Adaptando o índice de refração da impedância

Aug 15, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 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 de partícula e fração de volume de inclusões de ferrita. Isso fornece uma rota para a criação de compostos combinados de impedância de banda larga com valores de alto índice de refração personalizados. É fabricado um compósito de duas partes compreendendo ferrita de NiZn em um host dielétrico de PTFE com valores aproximadamente iguais de permissividade real relativa e permeabilidade até 100 MHz. O índice de refração para compósitos de NiZn-PTFE, medido a 20 MHz, é 6,1 para fração de volume 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 um índice de refração de aproximadamente 16 até 60 MHz. O compósito de três partes compreende ferritas de NiZn e MnZn em uma matriz hospedeira dielétrica de PTFE com uma proporção de volume percentual de 65%: 15%: 20%, respectivamente.

As ferritas macias disponíveis comercialmente têm sido usadas extensivamente em sistemas de telecomunicações e antenas devido à sua alta parte real de permeabilidade e baixa perda magnética na faixa de frequência de MHz1. A alta parte real da permeabilidade não apenas aumenta o índice de refração para materiais compósitos, auxiliando na miniaturização, mas também aumenta a impedância característica em relação à impedância casada caso de Z \(=1.\) É bem conhecido que a dependência da frequência da permeabilidade diminui em frequências mais altas (GHz) devido ao relaxamento da parede de domínio e relaxamento giromagnético: um fenômeno que é descrito pela lei de Snoek2. Desde que o artigo original de Snoek apareceu em 1948, muitos estudos estenderam esse conceito para aplicações em filmes magnéticos finos e materiais compósitos3,4,5. A lei original não considera 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 preenchimento do compósito resultante oferecem liberdade adicional para ajustar a dependência de frequência da resposta magnética. Por exemplo, a anisotropia de forma de 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 plana, como hexafarritas do tipo M, têm maior anisotropia magnetocristalina, estendendo a faixa de frequência de desempenho magnético8. Claro, 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 casada (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon }\)) 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 de NiZn e MnZn são magneticamente "suaves" devido à sua baixa coercividade magnética, o que significa que não retêm o magnetismo após serem submetidas a uma polarização magnética. A fórmula química geral das ferritas espinélio é MFe2O4, onde 'M' é um metal bivalente. A estrutura cristalina do espinélio, com um arranjo cúbico compacto de íons metálicos rodeados por íons de oxigênio, leva a uma alta anisotropia magnetocristalina devido ao ordenamento dos spins dos elétrons9. Estudos do efeito do tamanho da partícula de ferrita e carga percentual de volume de compósitos na permeabilidade complexa resultante de um compósito à base de dielétrico não são novos. Por exemplo, Dosoudil et al.10 fabricou 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 da partícula na permeabilidade, fixando a carga volumétrica (65% vol.) do pó de ferrita e a relação MnZn:NiZn (80%: 20%). Observou-se uma dependência típica da Lei de Snoek, caracterizada por um pico ressonante na componente imaginária da permeabilidade, que se desloca para frequências mais altas com o aumento do tamanho da partícula. A parte real da permeabilidade relativa (\(\mu^{\prime }\)) a 20 MHz aumentou de aproximadamente 16 (para partículas com tamanho < 40 µm) para aproximadamente 20 (para partículas com tamanho de 80–250 µm). O aumento da permeabilidade com o aumento do tamanho da partícula está associado ao aumento do número de domínios magnéticos dentro das partículas de ferrita e será discutido posteriormente.