Магнитоэлектрический эффект в композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах в области магнитного резонанса

• Автор: Антоненков, Олег Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01, 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Великий Новгород
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Введение

Глава 1 Магнитоэлектрический эффект обзор

1.1 Магнитоэлектрические материалы

1.2 Магнитоэлектрические эффекты в монокристаллах и композитах

1.3 Магнитоэлектрический эффект в СВЧ области спектра.

1.3.1 Феноменологическая теория резонансного магнитоэлектрического эффекта.

1.3.2 Микроскопическая теория резонансного магнитоэлектрического эффекта.

1.4 Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах в

области электромеханического резонанса.

1.5 Возможные области применения магнитоэлектрических материалов

1.6 Выводы. Постановка задачи исследований

Глава 2 Теоретический расчет сдвига линии магнитного резонанса в
слоистой феррит пьезоэлектрической структуре.
2.1 Модель структуры и основные уравнения.
2.2 Резонансный магнитоэлектрический эффект при ориентации
магнитного поля Я вдоль направления 1 образца.
2.3 Резонансный магнитоэлектрический эффект при ориентации
магнитного поля Я в 1 плоскости образца.
2.4 Выводы
Глава 3 Экспериментальное исследование магнитоэлектрического
эффекта в композиционных материалах
3.1 Методы измерения магнитоэлектрического эффекта
3.2 Приготовление образцов для измерений
3.3 Погрешность измерений
3.4 Результаты экспериментальных измерений в слоистых
композиционных материалах
3.5 Результаты экспериментальных измерений в объемных
композиционных материалах
3.6 Выводы.
Глава 4 Аттенюатор СВЧ диапазона
4.1 Конструкция магнитоэлектрического СВЧ аттенюатора
4.2 Математическая модель СВЧ аттенюатора
4.3 Теоретический расчет СВЧ аттенюатора, управляемого электрическим
4.4 Выводы.
Заключение
Библиографический список.
Приложение А Результаты измерений сдвига линии магнитного резонанса в многослойных композиционных материалах.
Введение
Магнитоэлектрический МЭ эффект относится к перекрестным эффектам и представляет интерес для исследований, поскольку он может быть положен в основу создания принципиально новых устройств твердотельной электроники. Эффект является результатом взаимодействия магнитной и электрической подсистем структуры. В области магнитного резонанса наблюдается резонансный МЭ эффект, который заключается в сдвиге резонансной линии под действием внешнего электрического поля. На основе МЭ эффекта можно создать приборы твердотельной электроники, в которых управление осуществляется не только магнитным, но и электрическим полем. В настоящее время МЭ эффект хорошо изучен на низких частотах. Исследований в области магнитного резонанса пока недостаточно.
В данной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование сдвига линии магнитного резонанса в композиционных ферритпьезоэлектрических материалах под действием электрического поля. Установлена зависимость величины эффекта от геометрических размеров, характеристик структуры и соотношений между пьезоэлектрической и ферритовой фазами композита.
В настоящее время наблюдается значительное увеличение интереса к исследованию и созданию материалов, обладающих МЭ эффектами. Это стимулируется как научными, так и прикладными проблемами, которые связаны с наличием в таких материалах взаимодействующих между собой электрической, магнитной и упругой подсистем кристалла 1 3. Впервые возможность существования МЭ эффекта в магнитоупорядоченных материалах было предсказано Ландау и Лифшицем 4. В году Дзялошинским был теоретически предсказан МЭ эффект в антиферромагнитном оксиде хрома 2 5. Эти предположения экспериментально подтвердились, и Астров впервые обнаружил этот эффект 6. Немного позже и 7 измерили обратный эффект, а именно возникновение поляризации под действием
магнитного поля. В настоящее время известно большое количество магнитоупорядоченных материалов 1, 2, 8 . В некоторых из них экспериментально обнаружен резонансный МЭ эффект , , которЕлй заключается в сдвиге линии магнитного резонанса под действием внешнего электрического поля. МЭ материалы обладают рядом важных для техники свойств. Это позволяет использовать их для построения принципиально новых технических устройств твердотельной электроники , , а в ряде случаев улучшить техникоэкономические характеристики приборов .
К настоящему времени большое внимание уделялось исследованию МЭ эффекта в магнитоупорядоченных материалах на низких частотах 1, 8, 9, . СВЧ диапазон малоисследован, хотя и представляет наибольший интерес, в особенности область магнитного резонанса, для исследования свойств МЭ материалов. В этом диапазоне появляется возможность использовать измерительную аппаратуру с повышенной чувствительностью, что позволяет обнаружить весьма слабые по величине эффекты.
Актуальность


Практическому использованию МЭ монокристаллов в твердотельной электронике препятствует малая величина эффекта, а также то, что МЭ эффект в большинстве из них наблюдается при температурах, значительно ниже комнатной. Это связано с низкими температурами Нееля или Кюри для этих материалов. Перспективным путем решения этой проблемы стало развитие технологии изготовления композиционных МЭ материалов на основе ферритов и пьезоэлектриков. Такие материалы обладают всеми свойствами феррита и пьезоэлектрика и, кроме того, МЭ свойствами. Варьируя составом ферритовой и пьезоэлектрической компонент, появляется возможность реализовать композиционшлй материал с необходимыми МЭ свойствами. Величина МЭ взаимодействия в композиционных материалах значительно больше, чем в монокристаллах, поэтому исследование композиционных МЭ материалов в СВЧ диапазоне представляется весьма актуальным. Целью работы являлось установление зависимости величины резонансного магнитоэлектрического эффекта от состава и свойств композиционных материалов путем теоретического и экспериментального исследования эффекта в ферритпьезоэлектрических структурах. Разработать модель и методику расчета сдвига линии магнитного резонанса под действием электрического поля в ферритпьезоэлектрических структурах. Провести экспериментальные исследования многослойных и объемных композиционных МЭ материалов в области магнитного резонанса. Установить экспериментальную зависимость величины эффекта от свойств ферритовой и пьезоэлектрической компонент и соотношений между фазами. Изготовить фсрритпьезоэлектричсские структуры с магнитоэлектрическими характеристиками, позволяющими создавать СВЧ устройства на основе МЭ эффекта. Предложить конструкцию и рассчитать характеристики СВЧ аттенюатора на основе МЭ эффекта. ЦТС, ферритникелиевой шпинели, ферритлитиевой шпинели, железоиттриевого граната ЖИГ. Методы проведенных исследований. При проведении теоретических исследований использовались уравнения эластостатики и электродинамики. ЭПР спектрометром при помещении образца в постоянное магнитное поля и подачи на него прямоугольных импульсов электрического поля. Проанализирована зависимость величины эффекта от характеристик феррита и пьезоэлектрика и соотношений между магнитострикционной и пьезоэлектрической фазами. Показано, что максимальный МЭ эффект в диапазоне СВЧ наблюдается в композитах, у которых пьезоэлектрическая компонента с большим пьезоэлектрическим коэффициентом, а магнитострикционная компонента с малой намагниченностью насыщения и высокой магнитострикцией. Сдвиг резонансной линии увеличивается при увеличении процентного содержания пьезоэлектрика в составе композита. Полученное выражение сдвига линии магнитного резонанса в композитах под действием электрического поля позволяет выработать рекомендации для синтеза структур с максимальным значением величины эффекта. Предложена конструкция и рассчитаны характеристики СВЧ аттенюатора на основе магнитоэлектрического эффекта, управление которым осуществляется электрическим полем. В феррит пьезоэлектрических структурах величина сдвига линии магнитного резонанса во внешнем электрическом поле увеличивается с увеличением относительного содержания пьезоэлектрической фазы по отношению к магнитной. Величина сдвига линии магнитного резонанса под действием электрического поля в многослойных композиционных материалах больше, чем в объемных структурах. В феррит пьезоэлектрических структурах на основе железо иттриевого граната цирконата титаната свинца сдвиг линии магнитного резонанса в электрическом поле напряженностью кВсм составляет величину, больше чем ширина линии магнитного резонанса. Это позволяет использовать данные структуры для построения электрически управляемых СВЧ аттенюаторов. М2. М2. Лг гранта М2. К
Проекта по программе Министерства образования РФ Развитие научного потенциала высшей школы. НИР Министерства образования РФ Исследование магнитоэлектрического эффекта в ферритах и антиферромагнетиках . Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика , Москва, .