Sintesi e caratterizzazione di garnet Y3-xGdxFe5O12 per dispositivi a microonde

Microwave ferrites are applied on a broad band (1-100 GHz) in automotive, communication industry and in radar systems. Y3Fe5O12 (YIG) and Y3-xRxFe5-yMyO12 (R= Gd, Sm, Dy, Ho, Er, Yb ; M=Al, Ga, Sc) garnets are microwave materials used in microwave devices such as isolators, circulators and phase shifters. Suitable materials for microwave components are those which have controlled saturation magnetization (4pMs) (0,2<g4pMs/w<0,6, where g is the gyromagnetic ratio and w is the frequency of operation), temperature stability of 4pMs and low ferromagnetic resonance line width (DH<100 Oe). Microstructural features and the chemical composition, controlled by powder production process, of these ferrimagnetic ceramics strictly affect their performances. Excellent characteristics are obtained for single phase and high density materials in which grain size ranging from 1 to 30 mm. To our knowledge, in the international literature, excluding patents, only few papers concerning Gd-substituted YIG ceramics obtained via chemical routes have been published, none of them dealing with coprecipitation technique. In this work, pure and Gd-substituted yttrium iron garnet powders were obtained by coprecipitation reverse strike technique using either stoichiometric [Fe/(Y+Gd)=1,67] and non stoichiometric metal nitrates solutions. The actual composition of all samples was determined by Induced Coupled Plasma spectroscopy (ICP). Dried coprecipitates were calcined between 600°C and 1200°C, on the basis of thermal analysis results and then analysed by XRD. The crystallisation of the cubic garnet phase occurred for all samples around 700°C along with yttrium orthoferrite (YFeO3) and a-Fe2O3, as shown by high temperature XRD measurements (HT-XRD). The extra phase/s disappeared when stoichiometric samples and samples richer in iron, either pure and Gd-substituted, were heated at 1200°C. On the other hand, in iron deficient samples, calcined at 1200°C or above, the yttrium orthoferrite phase persists, according to the Y2O3-Fe2O3 binary phase diagram. Powders calcined at 1200°C were uniaxially formed at 90 MPa and, according to thermal dilatometry, sintered in air at 1450-1470°C for 8 h. The density ranged from 88 to 99% of the theoretical one, depending mainly on sintering temperature. For all specimens the resulting microstructure is uniform and made up of fine polygonal grains whose average size ranges from 3,0-13,5 mm, changing with sintering temperature, Fe/(Y+Gd) ratio and concentration of starting solution. Measurements of ferromagnetic resonance line width (DH) were performed. The values ranging from 50,7 to 74,2 Oe, are higher for samples with a major Gd content.

Le ferriti per applicazioni a microonde sono utilizzate in un’estesa banda di frequenza (1-100 GHz), nell’industria automobilistica, della comunicazione e nei sistemi di rilevazione radar. I garnet Y3Fe5O12 (YIG) e Y3-xRxFe5-yMyO12 (R= Gd, Sm, Dy, Ho, Er, Yb ; M=Al, Ga, Sc) rientrano in questa famiglia e vengono principalmente utilizzati in dispositivi a microonde come isolatori, circolatori e sfasatori. I requisiti principali per l’utilizzo di questi materiali sono: magnetizzazione di saturazione (4pMs) controllata (0,2<g4pMs/w<0,6, con g rapporto giromagnetico e w frequenza di lavoro) e stabile nell’intervallo di temperature d’esercizio, larghezza di linea di risonanza ferromagnetica (DH) minore di 100 Oe. Le prestazioni dipendono principalmente dalla composizione chimica e dalla microstruttura. I materiali a singola fase, ad elevata densità e caratterizzati da una microstruttura in cui la distribuzione delle dimensioni dei grani sia compresa tra 1 e 30 mm, mostrano eccellenti proprietà. Da un’estesa ricerca bibliografica risulta che nella letteratura internazionale sono presenti diversi lavori riguardanti la preparazione di YIG e R3Fe5O12 mediante la tecnica di coprecipitazione. Tuttavia non è stato pubblicato nessun articolo relativo alla preparazione di garnet in cui l’ittrio è parzialmente sostituito da cationi delle terre rare (R). Quindi, in questo progetto di dottorato, polveri di garnet Y3-xGdxFe5O12 (x = 0, 0,4, 0,5, 0,9) sono state ottenute con la tecnica inversa di coprecipitazione, utilizzando soluzioni dei nitrati metallici stechiometriche [Fe/(Y+Gd)=1,67] e con diversi rapporti Fe/(Y+Gd), allo scopo di individuare i parametri di processo per la produzione di ferriti con caratteristiche ottimali per la realizzazione di sfasatori. La composizione reale dei campioni è stata determinata tramite ICP, ed è stato trovato che i rapporti atomici variano nell’intervallo 1,20< Fe/(Y+Gd)< 1,89. Sulla base dei risultati dell’analisi termica, i prodotti co-precipitati sono stati calcinati tra 600°C e 1200°C e successivamente analizzati attraverso XRD. Misure condotte ad alta temperatura (HT-XRD) hanno mostrato che, per tutti i campioni, la cristallizzazione della fase cubica del garnet avviene intorno a 700°C insieme a quella dell’ortoferrite di ittrio (YFeO3) e a-Fe2O3. Nei campioni ricchi in ferro ed in quelli stechiometrici queste fasi indesiderate, presenti in piccola quantità, scompaiono se calcinati a 1200°C. Se il rapporto Fe/(Y+Gd) è minore del valore stechiometrico, le polveri cotte a 1200°C sono invece costituite dal garnet cubico e dall’ortoferrite di ittrio, in accordo con il diagramma di fase binario Y2O3-Fe2O3. La sinterizzabilità delle polveri calcinate a 1200°C è stata studiata attraverso misure dilatometriche. Sulla base di questi risultati le polveri, formate per pressatura uniassiale a 90 MPa, sono state sinterizzate in aria a 1450°C-1470°C. Le densità ottenute variano tra 88-99% del valore teorico, in funzione principalmente della temperatura di sinterizzazione. La microstruttura dei campioni è stata osservata al SEM. Risulta che tutti i sinterizzati hanno una microstruttura uniforme, omogenea nonostante le deviazioni delle composizioni dal valore stechiometrico e costituita da grani poligonali, le cui dimensioni variano tra 1 e 30 mm. La dimensione media dei grani varia tra 3,0-13,5 mm, in funzione della temperatura di sinterizzazione, del rapporto Fe/(Y+Gd) e della concentrazione della soluzione dei nitrati metallici. I materiali preparati sono stati infine caratterizzati attraverso misure di DH. I valori variano tra 50,7 e 74,2 Oe e sono più elevati nei campioni con maggior contenuto di gadolinio.