Hexagonale Ferrite

Hexagonale Ferrite oder Hexaferrite sind keramische Verbindungen aus Eisenoxid (${\displaystyle {\ce {Fe2O3}}}$) und anderen Metalloxiden (z. B. Barium, Strontium oder Cobalt). Sie haben eine kristalline Struktur, die aus hexagonal angeordneten Ebenen besteht, und gehören zur Klasse der Ferrimagnete. Das bekannteste Beispiel ist Bariumferrit ${\displaystyle {\ce {BaFe12O19}}}$. Bariumferrit ist ein starker Ferromagnet bei Raumtemperatur und hat eine ausgeprägte magnetische Anisotropie entlang der c-Achse.^[1] Alle Mitglieder der Familie der Hexaferrite bestehen aus mehreren, in einer bestimmten Reihenfolge gestapelten Grundbausteinen.

Der S-Block ist ein in Hexaferriten sehr häufig vorkommendes Element und hat die chemische Formel ${\displaystyle {\ce {(Me^{S})6O8^{2+}}}}$. ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$ sind kleinere Metallkationen, beispielsweise Eisen ${\displaystyle {\ce {Fe}}}$ und andere Übergangsmetalle^[2] oder Edelmetalle^[3]. Der S-Block ist im Grunde ein entlang der ${\displaystyle (111)}$-Ebene geschnittener ${\displaystyle {\ce {AB2O4}}}$-Spinell-Kristall. Jeder S-Block hat eine A- und eine B-Schicht. Die A-Schicht beinhaltet ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-zentrierte Tetraeder und ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-zentrierte Oktaeder, während die B-Schicht aus kanten-teilenden ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-Oktaedern besteht. Beide Schichten haben die gleiche chemische Formel ${\displaystyle {\ce {(Me^{S})3O4^{2+}}}}$.

Der R-Block hat die chemische Zusammensetzung ${\displaystyle {\ce {Me^{L}Me^{S}6O11^{2-}}}}$. ${\displaystyle {\ce {Me^{L}}}}$ sind größere Metallkationen, zum Beispiel Erdalkalimetalle (Barium ${\displaystyle {\ce {Ba}}}$^[4], Strontium ${\displaystyle {\ce {Sr}}}$^[5]), Seltenerdmetalle^[5], Blei ${\displaystyle {\ce {Pb}}}$^[6] etc. Die Kristallklasse des R-Blocks ist ${\displaystyle {\bar {6}}m2}$. Das größere Metallkation befindet sich in der mittleren von drei hexagonalen Schichten. Dieser Block besteht außerdem aus flächen-teilenden ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-zentrierten Oktaedern und ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-zentrierten trigonalen Doppelpyramiden.

Der T-Block hat die chemische Formel ${\displaystyle {\ce {Me^{L}2Me^{S}8O14^{2-}}}}$. Seine Kristallklasse ist ${\displaystyle 3m}$. Ein T-Block besteht aus 4 Sauerstoff-Schichten, wobei die zwei ${\displaystyle {\ce {Me^{L}}}}$-Atome zwei Sauerstoffatome in der Mitte der beiden Schichten ersetzen. In einem T-Block existieren sowohl ${\displaystyle {\ce {Me^{S}}}}$-zentrierte Oktaeder als auch ${\displaystyle {\ce {Me^{L}}}}$-zentrierte Tetraeder.

M-Typ Ferrite bestehen aus abwechselnden S- und R-Blocks in der Reihenfolge SRS*R*, wobei * eine Rotation um die c-Achse um 180° entspricht. Die chemische Formel von M-Ferriten ist ${\displaystyle {\ce {Me^{L}Me^{S}12O19}}}$. Bekanntere Vertreter sind BaFe₁₂O₁₉ und ${\displaystyle {\ce {SrFe12O19}}}$. Sie liegen in der ${\displaystyle P6_{3}/mmc}$⁣-Raumgruppe vor. Für BaFe₁₂O₁₉ ist a = 5.89 Å und c = 23.18 Å.^[7] M-Ferrite sind sehr robuste ferrimagnetische Materialien und deshalb weit verbreitet als Kühlschrankmagnete, Magnetstreifen in Kreditkarten, Lautsprechermagnete und in Linear Tape-Open.

W-Typ Ferrit besteht wie der M-Typ aus S- und R-Block, hier unterscheidet sich aber die Stapelfolge und Anzahl der Blocks. Die Stapelfolge ist SSRS*S*R* und die Zusammensetzung ist ${\displaystyle {\ce {Me^{L}Me^{S}18O27}}}$, die dazugehörige Raumgruppe ist ${\displaystyle P6_{3}/mmc}$. Ein Beispiel ist ${\displaystyle {\ce {BaFe18O27}}}$ mit a = 5.88 Å und c = 32.85 Å.^[8]

R-Typ Ferrite haben die chemische Formel ${\displaystyle {\ce {Me^{L}Me^{S}6O11}}}$ in der Raumgruppe ${\displaystyle P6_{3}/mmc}$. Im Gegensatz zu anderen Hexaferriten fehlt beim R-Typ der S-Block. Anstelle dessen finden sich hier einzelne B-Schichten (siehe dazu den S-Block). Die Stapelfolge ist BRB*R*.

Y-Typ Ferrite sind über die chemische Zusammensetzung ${\displaystyle {\ce {Me^{L}2Me^{S}14O22}}}$ definiert und liegen in der Raumgruppe ${\displaystyle R{\bar {3}}m}$ vor. Ein Beispielmaterial ist ${\displaystyle {\ce {Ba2Co2Fe12O22}}}$ mit a = 5.86 Å und c = 43.5 Å.^[9] Der Y-Typ besteht aus S- und T-Blocks mit einer 3(ST)-Anordnung in einer Einheitszelle. Hier liegt keine horizontale Spiegelebene vor.

Die Z-Typ Ferrite haben die chemische Zusammensetzung ${\displaystyle {\ce {Me^{L}3Me^{S}26O41}}}$, sie sind Vertreter der Raumgruppe ${\displaystyle P6_{3}/mmc}$. Die Stapelfolge ist kompliziert: SRSTS*R*S*T*. Einige Vertreter der Z-Ferrite zeigen möglicherweise anisotrope, komplexe magnetische Eigenschaften.^[10] Ein Beispiel dafür ist ${\displaystyle {\ce {Ba3Co2Fe24O41}}}$ mit den Gitterkonstanten a = 5.88 Å und c = 52.3 Å.

X-Typ Ferrit ist über ${\displaystyle {\ce {Me^{L}2Me^{S}30O46}}}$ charakterisiert und kristallisiert in der Raumgruppe ${\displaystyle R{\bar {3}}m}$. Die Stapelfolge ist 3(SRS*S*R*) in einer Einheitszelle. Ein Beispiel hierfür ist ${\displaystyle {\ce {Sr2Co2Fe28O46}}}$ mit c = 83.74 Å.^[11]

1. ↑ Robert C. Pullar: Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics. In: Progress in Materials Science. 57. Jahrgang, Nr. 7, 1. September 2012, ISSN 0079-6425, S. 1191–1334, doi:10.1016/j.pmatsci.2012.04.001 (englisch, sciencedirect.com). 
2. ↑ Shintaro Ishiwata, Ichiro Terasaki, Masaki Azuma, Mikio Takano: High pressure synthesis and structure of a new magnetoplumbite-type cobalt oxide SrCo₁₂O₁₉. In: Journal of Solid State Chemistry. 181. Jahrgang, Nr. 5, 1. Mai 2008, ISSN 0022-4596, S. 1273–1278, doi:10.1016/j.jssc.2008.02.024, bibcode:2008JSSCh.181.1273I (englisch, sciencedirect.com). 
3. ↑ M. L. Foo, Q. Huang, J. W. Lynn, Wei-Li Lee, Tomasz Klimczuk, I. S. Hagemann, N. P. Ong, R. J. Cava: Synthesis, structure and physical properties of Ru ferrites: Ba${\displaystyle M}$Ru₅O₁₁ (M=Li and Cu) and BaM′₂Ru₄O₁₁ (M′=Mn, Fe and Co). In: Journal of Solid State Chemistry. 179. Jahrgang, Nr. 2, 1. Februar 2006, ISSN 0022-4596, S. 563–572, doi:10.1016/j.jssc.2005.11.014 (englisch, sciencedirect.com). 
4. ↑ Sandra Nemrava, Denis A. Vinnik, Zhiwei Hu, Martin Valldor, Chang-Yang Kuo, Dmitry A. Zherebtsov, Svetlana A. Gudkova, Chien-Te Chen, Liu Hao Tjeng, Rainer Niewa: Three Oxidation States of Manganese in the Barium Hexaferrite BaFe_12–xMn_xO₁₉. In: Inorganic Chemistry. 56. Jahrgang, Nr. 7, 3. April 2017, ISSN 0020-1669, S. 3861–3866, doi:10.1021/acs.inorgchem.6b02688, PMID 28290672 (englisch, acs.org). 
5. ↑ ^{a b} Jun Li, Elena A. Medina, Judith K. Stalick, Arthur W. Sleight, M. A. Subramanian: Structural studies of CaAl₁₂O₁₉, SrAl₁₂O₁₉, La_2/3+δAl_12–δO₁₉, and CaAl₁₀NiTiO₁₉ with the hibonite structure; indications of an unusual type of ferroelectricity. In: Zeitschrift für Naturforschung B. 71. Jahrgang, Nr. 5, 1. Mai 2016, ISSN 1865-7117, S. 475–484, doi:10.1515/znb-2015-0224 (englisch). 
6. ↑ J.J. Comer, W.J. Croft, M. Kestigian, J.R. Carter: An x-ray and electron microscope study of the compound PbAl₁₂O₁₉. In: Materials Research Bulletin. 2. Jahrgang, Nr. 3, März 1967, S. 293–302, doi:10.1016/0025-5408(67)90013-X (englisch, elsevier.com). 
7. ↑ S. Ounnunkad, P. Winotai: Properties of Cr-substituted M-type barium ferrites prepared by nitrate–citrate gel-autocombustion process. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 301. Jahrgang, Nr. 2, 1. Juni 2006, ISSN 0304-8853, S. 292–300, doi:10.1016/j.jmmm.2005.07.003, bibcode:2006JMMM..301..292O (englisch, sciencedirect.com). 
8. ↑ P. B. Braun: The crystal structures of a new group of ferromagnetic compounds. In: Philips Res. Rep. 12. Jahrgang, 1957, S. 491–548 (nii.ac.jp). 
9. ↑ H. S. Shin, S.-J. Kwon: X-ray powder diffraction patterns of two Y-type hexagonal ferrites. In: Powder Diffraction. Band 8, Nr. 2, Juni 1993, ISSN 1945-7413, S. 98–101, doi:10.1017/S0885715600017905 (englisch, cambridge.org [abgerufen am 26. Dezember 2024]). 
10. ↑ Robert C. Pullar: Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics. In: Progress in Materials Science. 57. Jahrgang, Nr. 7, 1. September 2012, ISSN 0079-6425, S. 1191–1334, doi:10.1016/j.pmatsci.2012.04.001 (englisch, sciencedirect.com). 
11. ↑ Meixia Wu, Xiang Zhou, Mark Croft, Steven Ehrlich, Syed Khalid, Wen Wen, Saul H. Lapidus, Xianghan Xu, Man-Rong Li, Zhongwu Liu, Sang-Wook Cheong: Single-Crystal Growth and Room-Temperature Magnetocaloric Effect of X-Type Hexaferrite Sr2Co2Fe28O46. In: Inorganic Chemistry. Band 59, Nr. 10, 18. Mai 2020, ISSN 0020-1669, S. 6755–6762, doi:10.1021/acs.inorgchem.9b03724 (englisch, acs.org [abgerufen am 26. Dezember 2024]).