Резонансный магнитоэлектрический эффект в композитных планарных структурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик

• Автор: Фетисов, Леонид Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1 Магнитоэлектрический эффект. Литературный обзор

§1.1 Магнитоэлектрический эффект в кристаллах

§1.2 МЭ эффект в композитных структурах

§ 1.3 МЭ эффект в пленочных структурах

§1.4 Измерение МЭ эффекта в тонких пленках

§1.5 Теоретические модели МЭ эффекта

§1.6 Применения МЭ эффекта

Глава 2 Экспериментальные методики и материалы

§2.1 Магнитные материалы

§2.2 Сегнетоэлектрические и пьезоэлектрические материалы
§2.3 Экспериментальные установки и методики исследований
Г лава 3 МЭ эффект в композитных структурах с разными магнитными и
пьезоэлектрическими материалами
§3.1 Магнитные материалы структур
§3.2 Резонанный магнитоэлектрический эффект в композитныых структурах
§3.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах с пьезоэлектрическими слоями
Глава 4 Управление МЭ эффектом электрическим полем
§4.1 Влияние электрического поля на МЭ эффект
§4.2 МЭ эффект в трехслойной структуре
§ 4.3 Нелинейные МЭ эффекты
§ 4.4 Импульсные измерения
Основные результаты и выводы диссертации
Основные публикации по теме диссертации
Список использованной литературы

Введение
В последние годы в научных лабораториях России и за рубежом интенсивно исследуют мультиферроики - твердые тела, обладающие одновременно как магнитным, так и электрическим упорядочением. В таких веществах обнаружены магнитоэлектрические (МЭ) эффекты, проявляющиеся в изменении электрической поляризации образца Р под действием внешнего магнитного поля Н (прямой эффект) или в изменении намагниченности образца М под действием электрического поля Е (обратный эффект). Исследования МЭ эффектов в мультиферроиках важны для более глубокого понимания физики электромагнитных явлений в твердых телах и представляют интерес для создания нового поколения устройств твердотельной электроники, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, элементы хранения и обработки информации, автономные источники электрической энергии и т.д.
В большинстве природных мультиферроидных кристаллов (Сг2Оз и других) МЭ эффекты малы по величине - коэффициент прямого МЭ взаимодействия не превышает осе = Е/Н ~ 10 мВ/Э-см - и наблюдаются, как правило, при низких температурах или в больших магнитных полях, что ограничивает их применение. Гораздо больший по ве-
структурах эффект возникает в результате комбинации магнитострикции ФМ слоя и пьезоэффекта в СЭ слое вследствие механической связи между слоями. Использование материалов с высокой магнитострикцией X (никелевый феррит, металлы N1 и Со, редкоземельные сплавы) и большим пьезомодулем сі (цирконат-титанат свинца - PZT, магни-ониобат-титанат свинца - РМ1Ч-РТ и других) позволило достичь эффективности взаимодействия ав - 1-10 В/Э-см. Эффективность МЭ взаимодействия в композитных структурах удалось увеличить еще на 1-2 порядка до ав ~102 В/Э-см в режиме резонансного возбуждения образца переменным магнитным полем, частота которого совпадает с частотой собственных акустических колебаний образца.
К моменту начала работ над диссертацией (2008 год) определились наиболее актуальные задачи и направления исследований, среди которых: повышение эффективности МЭ взаимодействий за счет использования в композитных структурах новых ФМ и СЭ материалов, детальное исследование полевых и частотных характеристик МЭ взаимодействий, в том числе в резонансных режимах, разработка новых методов управления

характеристиками МЭ взаимодействий с помощью внешних полей и поиск новых МЭ эффектов для применений в твердотельной электронике.
Эффективность МЭ взаимодействий в композитных структурах можно повысить за счет использования магнитных материалов с большим пьезомагнитным коэффициентом q — 31/дН и высокой намагниченностью насыщения, обладающих при этом малой коэрцитивной силой. Материалы, используемые для изготовления СЭ слоев должны иметь высокий пьезомодуль с!, малые диэлектрические потери tg5 и наименьший сегне-тоэлектрический гистерезис. Для повышения эффективности МЭ взаимодействий в резонансных режимах как ФМ, так и СЭ слои композитных структур должны обладать высокой акустической добротностью. Характеристиками МЭ взаимодействий в композитных структурах (эффективность взаимодействия, резонансная частота, потери) также можно управлять при помощи постоянного электрического поля, приложенного к се-гнетоэлектрическому слою. Большинство работ было посвящено изучению линейных МЭ эффектов в переменных полях, когда отклик мультиферроидного образца регистрировали на частоте возбуждающего поля, и амплитуда отклика линейно зависела от величины поля. Вместе с тем, для ФМ материалов характерна нелинейная зависимость магнитострикции от магнитного поля /.(Я), а для ФЭ материалов - нелинейная зависимость пьезомодуля от электрического поля (1{Е). Это открывает возможности наблюде-
('/д*',( Ч 'М «М V
ния новых нелинейных МЭ эффектов в композитных мультиферроиках. Изучение нелинейных характеристик МЭ эффекта в композитных структурах представляет большой интерес и может привести к новым фундаментальным и практическим результатам.
Интерес к исследованию магнитоэлектрического эффекта вызван не только научной новизной этого направления, но также перспективами практического использования его в различных областях промышленности. Одним из основных применений является изготовление высокочувствительных датчиков магнитных полей. Их основными достоинствами является линейность по отношению к амплитуде измеряемого поля, широкий частотный диапазон, а также отсутствие дополнительного источника тока, необходимого, например, для работы датчиков Холла. Достигнутая на сегодняшний день максимальная чувствительность таких датчиков составляла 1012 Тл при комнатной температуре, что сравнимо с чувствительностью СКВИД-магнитометров. Другими перспективными направлениями являются: разработка автономных источников энергии, преобразующих в электрическую энергию механических колебаний и переменных маг-

работ была основана на формулах, приведенных в этой статье. В последующих статьях эта модель была модифицирована, в ней стали, к примеру, учитывать неидеальность связи между слоями, однако основы остались неизменны.
Существуют два подхода использования этого метода. В первом подходе слоистая структура рассматривается как гомогенный образец, и записывают уравнения, общие для всей структуры [123]. Во втором рассматривают отдельно слои и их взаимодействие [124]. Эта модель учитывает только продольные деформации растяжения-сжатия, не учитывает изгибных и толщинных деформаций, а также не описывает случая резонанса.
Рассмотрим первый случай. Исходные уравнения выглядят так:
где 5-у - тензор податливости, Т - тензор механических напряжений, сі - пьезоэлектрический тензор, Еь Дь Нк, Вк - компоненты вектора напряженности электрического поля, электрического смещения, напряженности магнитного поля и индукции магнитного по-
ницаемость, МЭ коэффициент и магнитная проницаемость. Затем решаются эти уравнения в приближении незамкнутой цепи и при стандартных граничных условиях на напряжения. В зависимости от направления приложенного электрического и магнитного полей выбираются компоненты тензоров. Таким образом, можно рассчитать коэффициенты для продольных и поперечных МЭ эффектов:
Для продольного МЭ эффекта коэффициент имеет вид:
— + ьЕк + дшНк

~ кіі + £кпп + акПНп

Вк — Ч к, В, + <%кп + Мып >

ля, д - пьезомагнитный коэффициент, акп, ць, - эффективные диэлектрическая про-
-2у(-у)р с1пд™

Для поперечного МЭ эффект:
-кУ(-У)Мп+Чп)

Е'31 (.уі+ууєку + і.у +з!2)£Ц-у)-2ШЬ)\-у)
(10)