Adaptando o índice de refração da impedância

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15818 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O controle independente das propriedades magnéticas e elétricas de compósitos de ferrita de duas e três partes é demonstrado através da variação do tamanho das partículas e da fração volumétrica das inclusões de ferrita. Isso fornece um caminho para a criação de compostos com impedância compatível de banda larga com altos valores de índice de refração personalizados. É fabricado um compósito de duas partes compreendendo ferrita NiZn em um hospedeiro dielétrico de PTFE com valores aproximadamente iguais de permissividade real relativa e permeabilidade de até 100 MHz. O índice de refração para compósitos NiZn-PTFE, medido a 20 MHz, é 6,1 para fração volumétrica de NiZn de 50% vol. e 6,9 ​​para fração volumétrica de NiZn de 70%vol. Da mesma forma, caracterizamos um compósito de três partes com índice de refração de aproximadamente 16 a 60 MHz. O compósito de três partes compreende ferritas NiZn e MnZn em uma matriz hospedeira dielétrica de PTFE com uma proporção percentual de volume de 65%: 15%: 20%, respectivamente.

As ferritas moles disponíveis comercialmente têm sido amplamente utilizadas em sistemas de telecomunicações e antenas devido à sua alta parte real de permeabilidade e baixa perda magnética na faixa de frequência de MHz . A alta parte real da permeabilidade não apenas aumenta o índice de refração para materiais compósitos, auxiliando a miniaturização, mas também aumenta a impedância característica em direção ao caso de impedância correspondente de Z \(=1.\). É bem conhecido que a dependência da frequência da permeabilidade diminui em frequências mais altas (GHz) devido ao relaxamento da parede do domínio e ao relaxamento giromagnético: um fenômeno descrito pela lei de Snoek2. Desde que o artigo original de Snoek apareceu em 1948, tem havido muitos estudos estendendo este conceito para aplicação a filmes magnéticos finos e materiais compósitos3,4,5. A lei original não leva em conta o tamanho ou a forma das partículas magnéticas se a ferrita for pulverizada e misturada com um material hospedeiro. O tamanho e a forma das partículas e a fração de enchimento do compósito resultante oferecem liberdades adicionais para ajustar a dependência da frequência da resposta magnética. Por exemplo, a anisotropia de forma das inclusões magnéticas pode ser aumentada usando flocos magnéticos, aumentando a frequência na qual uma forte resposta magnética pode ser observada6,7. Materiais com geometria cristalina planar, como hexafarritas do tipo M, aumentaram a anisotropia magnetocristalina, ampliando a faixa de frequência do desempenho magnético8. É claro que esses mesmos graus de liberdade também influenciam a resposta dielétrica (permissividade) do compósito. Neste estudo demonstramos que a permissividade relativa (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) e a permeabilidade (\(\mu = \mu^{\prime } - i\mu^{\prime\prime}\)) do compósito são influenciados pelo tamanho das partículas das inclusões de ferrita. Se as propriedades das partículas magnéticas em compósitos forem cuidadosamente controladas, materiais de alto índice de refração (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) com impedância compatível (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon }\)) para liberar espaço pode ser fabricado. Esses materiais com alto índice de refração e impedância compatível com o espaço livre são importantes para a miniaturização de antenas.

As ferritas NiZn e MnZn são magneticamente “macias” devido à sua baixa coercividade magnética, o que significa que não retêm magnetismo após serem sujeitas a uma polarização magnética. A fórmula química geral para ferritas de espinélio é MFe2O4, onde 'M' é um metal divalente. A estrutura cristalina do espinélio, com um arranjo cúbico compacto de íons metálicos cercados por íons de oxigênio, leva a uma alta anisotropia magnetocristalina devido ao ordenamento dos spins dos elétrons . Estudos sobre o efeito do tamanho das partículas de ferrita e da carga percentual de volume dos compósitos na permeabilidade complexa resultante de um compósito à base de dielétrico não são novos. Por exemplo, Dosoudil et al.10 fabricaram três conjuntos de amostras compostas, usando cerâmicas em pó de ferrita MnZn e NiZn disponíveis comercialmente em uma matriz de cloreto de polivinila (PVC). Em seu artigo, eles exploram o efeito do tamanho das partículas na permeabilidade, fixando a carga volumétrica (65% vol.) do pó de ferrita e a relação MnZn:NiZn (80%: 20%). Foi observada uma dependência típica da Lei de Snoek, caracterizada por um pico ressonante no componente imaginário da permeabilidade, que muda para frequências mais altas com o aumento do tamanho das partículas. A parte real da permeabilidade relativa (\(\mu^{\prime }\)) a 20 MHz aumentou de aproximadamente 16 (para partículas de tamanho <40 µm) para aproximadamente 20 (para partículas de tamanho 80–250 µm). O aumento da permeabilidade com o aumento do tamanho das partículas está associado ao aumento do número de domínios magnéticos dentro das partículas de ferrita e será discutido posteriormente.