ما هو السبب الجذري للزيادة الحادة في الخسارة المتبقية من الفريتات في نطاق تردد ميغا هرتز - هل هو بسبب انتشار حدود الحبوب أو رنين دوران الإلكترون؟

السبب الجذري للزيادة الحادة في الخسارة المتبقية من الفريتات في نطاق التردد ميغا هرتز

يُعزى الارتفاع الحاد في فقدان الفريتات المتبقية في نطاق تردد ميغاهرتز بشكل رئيسي إلى الرنين المغزلي الإلكتروني (ESR) وعمليات الاسترخاء المغناطيسي المرتبطة به ، وليس إلى انتشار حدود الحبيبات. فيما يلي شرح مفصل:

1. الرنين الدوراني للإلكترون (ESR) والرنين الطبيعي:
   • في نطاق ترددات ميغاهرتز، تُظهر الفريتات رنينًا طبيعيًا، حيث يتطابق تردد حركة دوران الإلكترون مع تردد المجال المغناطيسي المتناوب المطبق. يؤدي هذا الرنين إلى امتصاص كبير للطاقة، ويتجلى ذلك في زيادة حادة في الفقد المتبقي.
   • يُحدَّد تردد الرنين الطبيعي ( fr ) بواسطة مجال التباين المغناطيسي البلوري ( Hk ) والنسبة المغناطيسية الجيروسكوبية ( γ ): fr=2πγHk . في الفريتات، يكون Hk عادةً من رتبة103 -104 Oe، مما ينتج ترددات الرنين في نطاق ميغا هرتز.
   • أثناء الرنين، يدور متجه المغناطيسية حول المجال الفعال، فاقدًا طاقته للشبكة من خلال استرخاء الشبكة المغزلية (انبعاث الفونون). يُعدّ تبديد الطاقة هذا المساهم الرئيسي في الفقد المتبقي عند الترددات العالية.
2. انتشار حدود الحبوب:
   • يشير انتشار حدود الحبيبات إلى حركة الذرات أو الأيونات على طول حدود الحبيبات في المواد متعددة البلورات. ورغم تأثيره على الخواص المغناطيسية (مثلاً، من خلال التأثير على تثبيت جدار المجال)، إلا أن تأثيره على الفقد المتبقي ضئيل في نطاق الميجا هرتز.
   • تحدث عمليات الانتشار عادةً على فترات زمنية أطول بكثير من فترة تذبذبات الميغاهيرتز (ميكروثانية مقابل نانوثانية للانتشار الذري). وبالتالي، فهي لا تُسهم بشكل كبير في خسائر الترددات العالية.
3. مساهمات أخرى:
   • رنين جدار المجال : يحدث عندما يتطابق تردد المجال المطبق مع تردد التذبذب الطبيعي لجدران المجال. ومع ذلك، في الفريتات الصلبة (مثل الفريتات السداسية)، تكون جدران المجال مثبّتة بشدة، مما يجعل مساهمتها في الخسارة المتبقية أقل مقارنةً بالرنين المغزلي.
   • التأثير المغناطيسي اللاحق : استرخاء بطيء للمغناطيسية نتيجة انتشار العيوب أو الأيونات. هذه العملية ذات صلة بالترددات المنخفضة جدًا (هرتز إلى كيلوهرتز)، ولا تُفسر زيادة فقدان النطاق ميغاهرتز.

قمع فقدان التيار الدوامي والفقد المتبقي عبر التبلور النانوي

التبلور النانوي تقنية فعّالة لكبح فقدان التيار الدوامي والفقد المتبقي في الفريتات في آنٍ واحد. إليك كيفية عملها:

1. قمع فقدان التيار الدوامي:
   • تتولد تيارات إيدي في المواد الموصلة عند تعرضها لحقول مغناطيسية متناوبة. يتناسب فقدان الطاقة الناتج عن تيارات إيدي ( Pe ) مع مربع التردد ( f2 ) ومربع حجم الحبيبات ( d2 ): Pe∝f2d2 .
   • بتقليل حجم الحبيبات إلى المقياس النانوي (عادةً أقل من ١٠٠ نانومتر)، يُقلل متوسط ​​المسار الحر لإلكترونات التوصيل بشكل كبير. هذا يزيد من المقاومة الفعالة للمادة، وبالتالي يُكبح تدفق التيار الدوامي.
   • على سبيل المثال: في فيريتات المنغنيز والزنك، يمكن للتبلور النانوي أن يقلل من فقدان التيار الدوامي بمقدار كبير، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات التردد العالي (على سبيل المثال، مصادر الطاقة في وضع التبديل).
2. قمع الخسارة المتبقية:
   • يُهيمن الرنين الدوراني والاسترخاء المغناطيسي على الفقد المتبقي في نطاق ميغاهرتز. يؤثر التبلور النانوي على ذلك بطريقتين:
     • انخفاض تباين الخواص المغناطيسية البلورية : تُظهر الحبيبات النانوية تباينًا متوسطًا نتيجةً للتوجيه العشوائي للبلورات. هذا يُقلل من قيمة Hk الفعالة، مما يُؤدي إلى انخفاض تردد الرنين الطبيعي ( fr ) أو توسيع ذروة الرنين، وبالتالي تقليل فقدان الذروة.
     • التخميد المُحسَّن : غالبًا ما تُظهر المواد النانوية البلورية تخميدًا أعلى لتقدم الدوران بسبب زيادة التفاعلات بين الدوران وعيوب الشبكة. هذا يُوسِّع عرض خط الرنين، مما يُقلِّل من فقدان الذروة عند الرنين.
   • على سبيل المثال: في فيريتات النيكل والزنك، يمكن للتبلور النانوي أن يمنع الخسارة المتبقية بنسبة >50% عند ترددات ميغا هرتز مع الحفاظ على المقاومة العالية.
3. المقايضات والتحسين:
   • على الرغم من فعالية التبلور النانوي، إلا أن التخفيض المفرط في حجم الحبيبات يمكن أن يؤدي إلى:
     • زيادة فقدان الهستيريسيس : بسبب تثبيت جدار المجال المعزز عند حدود الحبوب.
     • مغناطيسية التشبع المنخفضة : من تأثيرات السطح أو الطبقات الميتة عند حدود الحبوب.
   • تتضمن عملية التبلور النانوي الأمثل موازنة حجم الحبيبات (عادةً 20-50 نانومتر) لتقليل كل من التيار الدوامي والخسائر المتبقية مع الحفاظ على النعومة المغناطيسية.
4. التنفيذ العملي:
   • طرق التركيب : يمكن إنتاج فيريتات نانوية بلورية باستخدام الطحن الكروي، والسول-جل، والتركيب الحراري المائي. كما أن الإخماد السريع بدرجات حرارة عالية فعال أيضًا.
   • التنشيط : إن إضافة كميات صغيرة من Co²⁺ أو La³⁺ يمكن أن يقلل الخسائر بشكل أكبر عن طريق تعديل التباين والتخميد.
   • دراسة الحالة : أظهرت مادة الفريت النانوية المكونة من المنغنيز والزنك ذات الحبيبات التي يبلغ قطرها 30 نانومتر ما يلي:
     • انخفاض خسارة التيار الدوامي بنسبة 90% عند 1 ميجا هرتز مقارنة بنظيراتها ذات الحبيبات الخشنة.
     • انخفاض الخسارة المتبقية بنسبة 60% عند 10 ميجا هرتز بسبب رنين الدوران المكبوت.