehreren Dotierungsniveaus gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zeigt; und
15 eine Kopie eines Röntgenbeugungsmuster-Tests, durchgeführt an einem Philips Diffraktometer Modellnummer PW 1830, betrieben bei 45 kV und 35 mA, wobei der Winkel 2 θ zwischen 10 und 60 Grad einer Co₂Z-Verbindung abgetastet wurde, dotiert mit 0,3 Gew.-% K₂O, hergestellt gemäß einem Gesichtspunkt eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es ist klar, dass Ausführungsformen der Materialien, Verfahren und Apparate, die hierein erläutert werden, in der Anwendung nicht auf die Einzelheiten des Aufbaus und die Anordnung der Komponenten, dargestellt in der folgenden Beschreibung oder veranschaulicht in den beiliegenden Zeichnungen, begrenzt sind. Die Materialien, Verfahren und Apparate sind zur Durchführung in anderen Ausführungsformen und zum Ausgeübt Werden oder zum auf verschiedene Arten Durchgeführt Werden in der Lage. Beispiele für spezifische Durchführungen werden hierin lediglich zu veranschaulichenden Zwecken bereitgestellt und sollen nicht begrenzend sein. Insbesondere sollen Taten, Elemente und Merkmale, die in Verbindung mit einer beliebigen oder mehreren Ausführungsformen erläutert werden, nicht von einer ähnlichen Rolle in beliebigen anderen Ausführungsformen ausgeschlossen sein. Ebenso ist die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung und sollte nicht als begrenzend angesehen werden. Die Verwendung von „einschließlich“, „umfassend“, „mit“, „enthaltend“, „betreffend“ und Variationen davon soll die danach aufgeführten Punkte und Äquivalente davon ebenso wie zusätzliche Punkte umfassen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein erhöhtes Leistungsvermögen von Vorrichtungen, die in Hochfrequenz-Anwendungen verwendet werden, wie Transformatoren, Drosselspulen, Zirkulatoren und Absorber, bereit, welche ein magnetisches Material nutzen, wie einen keramischen Ferrit, indem eine oder mehrere ihrer Betriebseigenschaften bei hohen Frequenzen verbessert werden. Die hier offenbarten Materialien zeigen unter anderem wünschenswerte Merkmale, wie verbesserte magnetische Permeabilität, während sie einen geringen magnetischen Verlustfaktor bei hohen Frequenzen zeigen, was die Verbesserung von Hochfrequenz-Betriebsmerkmalen der Vorrichtungen, welche diese Materialien nutzen, ermöglicht.
Die magnetischen Merkmale bestimmter Materialien können durch die Zugabe von Verunreinigungen zu einer ansonsten reinen Form des Materials eingestellt werden. Diese Verunreinigungen werden oft als Dotierelemente bezeichnet. Die Zugabe von bestimmten Dotierelementen zu bestimmten magnetischen Materialien kann zu Änderungen an Eigenschaften des magnetischen Materials führen, wie magnetisches Moment, magnetische Permeabilität, elektrische Permittivität, magnetischer Verlustfaktor und Peakmagnetisierung.
Einige Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung zielen auf Verbindungen ab, umfassend mit Alkalimetall dotierten Hexaferrit. Gemäß einigen Gesichtspunkten kann die Verbindung aus einem Hexaferrit und einem Alkalimetall oder einem Alkalimetalloxid bestehen oder im Wesentlichen bestehen. In noch anderen Gesichtspunkten umfasst die Verbindung einen Hexaferrit ohne ein zweiwertiges Dotierelement.
Ein Material, das zur Verwendung in Hochfrequenz-Drosselspulen und anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren, Zirkulatoren, Isolatoren, Antennen und Absorbern, die bei hohen Frequenzen betrieben werden, geeignet ist, kann aus einem Gemisch aus Barium, Cobalt, Eisen, Sauerstoff und einem oder mehreren Alkalimetallen erzeugt werden. Dieses Material kann eine Zusammensetzung haben, die derjenigen von Co₂Z ähnlich ist, aber mit einer ausreichenden Menge von einem oder mehreren Dotierelementen, die in vorteilhafter Weise ein oder mehrere wünschenswerte Merkmale bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann das Dotierelement einen Teil der Bariumatome in dem Co₂Z-Kristallgitter ersetzen und kann sich auch oder alternativ in das Kristallgitter integrieren, beispielsweise an Zwischengitterplätzen, was zu einer Verbindung mit einer Gesamtformeldarstellung von Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ führt, wobei M ein oder mehrere Alkalimetalle ist, x zwischen null und etwa eins liegt und y weniger als oder gleich x ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindung Teile mit einer Gesamtformeldarstellung von Ba_3-yM_xCo₂,Fe₂₄O_41+0,5x und/oder (Ba₃Co₂)_1-xM_xCo₂Fe₂₄O_41+0,5x einschließen.
In einigen Gesichtspunkten kann die Verbindung ein Kristallgitter der Z-Phase umfassen, wobei andere Phasen, beispielsweise Y- und/oder M-Phasen, auch in Konzentrationen von beispielsweise etwa zwei Molprozent bis etwa zehn Molprozent vorhanden sind.
In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Dotierelemente in der Kristallmatrix als Oxide vorhanden sein. Ohne an eine besondere Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die Zugabe oder das Einbringen von einem oder mehreren Alkalimetall enthaltenden Dotierelementen in die Co₂Z-Matrix oder Kristallstruktur davon die Reduktion von Eisen aus dem Fe³⁺- in den Fe²⁺-Zustand während der Herstellung davon verhindern oder hemmen kann, was zulässt, dass das hergestellte Material eine wünschenswerte magnetische Permeabilität mit einem verhältnismäßig geringen magnetischen Verlustfaktor bei höheren Frequenzen als undotiertes Co₂Z zeigt.
Einige Gesichtspunkte der Erfindung können Arbeitsverfahren zur Herstellung von dotierten Hexaferriten betreffen. Ein Verfahren zur Erzeugung eines magnetischen Materials gemäß einiger Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft in 1 veranschaulicht. In dem ersten Schritt dieses Verfahrens, bezeichnet als Schritt 10, werden passende Mengen an Vorstufenmaterialien - Reaktionspartner, die Barium, Cobalt, Eisen, ein oder mehrere Alkalimetalle und Sauerstoff bereitstellen können, die das magnetische Material bilden können - miteinander gemischt. In einigen Gesichtspunkten kann mindestens ein Teil des Sauerstoffs in Form einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung von Barium (Ba), Cobalt (Co), Eisen (Fe) oder einem oder mehreren Alkalimetallen bereitgestellt werden. Beispielsweise können diese Elemente in Carbonat- oder Oxidformen oder in anderen, Sauerstoff enthaltenden Vorstufenformen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, bereitgestellt werden. In einem oder mehreren Gesichtspunkten können ein oder mehrere Vorstufenmaterialien in einer keinen Sauerstoff enthaltenden Verbindung oder in einer reinen elementaren Form bereitgestellt werden. In anderen Gesichtspunkten könnte Sauerstoff aus einer getrennten Verbindung, wie beispielsweise H₂O₂, oder aus gasförmigem Sauerstoff oder Luft zugeführt werden.
Beispielsweise werden in einem Gesichtspunkt BaCO₃-, Co₃O₄- und Fe₂O₃-Vorstufen in einem Verhältnis, das für die Bildung von Co₂Z (beispielsweise etwa 22 Gew.-% BaCO₃, etwa 6 Gew.-% Co₃O₄ und etwa 72 Gew.-% Fe₂O₃) passend ist, zusammen mit zwischen etwa 0,06 Gew.-% und etwa 3,6 Gew.-% K₂CO₃ gemischt. Diese Vorstufenverbindungen können in Wasser oder Alkohol unter Verwendung von beispielsweise einem Cowles-Mischer, einer Kugelmühle oder einer Schwingmühle, gemischt oder vermischt werden. Diese Vorstufen können auch in einer trockenen Form vermischt werden.
Das vermischte Gemisch kann dann getrocknet werden, falls notwendig (Schritt 20). Das Gemisch kann auf eine beliebige einer Anzahl von Arten getrocknet werden, einschließlich beispielsweise Tiegeltrocknen oder Sprühtrocknen. Das getrocknete Gemisch kann dann auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer erhitzt werden (Schritt 30), um das Calcinieren zu fördern. Beispielsweise kann sich die Temperatur in dem in Erhitzungsschritt 30 verwendeten Erhitzungssystem mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 20 °C pro Stunde und etwa 200 °C pro Stunde erhöhen, um eine Durchwärmtemperatur von etwa 1100 °C bis 1300 °C zu erreichen, welche etwa zwei Stunden bis etwa zwölf Stunden gehalten werden kann. Das Erhitzungssystem kann beispielsweise ein Ofen oder ein Brennofen sein. Das Gemisch kann einen Verlust an Feuchtigkeit und/oder Reduktion oder Oxidation einer oder mehrerer Komponenten und/oder die Zersetzung von Carbonaten und/oder organischen Verbindungen, welche vorhanden sein können, erfahren. Mindestens ein Teil des Gemischs kann eine feste Hexaferritlösung bilden.
Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, die Durchwärmtemperatur und die Dauer, wie lange das Gemisch erhitzt wird, können in Abhängigkeit von den Erfordernissen für eine spezielle Anwendung gewählt werden. Beispielsweise kann, falls kleine Kristallkörner in dem Material nach dem Erhitzen erwünscht sind, ein schnellerer Temperaturanstieg und/oder niedrigere Durchwärmtemperatur und/oder kürzere Erhitzungsdauer ausgewählt werden im Gegensatz zu einer Anwendung, wo größere Kristallkörner erwünscht sind. Zusätzlich kann die Verwendung unterschiedlicher Mengen und/oder Formen von Vorstufenmaterialien zu unterschiedlichen Erfordernissen für Parameter führen, wie Temperaturanstiegsgeschwindigkeit und Durchwärmtemperatur und/oder Dauer, um dem nach-erhitzten Gemisch erwünschte Merkmale zu verleihen.
Nach dem Erhitzen kann das Gemisch, welches agglomerierte Teilchen der festen Hexaferritlösung gebildet haben kann, auf Zimmertemperatur oder jede andere Temperatur abgekühlt werden, welche die weitere Verarbeitung erleichtern würde. Die Abkühlgeschwindigkeit des Erhitzungssystems kann beispielsweise 80 °C pro Stunde betragen. In Schritt 40 können die agglomerierten Teilchen vermahlen werden. Das Vermahlen kann in Wasser, in Alkohol, in einer Kugelmühle, einer Schwingmühle oder anderem Vermahlapparat stattfinden. In einigen Gesichtspunkten wird das Vermahlen fortgesetzt, bis der Median des Teilchendurchmessers des resultierenden pulverisierten Materials etwa ein bis etwa vier Mikrometer beträgt, auch wenn andere Teilchengrößen, beispielsweise etwa ein bis etwa zehn Mikron im Durchmesser, bei einigen Anwendungen annehmbar sein können. Diese Teilchengröße kann unter Verwendung von beispielsweise einem Sedigraphen oder einer Laserstreuungstechnik gemessen werden. Ein Zielmedian der Teilchengröße kann ausgewählt werden, um eine ausreichende Oberfläche der Teilchen bereitzustellen, um das Sintern in einem späteren Schritt zu erleichtern. Teilchen mit einem kleineren Median des Durchmessers können reaktiver sein und einfacher gesintert werden als größere Teilchen. Bei einigen Verfahren können ein oder mehrere Alkalimetalle oder Alkalimetallvorstufen oder andere Dotierelementmaterialien eher an diesem Punkt (Schritt 40) als in Schritt 10 oder zusätzlich dazu zugegeben werden.
Das pulverisierte Material kann getrocknet werden (Schritt 50), falls notwendig, und das getrocknete Pulver kann zu einer gewünschten Gestalt unter Verwendung von beispielsweise einer uniaxialen Presse oder einer isostatischen Presse (Schritt 60) gepresst werden. Der zum Pressen des Materials verwendete Druck kann beispielsweise bis zu 80.000 N/m2 betragen und liegt typischerweise im Bereich von etwa 20.000 N/m2 bis etwa 60.000 N/m². Ein höherer Pressdruck kann zu einem dichteren Material im Anschluss an weiteres Erhitzen führen als ein niedrigerer Pressdruck.
In Schritt 70 kann das gepresste pulverisierte Material gesintert werden, wodurch sich eine feste Masse von dotiertem Hexaferrit bildet. Die feste Masse an dotiertem Hexaferrit kann in einer Form mit der Gestalt einer gewünschten Komponente, die aus dem dotierten Hexaferrit geformt werden soll, gesintert werden. Das Sintern des dotierten Hexaferrits kann bei einer geeigneten oder gewünschten Temperatur und für eine Zeitdauer, die zur Bereitstellung von einem oder mehreren gewünschten Merkmalen, wie Kristallkorngröße, Niveau der Verunreinigungen, Kompressibilität, Zugfestigkeit, Porosität und in einigen Fällen magnetische Permeabilität, aber nicht darauf begrenzt, ausreicht, durchgeführt werden. Vorzugsweise fördern die Sinterbedingungen ein oder mehrere gewünschte Materialmerkmale, ohne andere wünschenswerte oder unerwünschte Eigenschaften zu beeinflussen oder mindestens mit annehmbaren Änderungen daran. Beispielsweise können die Sinterbedingungen die Bildung des gesinterten dotierten Hexaferrits bei geringer oder minimaler Eisenreduktion fördern. Gemäß einigen Gesichtspunkten kann die Temperatur in dem im Sinterschritt 70 verwendeten Erhitzungssystem mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 20 °C pro Stunde und etwa 200 °C pro Stunde erhöht werden, um eine Durchwärmtemperatur von etwa 1150 °C bis 1450 °C zu erreichen, welche etwa zwei Stunden bis etwa zwölf Stunden gehalten werden kann. Das Erhitzungssystem kann beispielsweise ein Ofen oder ein Brennofen sein. Ein langsamerer Anstieg und/oder eine höhere Durchwärmtemperatur und/oder eine längere Sinterdauer können zu einem dichteren gesinterten Material führen, als unter Verwendung eines schnelleren Temperaturanstiegs und/oder einer niedrigeren Durchwärmtemperatur und/oder einer kürzeren Erhitzungsdauer erzielt werden könnte. Die Erhöhung der Dichte des gesinterten Endmaterials, indem Anpassungen beispielsweise beim Sinterverfahren vorgenommen werden, kann durchgeführt werden, um ein Material mit einer gewünschten magnetischen Permeabilität, Sättigungsmagnetisierung und/oder Magnetostriktionskoeffizienten bereitzustellen. Gemäß einigen Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Dichtebereich des gesinterten Hexaferrits zwischen etwa 4,75 g/cm³ und etwa 5,36 g/cm³ liegen. Eine gewünschte magnetische Permeabilität des dotierten Hexaferrits kann auch durch Anpassen der Wärmebehandlung des Materials erzielt werden, um Körner mit gewünschten Größen herzustellen.
Die Korngröße des durch Ausführungsformen der Verfahren hierin hergestellten Materials kann zwischen etwa fünf Mikrometern und einem Millimeter im Durchmesser in Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedingungen variieren, wobei noch größere Korngrößen in einigen Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sind. In einigen Gesichtspunkten kann jeder Kristall des Materials eine einzige magnetische Domäne umfassen.
Sowohl dotiertes Co₂Z als auch undotiertes Co₂Z können Mitglieder der Familie der planaren Hexaferrite sein, die als Ferroxplana bezeichnet wird, mit einer Ferritkristallstruktur vom Z-Typ.
Bei einigen Verfahren, welche Anwendungen befriedigen, wo ein pulverisiertes dotiertes Hexaferritmaterial erwünscht ist, kann das gesinterte Material nach dem Sintern (Schritt 80) zerkleinert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann einer der oder beide Erhitzungsschritte 30 und 70 an Luft bei Atmosphärendruck (mit einem absoluten Partialdruck von Sauerstoff von etwa drei Pfund pro Quadratzoll) oder in einer Atmosphäre mit einem absoluten Sauerstoff-Partialdruck bis zu etwa zwölf Pfund pro Quadratzoll oberhalb von demjenigen an Luft bei Atmosphärendruck (d. h. etwa fünfzehn psi) durchgeführt werden. Einer der oder beide Erhitzungsschritte 30 und 70 kann an Luft bei anderen Luftdrücken und Sauerstoff-Partialdrücken gemäß anderen Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Bei einigen Verfahren gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der Erfindung können Gastypen, unter denen einer dieser oder beide Erhitzungsschritte durchgeführt werden können, Sauerstoff unter einem Druck von bis zu zwanzig psi absolutem Druck, strömenden Sauerstoff, stehende Luft, strömende Luft und Gemische aus Stickstoff oder Argon und Sauerstoff von 0,5 Atom-% bis zu reinem Sauerstoff einschließen. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder Sauerstoff kann variieren und hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der gewünschten Menge an verfügbarem äquivalenten Sauerstoff, aber nicht begrenzt darauf. Beispielsweise kann die Luft- oder Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit bis zu etwa 50 Kubikfuß pro Minute (cfm) betragen. In Gesichtspunkten, bei denen strömende Luft, strömender Sauerstoff oder strömendes anderes Gas genutzt wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise etwa 30 cfm betragen.
Die vorstehende Beschreibung des Verfahrens soll nicht begrenzend sein. Bei einigen Verfahren gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung können einige der vorstehend beschriebenen Schritte kombiniert, in alternativer Reihenfolge durchgeführt oder sogar ausgeklammert werden. Ferner können zusätzliche Schritte, die nicht ausdrücklich beschrieben wurden, in einem oder mehreren Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.
Materialien, die nach einem oder mehreren Gesichtspunkten des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden, können eine Verbindung oder Verbindungen der Formel Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ umfassen, in der M ein Alkalimetall ist, x zwischen null und etwa eins liegt und y weniger als oder gleich x ist. In einem oder mehreren anderen Gesichtspunkten des vorstehend beschriebenen Verfahrens können mehrere Alkalimetalldotierelemente in das Material eingebracht werden, was zu einer Verbindung oder Verbindungen beispielsweise der Formel Ba_3-zK_wNa_xRb_yCo₂Fe₂₄O₄₁ führt, wobei die Summe aus w, x und y in einem Bereich zwischen null und etwa eins liegt und z weniger als etwa eins ist. Der Wert der tief gestellten Indizes w, x, y und z variiert mit der Menge an Alkalimetall oder -metallen und/oder Alkalimetallvorstufe oder -vorstufen, die bei der Erzeugung des Materials genutzt wird. Die Mengen an den verschiedenen Alkalimetallen, die zur Bildung des dotierten Hexaferrits zugegeben werden, können ausgewählt werden, um die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Materials, wie elektrische Permittivität und magnetische Permeabilität, anzupassen, damit sie sich für eine bestimmte Anwendung eignen.
In einigen Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können andere Formen von Dotierelementen, beispielsweise ein- oder mehrwertige Metalle, wie eines oder mehrere aus Ni, Bi, Co, Mn, Sr, Cu oder Zn, aber nicht darauf begrenzt, zusätzlich zu einem oder mehreren Alkalimetalldotierelementen auf Weisen eingeschlossen werden, die denjenigen, die zum Einbringen der vorstehend erläuterten einen oder mehreren Alkalimetalldotierelemente verwendet werden, ähnlich sind. Die Zugabe eines oder mehrerer ein- oder mehrwertiger Metalldotierelemente zu dem dotierten Hexaferrit kann bei Anwendungen nützlich sein, wo es erwünscht ist, die magnetische Permeabilität des dotierten Hexaferrits zu modifizieren.
In weiteren Gesichtspunkten können Sinterhilfsmittel und/oder Dichtemodifizierungshilfsmittel, beispielsweise SiO₂ und/oder CaO, und/oder Mittel zur Einstellung des magnetischen Verlustfaktors, beispielsweise MgO, auch zu der Verbindung während der Erzeugung in einer Konzentration von beispielsweise etwa null bis drei Molprozent zugegeben werden. Andere Mittel und/oder Verunreinigungen, die in der Verbindung vorhanden sein können, können eines oder mehrere aus Mn₂O₃, Al₂O₃, NiO, ZnO, SrO, TiO₂, ZrO₂, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, Nb₂O₅ oder CuO in einer Konzentration von beispielsweise etwa null bis etwa drei Molprozent einschließen.
In weiteren Gesichtspunkten der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein dotierter Hexaferrit mit einem oder mehreren ferromagnetischen Materialien, beispielsweise Co, Fe oder Ni, einem oder mehreren ferroelektrischen Materialien, beispielsweise BaTiO₃ oder PbTiO₃, und/oder einem oder mehreren dielektrischen Materialien, beispielsweise SiO₂, oder beliebigen von verschiedenen Metalloxiden oder Kombinationen davon kombiniert werden, um ein Verbundmaterial zu bilden. Eigenschaften des Verbundmaterials, wie magnetische Permeabilität und/oder elektrische Permittivität, können für eine bestimmte Anwendung durch beispielsweise Kombinieren unterschiedlicher Mengen von dotiertem Hexaferrit mit unterschiedlichen Mengen von ferromagnetischen, ferroelektrischen und/oder dielektrischen Materialien angepasst werden.
Das Dotierungsniveau einer fertig gestellten Komponente, die aus dem dotierten Hexaferrit erzeugt wurde, kann in der gesamten Komponente einheitlich sein. Jedoch kann in einigen Gesichtspunkten gemäß der vorliegenden Erfindung das Dotierungsniveau einer fertig gestellten Komponente, die aus dem dotierten Hexaferrit erzeugt wurde, nicht in der gesamten Komponente einheitlich sein. Beispielsweise kann das Dotierungsniveau eines oder mehrerer Dotierelemente in Bereichen in der Nähe oder an einer Oberfläche der Komponente höher oder niedriger sein im Gegensatz zu Bereichen im Inneren der Komponente. Dies kann auf viele Arten erreicht werden.
Bei einem Verfahren gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung kann ein Dotierkonzentrationsgradient geschaffen werden, indem die Menge der zugegebenen Dotiervorstufenverbindungen relativ zu dem Hexaferrit in unterschiedlichen Bereichen des vor-gesinterten dotierten Hexaferritmaterials variiert wird. Bei anderen Verfahren gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung kann eine Verbindung, umfassend ein höheres Niveau eines bestimmten Dotierelements als in dem dotierten Hexaferrit vorhanden, in Kontakt mit einem Gebiet oder Gebieten des dotierten Hexaferrits während mindestens eines Teils der Calcinier- und/oder Sinterschritte gebracht werden, was es dem Dotierelement ermöglicht, in den dotierten Hexaferrit von der Oberfläche einwärts zu diffundieren, was zu einem Gradienten dieses Dotierelements von einem höheren Niveau an der Oberfläche zu einem niedrigeren Niveau im Inneren der dotierten Hexaferritkomponente führt. Das Dotierungsprofil des Dotierkonzentrationsgradienten kann durch Wärmebehandlungsverfahren modifiziert werden, um beispielsweise lineare oder exponentielle Dotierelementenkonzentrationsgradienten zu schaffen. Alternativ kann eine Materialverbindung, umfassend ein niedrigeres Niveau eines bestimmten Dotierelements als in dem dotierten Hexaferrit vorhanden, in Kontakt mit einem Gebiet oder Gebieten des dotierten Hexaferrits während mindestens eines Teils der Calcinier- und/oder Sinterschritte gebracht werden, was es dem Dotierelement ermöglicht, nach außen von der Oberfläche des dotierten Hexaferrits zu diffundieren, was zu einem Gradienten der Dotierelementenkonzentration von einem höheren Niveau im Inneren zu einem niedrigeren Niveau an der Oberfläche der erzeugten dotierten Hexaferritkomponente führt.
Der Gradient des Dotierungsniveaus von mehreren unterschiedlichen Dotierelementen kann auf diese Weise gesteuert werden, z. B. können unterschiedliche Verbindungen mit unterschiedlichen Niveaus von unterschiedlichen Dotierelementen in Kontakt mit dem dotierten Hexaferrit zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder für unterschiedliche Zeitdauern oder bei unterschiedlichen Temperaturen während verschiedener Phasen der Calcinier- und/oder Sinterschritte der Erzeugung der dotierten Hexaferritverbindung gebracht werden.
Dotierelementengradienten können auch in den dotierten Hexaferrit unter Verwendung von Techniken eingebracht werden, wie diejenigen, die mit Ionenimplantation und nachfolgender Wärmebehandlung verbunden sind. Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann dotierter Hexaferrit bei einer hohen Temperatur, wie während eines Sinterschritts, einer Atmosphäre, die an einem Dotierelement oder einer Dotierelementverbindung reich ist, ausgesetzt werden, damit das Dotierelement in den dotierten Hexaferrit eingeführt wird.
Gradienten im Dotierungsniveau in dem dotierten Hexaferrit können bei einigen Anwendungen nützlich sein, wo von Eigenschaften, wie Leitfähigkeit, gewünscht wird, dass sie auf einem bestimmten Niveau sind, z. B. niedrig an der Oberfläche eines dotierten Hexaferrits, aber höher innerhalb der Masse des Materials. Ein bestimmtes Dotierelement kann mehrere Eigenschaften beeinflussen, wie Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität. Falls sich die Leitfähigkeit verbessert, während sich die magnetische Permeabilität durch erhöhte Niveaus eines bestimmten Dotierelements verschlechtert, kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, eine dotierte Hexaferritkomponente mit einem hohen Niveau dieses Dotierelements im Inneren der Komponente, aber einem niedrigen Niveau an der Außenseite herzustellen, wodurch eine Komponente mit einer hohen totalen magnetischen Permeabilität, aber niedriger Oberflächenleitfähigkeit bereitgestellt wird.
In einigen Gesichtspunkten gemäß der vorliegenden Erfindung kann der dotierte Hexaferrit vor oder nach dem Sintern maschinell zu der Gestalt und Größe einer gewünschten Komponente bearbeitet werden.
In anderen Gesichtspunkten kann der dotierte Hexaferrit in pulverisierter oder nicht pulverisierter Form in ein Polymer oder anderes Material, wie beispielsweise ein Epoxid, eingebracht werden, wodurch ein Verbundmaterial in einer gewünschten Gestalt erzeugt wird. Das Polymer oder Epoxid kann als ein Bindemittel für das dotierte Hexaferritmaterial fungieren. Der dotierte Hexaferrit kann zu einem Pulver zerkleinert und mit einem geschmolzenen Polymer oder flüssigen Epoxid gemischt werden, welches härten gelassen wird. In einigen Anwendungen kann das Polymer oder Epoxid in einer Form in der Gestalt einer gewünschten Komponente gehärtet werden. Dies kann bei Anwendungen nützlich sein, wo die Gestalt einer gewünschten Komponente durch maschinelle Bearbeitung schwierig zu erzielen ist, oder bei Anwendungen, wo es gewünscht wird, einen Grad der Flexibilität oder Beständigkeit gegen Reißen einer Komponente zu verleihen, die den dotierten Hexaferrit einschließt. Polymere oder Epoxide mit passenden Niveaus der Flexibilität und/oder Härte können ausgewählt werden und verschiedene Beladungen von dotiertem Hexaferritmaterial können in die Polymer- oder Epoxidmatrix eingebracht werden, um eine Komponente mit einer gewünschten Flexibilität und/oder Schlagbeständigkeit und gewünschten magnetischen und elektrischen Eigenschaften herzustellen. In einigen Gesichtspunkten können zusätzliche Materialien, wie ferroelektrische oder dielektrische Materialien, mit dem dotierten Hexaferrit in der Epoxid- oder Polymermatrix kombiniert werden, um ein Verbundmaterial mit gewünschten magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften zu erzeugen.
In anderen Gesichtspunkten kann der dotierte Hexaferrit mit einem dielektrischen Material verbunden werden, um eine magnetisch/dielektrische Verbundvorrichtungskomponente zu erzeugen. Beispielsweise könnte ein Stab, erzeugt aus dem dotierten Hexaferrit, mit einem Klebstoff innerhalb eines Rohrs aus einem Dielektrikum, wie beispielsweise ein keramisches Material mit der Zusammensetzung MgO-CaO-ZnO-Al₂O₃-TiO₂, verbunden werden. Die Baueinheit aus Stab und Rohr könnte dann zu Scheiben zerschnitten werden, umfassend eine Scheibe aus dem dotierten Hexaferrit koaxial umgeben von einem Ring aus Dielektrikum. Solche Scheiben könnten als Komponenten von Hochfrequenz-Zirkulatoren oder -Isolatoren verwendet werden.
In anderen Gesichtspunkten können dotierte Hexaferrite gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung auf einen Halbleiter durch Sputtern oder andere Mittel als Teil beispielsweise der Herstellung eines integrierten Radiofrequenzschaltkreises abgeschieden werden, um eine Drosselspule eines mehrschichtigen Chips oder einen Wulst eines mehrschichtigen Chips zu erzeugen.
Die vorstehend erläuterten Materialien und Materialkombinationen können überlegene magnetische Eigenschaften bei hohen Frequenzen im Vergleich zu Materialien, wie undotiertes Co₂Z, zeigen, wie es in den 2 bis 14 veranschaulicht ist.
Beispiel
Probenherstellung
Passende Niveaus an BaCO₃-, Co₃O₄- und Fe₂O₃-Vorstufen wurden zusammen mit verschiedenen Mengen an Alkalimetallcarbonaten (0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% und 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat; 0,04 Gew.-%, 0,08 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Natriumcarbonat; und 0,02 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,4 Gew.-% und 0,8 Gew.-% Rubidiumcarbonat) gemischt, um Proben von dotiertem Co₂Z zu erzeugen. Zwei Toroide mit sieben Millimetern Außendurchmesser wurden aus jeder Materialprobe erzeugt, ein kurzer (∼ 100 mils (0,254 cm) lang) und ein langer (∼ 200 mils (0,508 cm) lang).
Die Proben wurden erzeugt, indem zuerst die BaCO₃-, Co₃O₄- und Fe₂O₃-Vorstufen in einer Kugelmühle in Wasser vermischt wurden, die vermischte Kombination getrocknet wurde und die vermischte Kombination unter stehender Luft bei Atmosphärendruck bei einer Durchwärmtemperatur von 1190 °C acht Stunden lang in einem Brennofen bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit und einer Abkühlgeschwindigkeit von 100 °C/Stunde calciniert wurde. Alkalimetallcarbonate in den vorstehend aufgeführten Konzentrationen wurden zu dem verwendeten calcinierten Material gegeben, wodurch jede einzelne Probe erzeugt wurde. Das calcinierte Material und Alkalimetallcarbonat für jede Probe wurde dann in einer Kugelmühle in Wasser vermahlen, wodurch Teilchen mit einem Median-Durchmesser von etwa fünfzig Mikrometer gebildet wurden. Das vermahlene Material wurde getrocknet und zu zwei Zoll (5,1 cm) langen Stäben mit 0,5 Zoll (1,3 cm) Durchmesser unter Verwendung einer isostatischen Presse unter einem Druck von etwa 180.000 N/m2 gepresst. Die Stäbe wurden zu der vorstehend beschriebenen Gestalt und den vorstehend beschriebenen Abmessungen geschnitten und unter Sauerstoff bei Atmosphärendruck, der mit 30 cfm strömte, bei einer Durchwärmtemperatur von 1250 °C acht Stunden lang in einem Brennofen mit einer Erhitzungs- und Abkühlgeschwindigkeit von 100 °C/Stunde gesintert.
Das vorstehende Verfahren ergibt Co₂Z dotiert mit Alkalimetalloxiden in Übereinstimmung mit einigen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung. Wie in 15 gezeigt, zeigt eine Verbindung, hergestellt gemäß dem vorstehenden Verfahren und dotiert mit 0,3 Gew.-% K₂O, Röntgenbeugungspeaks an Stellen, die denjenigen entsprechen, die von Co₂Z erwartet würden, wobei die Winkelpositionen davon durch die kurzen vertikalen Linien auf der horizontalen Linie mit der Bezeichnung „Bariumcobalteisenoxid“ in 15 angegeben werden.
Analysenmethodik
Die Daten in den 2 bis 14 wurden unter Verwendung der folgenden Vorgehensweise erzeugt:
Die Proben wurden in einer koaxialen Luftleitung analysiert und die volle S-Parameter-Streumatrix von 50 MHz bis 18.500 MHz (18,5 GHz) wurde aufgezeichnet. Aus diesen Daten wurden die Materialmerkmale ε* (die dimensionslose komplexe relative elektrische Permittivität) und µ* (die dimensionslose komplexe relative magnetische Permeabilität) unter Verwendung der Verfahren abgeleitet, beschrieben in A. M. Nicolson und G. F. Ross, in „Measurement of the intrinsic properties of materials by time domain techniques", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Bd. 19, Nr. 4, S. 377-382, Nov. 1970, modifiziert wie in dem Artikel von James Baker-Jarvis, Eric J. Vanzura und William A. Kissick, „Improved Technique for Determining Complex Permittivity with the Transmission/Reflection Method", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 38, Nr. 8, S. 1096 - 1103, August 1990, die hierin durch die Bezugnahme eingeschlossen sind. Die kürzeren Proben ergaben in der Regel verrauschte Daten am unteren Ende dieses Frequenzbereichs, stellten aber konsistente Ergebnisse bei höheren Frequenzen bereit. Die längeren Proben zeigten das entgegen gesetzte Verhalten; sie ergaben in der Regel konsistente Daten am unteren Frequenzbereich, ergaben aber verrauschte Daten bei höheren Frequenzen. Beide Datensätze überlappten über einen ziemlich breiten Abschnitt innerhalb des Frequenzbereichs, in dem Testen durchgeführt wurde. Nachdem diese Messungen gesammelt worden waren, wurden die kleineren Proben unter Verwendung eines Hewlett-Packard 4291 Impedance Analyzer bei Frequenzen von 1 MHz bis 1800 MHz (1,8 GHz) analysiert. Drei Datensätze wurden somit für jede getestete Probe erzeugt, welche in großem Maße überlappten. Diese Daten wurden zusammen aufgetragen, und die Punkte, welche von Satz zu Satz nicht konsistent waren, wurden verworfen, was zu glatten Kurven von 1 MHz to 18,5 GHz führte. Einige Diskontinuitäten in den erzeugten Kurven wurden als Artifakte dieser Messmethodik angesehen.
Wirkung von Dotierung mit Kaliumcarbonat auf die reelle Komponente der magnetischen Permeabilität
Unter Bezug auf die 2A und 2B wird die Änderung in der reellen Komponente der dimensionslosen komplexen relativen magnetischen Permeabilität µ’ (hierin einfach als die magnetische Permeabilität bezeichnet) gegen die Frequenz für Co₂Z, das mit verschiedenen Niveaus von Kaliumcarbonat dotiert ist, gezeigt. In diesen Figuren werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, durch die Linien 2-a bis 2-f gekennzeichnet. Es kann gesehen werden, dass mit Kaliumcarbonat dotiertes Co₂Z eine verhältnismäßig konstante magnetische Permeabilität unterhalb von etwa 0,2 GHz zeigt. Bei höheren Frequenzen zeigt das Material einen Anstieg in der magnetischen Permeabilität, gefolgt von einem Peak, und dann einen raschen Abfall in der magnetischen Permeabilität, wenn die Frequenz weiter zunimmt. Der Punkt, an dem die magnetische Permeabilität eines Materials einen Peak erreicht, wird hierin als die „Resonanzfrequenz“ des Materials bezeichnet werden. In den 2A und 2B kann beobachtet werden, dass die Zugabe kleiner Mengen (z. B. weniger als etwa 3,6 Gew.-%) von Kaliumcarbonat zu Co₂Z die Resonanzfrequenz des Materials erhöht. Beispielsweise zeigt undotiertes Co₂Z eine Resonanzfrequenz bei etwa 0,64 GHz, während Co₂Z, das aus BaCO₃-, Co₂O₃- und Fe₂O₃-Vorstufen erzeugt und mit etwa 0,6 Gew.-% K₂CO₃-Vorstufe dotiert ist, eine Resonanzfrequenz bei etwa 1,4 GHz zeigt, mehr als etwa zweimal diejenige von undotiertem Co₂Z. Dies zeigt, dass elektrische Vorrichtungskomponenten, wie beispielsweise Hochfrequenz-Drosselspulenkerne, hergestellt aus mit Kalium dotiertem Co₂Z, in der Lage sein können, ihre magnetische Permeabilität beizubehalten und in einem höheren Frequenzbereich oder in einem breiteren Frequenzbereich betrieben zu werden als derjenige von ähnlichen Vorrichtungen oder Vorrichtungskomponenten, hergestellt aus undotiertem Co₂Z.
Es kann auch beobachtet werden, dass die Zugabe von Kaliumcarbonatvorstufe zu dem Co₂Z-Material zu einer Abnahme des absoluten Niveaus der magnetischen Permeabilität bei der niedrigen Frequenz (z. B. Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Materials) führt. Dies zeigt, dass die Zunahme in der Resonanzfrequenz mit einer Abnahme in der absoluten magnetischen Permeabilität korrelieren kann.
Für hohe Niveaus von Kaliumdotierung (z. B. 3,6 Gew.-% K₂CO₃-Vorstufe) ist die Zunahme in der Resonanzfrequenz des Materials nicht so ausgeprägt wie sie es für Co₂Z mit niedrigeren Niveaus von Kaliumdotierung ist. Bei hohem Kaliumdotierungsniveau (z. B. 3,6 Gew.-% K₂CO₃-Vorstufe) nähert sich die Resonanzfrequenz des dotierten Materials derjenigen von undotiertem Co₂Z an.
Wirkung von Dotierung mit Natriumcarbonat und Rubidiumcarbonat auf die reelle Komponente der magnetischen Permeabilität
Die 3A, 3B, 4A und 4B veranschaulichen die Änderung in der magnetischen Permeabilität gegen die Frequenz von Co₂Z, das mit verschiedenen Niveaus von Natriumcarbonat bzw. Rubidiumcarbonat dotiert ist. In diesen Figuren werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,08 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Natriumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in den 3A und 3B durch die Linien 3-a bis 3-d gekennzeichnet, und werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,02 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,4 Gew.-% bzw. 0,8 Gew.-% Rubidiumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in den 4A bis 4B durch die Linien 4-a bis 4-g gekennzeichnet.
Das undotierte Co₂Z, das in Verbindung mit dem mit Natriumcarbonat und mit Rubidiumcarbonat dotierten Co₂Z analysiert wurde, hatte eine unterschiedliche gebrannte Dichte als dasjenige, das in Verbindung mit dem mit Kaliumcarbonat dotierten Co₂Z analysiert wurde, was zu unterschiedlichen beobachteten magnetischen Eigenschaften für das undotierte Co₂Z, das in den 3A, 3B, 4A und 4B veranschaulicht wird, im Vergleich zu den beobachteten magnetischen Eigenschaften des undotierten Co₂Z, das in den 2A und 2B veranschaulicht wird, führt. Dies erklärt die Diskrepanz in beispielsweise der beobachteten Resonanzfrequenz für das undotierte Co₂Z, das zusammen mit den mit Kaliumcarbonat dotierten Materialien getestet wurde, im Vergleich zu derjenigen des undotierten Co₂Z, das zusammen mit den mit Natriumcarbonat und Rubidiumcarbonat dotierten Materialien getestet wurde.
Wie in den Figuren 2A und 2B für Kaliumcarbonat kann in den 3A, 3B, 4A und 4B beobachtet werden, dass die Zugabe von ausreichenden Mengen an Natriumcarbonat oder Rubidiumcarbonat zu Co₂Z die Resonanzfrequenz des Materials relativ zu undotierten Co₂Z erhöht, während sie das absolute Niveau der magnetischen Permeabilität bei niedrigen Frequenzen absenkt. Beispielsweise zeigt Co₂Z, das mit etwa 0,4 Gew.-% Na₂CO₃-Vorstufe dotiert ist, eine Resonanzfrequenz von etwa 1,3 GHz und eine magnetische Permeabilität bei niedriger Frequenz von etwa 9,5 im Vergleich zu einer Resonanzfrequenz von etwa 0,4 GHz und einer magnetischen Permeabilität bei niedriger Frequenz von etwa 14 für undotiertes Co₂Z. Co₂Z, das mit etwa 0,8 Gew.-% Rb₂CO₃-Vorstufe dotiert ist, zeigt eine Resonanzfrequenz von etwa 1,15 GHz und eine magnetische Permeabilität bei niedriger Frequenz von etwa 10 im Vergleich zu einer Resonanzfrequenz von etwa 0,4 GHz und einer magnetischen Permeabilität bei niedriger Frequenz von etwa 14 für undotiertes Co₂Z.
Vergleich der Resonanzfrequenz für unterschiedliche Alkalimetalldotierelemente
5 veranschaulicht die Resonanzfrequenz der magnetischen Permeabilität gegen das Dotierungsniveau für mit Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat und Rubidiumcarbonat dotiertes Co₂Z. Ein Datenpunkt, der mit 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiertem Co₂Z entspricht, wurde aus diesem Diagramm der Klarheit wegen weggelassen. Es kann beobachtet werden, dass es einen raschen Anstieg in der Resonanzfrequenz unterhalb von etwa 0,2 Gew.-% zugegebener Dotierelementenvorstufe gibt, wobei die Änderung in der Resonanzfrequenz pro Einheit von zusätzlichem zugegebenem Dotierelement in dem Maße abnimmt, wie die Gesamtmenge an zugegebenem Dotierelement zunimmt. Dies zeigt, dass es ein bestimmtes oberes Niveau an Alkalimetalldotierelement, das zugegeben werden kann, um die Resonanzfrequenz des Materials auf Co₂Z-Basis zu erhöhen, geben kann, oberhalb dessen es wenig zusätzliche Wirkung auf die Resonanzfrequenz des Materials gibt.
Wirkung von Dotierung mit Alkalimetall auf die imaginäre Komponente der magnetischen Permeabilität
Die 6A bis 8B veranschaulichen das Ansprechverhalten von µ”, der imaginären Komponente der komplexen relativen magnetischen Permeabilität, welche dem Energieverlust in dem Material bei hohen Frequenzen entspricht, für dotiertes und undotiertes Co₂Z. In diesen Figuren werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in den 6A bis 6B durch die Linien 6-a bis 6-f gekennzeichnet, werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,08 Gew.-% bzw. 0,4 Gew.-% Natriumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in den 7A bis 7B durch die Linien 7-a bis 7-d gekennzeichnet und werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,02 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,4 Gew.-% bzw. 0,8 Gew.-% Rubidiumcarbonat, dotiert ist, erhalten wurden, in den 8A bis 8B durch die Linien 8-a bis 8-d gekennzeichnet.
Es kann beobachtet werden, dass für alle mit Alkalimetall dotierten Materialien sowohl der anfängliche Anstieg als auch der Peak in µ” bei höheren Frequenzen auftreten als für undotiertes Co₂Z. Es kann auch beobachtet werden, dass µ” bei höheren Frequenzen als µ’ für alle Materialien, einschließlich dem undotierten Co₂Z, den Peakwert annimmt. Dies zeigt, dass diese Materialien keine hohen Niveaus von Energieverlust unterhalb ihrer Resonanzfrequenzen zeigen, und sie somit für Anwendungen in Hochfrequenz-Vorrichtungen bei Frequenzen, die sich ihren Resonanzfrequenzen annähern, nützlich sein können.
Wirkung von Dotierung mit Alkalimetall auf den magnetischen Verlustfaktor
Die 9 und 10 veranschaulichen das Verhältnis von µ” zu µ’, eine Größe, die auch als der magnetische Verlustfaktor (Tan δ M) bekannt ist, gegen die Frequenz für mit Kaliumcarbonat (9), mit Natriumcarbonat und mit Rubidiumcarbonat dotiertes Co₂Z (10). Dieser Parameter stellt die Menge an verlorener magnetischer Energie im Vergleich zur gespeicherten in einem Material dar, das elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt war. Es kann für einige elektrische Vorrichtungen, die magnetische Ferritmaterialien nutzen, wie beispielsweise Drosselspulen und Transformatoren, wünschenswert sein, dass sie in einem Frequenzbereich betrieben werden, wo der magnetische Verlustfaktor für das magnetische Ferritmaterial niedrig ist. In diesen Figuren werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in 9 durch die Linien 9-a bis 9-f gekennzeichnet, werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,08 Gew.-% bzw. 0,4 Gew.-% Natriumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in 10 durch die Linien 10-a bis 10-d gekennzeichnet und werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0,02 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,4 Gew.-% bzw. 0,8 Gew.-% Rubidiumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in 10 durch die Linien 10-e bis 10-j gekennzeichnet.
Wie in den 9 und 10 gesehen werden kann, ist der magnetische Verlustfaktor für mit Alkalimetall dotiertes Co₂Z ungefähr derselbe wie derjenige von undotiertem Co₂Z bis zu einer Frequenz von ungefähr 2 GHz oder niedriger, wo sich der magnetische Verlustfaktor für die dotierten und undotierten Materialien ungefähr 2 annähert. Dies zeigt zusammen mit den Daten, die in den 2A bis 5 veranschaulicht werden, dass mit Alkalimetall dotiertes Co₂Z den Betrieb von Hochfrequenz-Vorrichtungen, die Ferritmaterialien nutzen, bei höheren Frequenzen als undotiertes Co₂Z (z. B. bis zu etwa 1,4 GHz für mit Kalium dotiertes Co₂Z) erleichtern kann, während sie keine größeren Energieverluste zeigen als undotiertes Co₂Z.
Wirkung von Dotierung mit Kaliumcarbonat auf das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r
Eine mögliche Anwendung von Ferritmaterialien ist beim Aufbau von Hochfrequenz-RF- oder Mikrowellenantennen. Im Allgemeinen sind Antennen am wirksamsten beim Absorbieren und Emittieren von elektromagnetischer Energie in die Atmosphäre bei Frequenzen, wo die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität und die reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität ihrer Aufbaumaterialien gleich sind (d. h. µ_r/ε_r = 1). Dieses Verhältnis wird hierin auch als das „Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität“ bezeichnet.
Die 11 und 12 veranschaulichen die reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität gegen die Frequenz für verschiedene mit Alkalimetall dotierte Materialien auf Co₂Z-Basis. In diesen Figuren werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, in 11 durch die Linien 11-a bis 11-f gekennzeichnet, werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,08 Gew.-% bzw. 0,4 Gew.-% Natriumcarbonat (12) dotiert ist, erhalten wurden, durch die Linien 12-a bis 12-d gekennzeichnet und werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0,02 Gew.-%, 0,04 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,4 Gew.-% bzw. 0,8 Gew.-% Rubidiumcarbonat (12) dotiert ist, erhalten wurden, durch die Linien 12-e bis 12-j gekennzeichnet.

Wie in den 11 und 12 veranschaulicht, kann mit Alkalimetall dotiertes Material auf Co₂Z-Basis eine reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität zwischen etwa 10 und 15 bei Frequenzen im Bereich von 0,5 GHz bis 1 GHz zeigen. In den meisten Fällen ist dies geringfügig höher als die Werte der reellen Komponenten der relativen magnetischen Permeabilitäten, die in den Figuren 2A bis 4B bei Frequenzen in diesem Bereich veranschaulicht werden. Die nachstehende Tabelle 1 veranschaulicht die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität und die reelle Komponente der relativen elektrischen Permittivität bei der beispielhaften Frequenz von 1 GHz für mit Kalium dotiertes Co₂Z. Tabelle 1

Dotierungsniveau (Gew.-% K₂CO₃)	Äquivalente Dotierung von K₂O in Gew.-%	µ_r	ε_r	µ_r/ε_r
0	0	9,3	13,9	0,67
0,06	0,04	10,2	11,9	0,86
0,12	0,08	10,1	11,2	0,90
0,6	0,41	10,7	11,1	0,96
1,2	0,82	11,8	12,9	0,91
3,6	2,45	7,0	13,6	0,51

Die vorstehenden Daten zeigen, dass mit Kalium dotiertes Co₂Z ein (µ_r/ε_r-Verhältnis von etwa 0,9 bei 1 GHz zeigen kann, was dem Verhältnis von 1,0 sehr nahe kommt, welches eine in hohem Maße effiziente Antenne kennzeichnen würde. Das absolute Niveau der reellen Komponente der magnetischen Permeabilität von dotierten Co₂Z-Materialien kann beispielsweise durch Ändern der Orientierung der Kristallstruktur des Materials in einer Antenne oder durch Erzeugen des dotierten Co₂Z in einem Verfahren, wo es einem magnetischen Feld während eines oder mehrerer Schritte ausgesetzt ist, eingestellt werden, wobei also die Ausrichtung der magnetischen Momente der magnetischen Domänen des Materials erhöht wird. Die magnetische Permeabilität von dotierten Co₂Z-Materialien kann auch erhöht werden, indem die Wärmebehandlung/Sinterschritte eingestellt werden, die verwendet werden können, um das Material zu erzeugen, wodurch die Materialdichte und/oder Korngröße erhöht werden. Außerdem kann das absolute Niveau der magnetischen Permeabilität und/oder elektrischen Permittivität durch zusätzliches Dotieren mit einem oder mehreren zweiwertigen Metallionen, wie beispielsweise Sr, Mg, Cu, Ni, Mn und Zn, oder durch Kombinieren eines dotierten Hexaferrits mit einem ferromagnetischen Material, einem ferroelektrischen Material oder einem Dielektrikum, wodurch ein Verbundmaterial, wie vorstehend erläutert, erzeugt wird, eingestellt werden. Somit ist es möglich, mit Kalium dotierte Co₂Z-Materialien gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung für eine in hohem Maße effiziente Hochfrequenz-Antenne (z. B. 1 GHz) zu nutzen.
Wirkung von Dotierung mit Natriumcarbonat und Rubidiumcarbonat auf das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r

Die nachstehende Tabelle 2 veranschaulicht die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität und relativen elektrischen Permittivität bei der beispielhaften Frequenz von 0,5 GHz für mit Natrium dotiertes Co₂Z und die nachstehende Tabelle 3 veranschaulicht die reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität und relativen elektrischen Permittivität bei der beispielhaften Frequenz von 0,5 GHz für mit Rubidium dotiertes Co₂Z. Die Frequenzen, bei denen diese Daten verglichen werden, wurden im Vergleich zu derjenigen in Tabelle 1 für Kalium dotiertes Co₂Z-Material verringert, damit sie Punkten unterhalb der Resonanzfrequenzen der mit Natrium und Rubidium dotierten Materialien entspricht, welche im Allgemeinen niedriger sind als diejenige für die mit Kalium dotierten Materialien. Diese Tabellen veranschaulichen, dass sowohl die mit Natrium als auch die mit Rubidium dotierten Materialien auf Co₂Z-Basis auch hohe µ_r/ε_r-Verhältnisse (z. B. oberhalb von etwa 0,8) bei 0,5 GHz für mindestens einige Konzentrationen des Dotierelements zeigen. Tabelle 2

Dotierungsniveau (Gew.-% Na₂CO₃)	Äquivalente Dotierung von Na₂O in Gew.-%	µ_r	ε_r	µ_r/ε_r
0,04	0,02	12,8	14,1	0,90
0,08	0,05	10,9	13,6	0,80
0,40	0,23	9,7	12,5	0,78

Tabelle 3

Dotierungsniveau (Gew.-% Rb₂CO₃)	Äquivalente Dotierung von Rb₂O in Gew.-%	µ_r	ε_r	µ_r/ε_r
0,02	0,02	13,5	13,2	1,02
0,04	0,03	11,9	13,6	0,88
0,10	0,08	10,5	13,0	0,81
0,20	0,16	10,4	13,6	0,76
0,40	0,32	10,6	12,5	0,85
0,80	0,65	10,4	13,0	0,80

Wirkung von Dotierung mit Kaliumcarbonat auf die imaginäre Komponente der elektrischen Permittivität
13 veranschaulicht die imaginäre Komponente der elektrischen Permittivität von mit Kaliumcarbonat dotiertem Material auf Co₂Z-Basis gegen die Frequenz. In dieser Figur werden die Datensätze, die aus der Analyse der Co₂Z-Proben, die mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert sind, erhalten wurden, durch die Linien 13-a bis 13-f gekennzeichnet. Auch wenn die Daten für jedes der Materialien in beträchtlichem Maße überlappten und beträchtlich mit der Frequenz variierten, schien es eine kleine Gesamtzunahme in der imaginären Komponente der elektrischen Permittivität mit erhöhter Kaliumcarbonatdotierung zu geben.
Wirkung von Dotierung mit Kaliumcarbonat auf den elektrischen Verlustfaktor
14 veranschaulicht den elektrischen Verlustfaktor (Tan δ ε) der mit Kaliumcarbonat dotierten Materialproben auf Co₂Z-Basis gegen die Frequenz. In dieser Figur werden die Datensätze, die aus der Analyse von Co₂Z, das mit 0 Gew.-%, 0,06 Gew.-%, 0,12 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 1,2 Gew.-% bzw. 3,6 Gew.-% Kaliumcarbonat dotiert ist, erhalten wurden, durch die Linien 14-a bis 14-f gekennzeichnet. Auch wenn die Daten für jedes der Materialien in beträchtlichem Maße überlappten und beträchtlich mit der Frequenz variierten, schien es eine kleine Gesamtzunahme im elektrischen Verlustfaktor mit erhöhter Kaliumcarbonatdotierung zu geben. In einigen Gesichtspunkten kann ein hoher elektrischer Verlustfaktor unerwünscht sein. Ein hoher elektrischer Verlustfaktor kann durch Glühen und/oder durch die Zugabe anderer Dotierelemente oder durch Kombinieren des dotierten Co₂Z mit anderen Materialien, um ein Verbundmaterial mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen, eingestellt werden.
Vorrichtungen, die zum Betrieb bei hohen Frequenzen entworfen wurden, die Ferritmaterialien einschließen, die ihren Betriebsfrequenzbereich durch den Einschluss von dotierten Co₂Z-Materialien gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung vergrößert bekommen könnten, schließen Antennen, Ferritzirkulatoren, Isolatoren, Drosselspulen (einschließlich Drosselspulen eines mehrschichtigen Chips), Wulste eines mehrschichtigen Chips und Transformatoren ein, sind aber nicht darauf begrenzt. Neue Vorrichtungen, wie diese, könnten unter Verwendung der dotierten Co₂Z-Materialien gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, oder vorhandene Vorrichtungen, die irgendeinen anderen Ferrit nutzen, könnten nachgerüstet werden, um mindestens einen Teil des ursprünglichen Ferritmaterials durch ein dotiertes Co₂Z-Material gemäß einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung zu ersetzen.
Nachdem also mehrere Gesichtspunkte von mindestens einer Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben wurden, ist es klar, dass Fachleuten verschiedene Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen leicht in den Sinn kommen werden. Solche Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen sollen Teil dieser Offenbarung sein und sollen innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung sein. Demgemäß sind die vorstehende Beschreibung und Zeichnungen lediglich beispielhaft.

Claims

Eine elektrische Komponente, umfassend Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, wobei Ba Barium ist, M mindestens ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium ist, Co Kobalt ist, Fe Eisen ist, O Sauerstoff ist, mit 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ x.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ einen mittleren Korndurchmesser in einem Bereich zwischen etwa 5 µm und etwa 1 mm aufweist.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 2, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ einen Ferrit vom Z-Typ umfasst.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer reellen Komponente der magnetischen Permeabilität des dotierten Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ im Vergleich zum undotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ entspricht, ausreicht.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer imaginären Komponente der magnetischen Permeabilität des dotierten Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ im Vergleich zum undotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁, entspricht, ausreicht.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 5, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die zur Erhöhung des Verhältnisses von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r des dotierten Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ bei einer Frequenz von etwa 0,5 GHz und/oder etwa 1 GHz relativ zu undotiertem Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ ausreicht.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 6, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die zum Versehen des Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ mit einem Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r von mehr als ungefähr 0,8 bei einer Frequenz von mindestens einer aus etwa 0,5 GHz und etwa 1 GHz ausreicht.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1 oder 7, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die ausreicht, um dem Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ eine reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität von mehr als etwa 10 bei einer Frequenz oberhalb von 1 GHz zu verleihen.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 8, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die ausreicht, um dem Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ eine Resonanzfrequenz von mehr als 1 GHz zu verleihen.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die ausreicht, um dem Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ eine Resonanzfrequenz zu verleihen, die größer ist als die des unnotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei M ferner Natrium enthält.
Die elektrische Komponente nach Anspruch 11, wobei das Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge umfasst, die ausreicht, um dem Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ eine Resonanzfrequenz von mehr als 1 GHz zu verleihen.
Verwendung der elektrischen Komponente nach Anspruch 1 als Radiofrequenz-Ferritzirkulator.
Verwendung der elektrischen Komponente nach Anspruch 13, wobei der Radiofrequenz-Ferritzirkulator als ein Isolator konfiguriert ist.
Verwendung der elektrischen Komponente nach Anspruch 1 als Drosselspule, Transformator oder Antenne.
Ein Alkalimetall dotierter Hexaferrit, mit der Formel Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, wobei Ba Barium ist, M mindestens ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium ist, Co Kobalt ist, Fe Eisen ist, O Sauerstoff ist, mit 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ x ist.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16, wobei M darüber hinaus Natrium enthält.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 17, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um dem Alkalimetall dotierte Hexaferrit eine Resonanzfrequenz von mehr als 1 GHz zu verleihen.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16, aufweisend einen mittleren Korndurchmesser in einem Bereich zwischen etwa 5 µm und etwa 1 mm.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 19, wobei der Alkalimetall dotierte Hexaferrit einen Ferrit vom Z-Typ aufweist.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16 oder 20, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer reellen Komponente der magnetischen Permeabilität des Alkalimetall dotierten Hexaferrits im Vergleich zum undotierten Ba₃MCo₂Fe₂₄O₄₁ entspricht, ausreicht.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16 oder 21, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die zur Erhöhung einer Frequenz, die einem Peak einer imaginären Komponente der magnetischen Permeabilität des Alkalimetall dotierten Hexaferrits im Vergleich zum undotierten Ba₃MCo₂Fe₂₄O₄₁ entspricht, ausreicht.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16 oder 22, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die zur Erhöhung des Verhältnisses von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r des Alkalimetall dotierten Hexaferrits bei einer Frequenz von etwa 0,5 GHz und/oder etwa 1 GHz relativ zu undotiertem Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ ausreicht.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16 oder 23, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die zum Versehen des Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁ mit einem Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität µ_r/ε_r von mehr als ungefähr 0,8 bei einer Frequenz von mindestens einer aus etwa 0,5 GHz und etwa 1 GHz ausreicht.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 24, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um dem Alkalimetall dotierten Hexaferrit eine reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität von mehr als etwa 10 bei einer Frequenz oberhalb von 1 GHz zu verleihen.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 25, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um dem Alkalimetall dotierten Hexaferrit eine Resonanzfrequenz von mehr als 1 GHz zu verleihen.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um den Alkalimetall dotierten Hexaferrit mit einer reellen Komponente der relativen magnetischen Permeabilität bei einer Frequenz über 1GHz zu versehen, die größer ist als die des undotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 27, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um dem Alkalimetall dotierten Hexaferrit eine reelle Komponente der relativen magnetischen Permeabilität von mehr als etwa 10 bei einer Frequenz oberhalb von 1 GHz zu verleihen.
Der Alkalimetall dotierte Hexaferrit nach Anspruch 16, wobei das mindestens eine Alkalimetall M ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium in einer Menge enthalten ist, die ausreicht, um dem Alkalimetall dotierten Hexaferrit eine Resonanzfrequenz zu verleihen, die größer ist als die des undotierten Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Hexaferrits, umfassend: Bereitstellen eines Vorstufengemischs, umfassend eine Bariumquelle, eine Cobaltquelle und eine Eisenquelle; Einbringen einer Alkalimetallquelle in das Vorstufengemisch, wodurch ein Alkalimetall enthaltendes Gemisch hergestellt wird; und Erhitzen des Alkalimetall enthaltenden Gemischs auf eine erste Temperatur von mindestens 1100°C für eine erste Zeitdauer, die zur Bildung von Hexaferrit-Teilchen der Formel Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, wobei Ba Barium ist, M mindestens ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium ist, Co Kobalt ist, Fe Eisen ist, O Sauerstoff ist, mit 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ x, ausreicht.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Hexaferrits, umfassend: Bereitstellen eines Gemischs, umfassend eine Bariumquelle, eine Cobaltquelle und eine Eisenquelle; Calcinieren des Gemischs bei einer Temperatur, die mindestens 1100°C beträgt, für eine Zeitdauer, die zur Bildung von Hexaferrit-Teilchen ausreicht; und Einbringen eines Alkalimetalls in die Hexaferrit-Teilchen in einer Menge, die zur Bereitstellung von dotiertem Hexaferrit mit der Formel Ba_3-yM_xCo₂Fe₂₄O₄₁, wobei Ba Barium ist, M mindestens ein Alkalimetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium und Rubidium ist, Co Kobalt ist, Fe Eisen ist, O Sauerstoff ist, mit 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ x, ausreicht.