Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках

Дан анализ современного этапа изучения магнитоэлектрических (МЭ) композиционных мультиферроиков. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как следствие магнитострикционных и пьезоэлектрических свойств компонентов. Упругое механическое взаимодействие между магнитострикционной и пьезоэлектрическ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Бичурин, М.И., Петров, В.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2010
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117178
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках / М.И. Бичурин, В.М. Петров // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 680–687. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-117178
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1171782017-05-21T03:03:00Z Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках Бичурин, М.И. Петров, В.М. Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках Дан анализ современного этапа изучения магнитоэлектрических (МЭ) композиционных мультиферроиков. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как следствие магнитострикционных и пьезоэлектрических свойств компонентов. Упругое механическое взаимодействие между магнитострикционной и пьезоэлектрической фазами дает гигантский магнитоэлектрический отклик в магнитоэлектрических композиционных материалах. Вблизи электромеханического резонанса МЭ эффект усиливается более чем в 100 раз. Интерес, связанный с возможностью построения интегральных устройств, вызывают недавно полученные наноструктурные композиты из сегнетоэлектрических и магнитных оксидов, выполненные в виде пленок на подложке. МЭ взаимодействие между сегнетоэлектрическими и магнитными оксидами, имеющими размеры порядка нанометров, такое же, как и у обычных композиционных материалов. Подобно объемным МЭ композитам, среди возможных применений МЭ эффекта в нанокомпозитах следует указать датчики, преобразователи и разнообразные устройства чтения–записи. Дано аналіз сучасного етапу вивчення магнітоелектричних (МЕ) композиційних мультифероїків. У матеріалах такого роду МЕ ефект проявляється як наслідок магнітострикційних та п'єзоелектричних властивостей компонентів. Пружна механічна взаємодія між магнітострикційною та п'єзоелектричною фазами дає гігантський магнітоелектричний відгук у магнітоелектричних композиційних матеріалах. Поблизу електромеханічного резонансу МЕ ефект підсилюється більш ніж в 100 разів. Інтерес, пов'язаний з можливістю побудови інтегральних обладнань, викликають недавно отримані наноструктурні композити із сегнетоелектричних й магнітних оксидів, яки виконано у вигляді плівок на підкладці. МЕ взаємодія між сегнетоелектричними й магнітними оксидами, що мають розміри порядку нанометрів, така ж, як і у звичайних композиційних матеріалів. Подібно об'ємним МЕ композитам, серед можливих застосувань МЕ ефекту в нанокомпозитах слід указати датчики, перетворювачі й різноманітні обладнання читання-запису. Present studies of magnetoelectric (МE) composite multiferroics are analyzed. In such materials the МE effect arises from magnetostriction and piezoelectric properties of components. The elastic mechanical interaction between magnetostriction and piezoelectric phases results in a giant magnetoelectric response in magnetoelectric composite materials. In the vicinity of electromechanical resonance the МE effect is enhanced more than by a factor of 100. Interest in possible construction of integrated devices has been provoked by recent nanostructural composites of ferroelectric and magnetic oxides prepared in the film-onsubstrate form. The МE interaction between ferroelectric and magnetic oxides of nanometers size is the same as that in common composite materials. Like bulk МE composites, the МE effect in nanocomposites may be applied in converters sensors, transducers, and in a variety of reproducing-recording devices. 2010 Article Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках / М.И. Бичурин, В.М. Петров // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 680–687. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 75.80.+q, 78.67.Pt, 76.50.+g http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117178 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках
spellingShingle	Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках Бичурин, М.И. Петров, В.М. Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках Физика низких температур
description	Дан анализ современного этапа изучения магнитоэлектрических (МЭ) композиционных мультиферроиков. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как следствие магнитострикционных и пьезоэлектрических свойств компонентов. Упругое механическое взаимодействие между магнитострикционной и пьезоэлектрической фазами дает гигантский магнитоэлектрический отклик в магнитоэлектрических композиционных материалах. Вблизи электромеханического резонанса МЭ эффект усиливается более чем в 100 раз. Интерес, связанный с возможностью построения интегральных устройств, вызывают недавно полученные наноструктурные композиты из сегнетоэлектрических и магнитных оксидов, выполненные в виде пленок на подложке. МЭ взаимодействие между сегнетоэлектрическими и магнитными оксидами, имеющими размеры порядка нанометров, такое же, как и у обычных композиционных материалов. Подобно объемным МЭ композитам, среди возможных применений МЭ эффекта в нанокомпозитах следует указать датчики, преобразователи и разнообразные устройства чтения–записи.
format	Article
author	Бичурин, М.И. Петров, В.М.
author_facet	Бичурин, М.И. Петров, В.М.
author_sort	Бичурин, М.И.
title	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
title_short	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
title_full	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
title_fullStr	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
title_full_unstemmed	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
title_sort	магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117178
citation_txt	Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках / М.И. Бичурин, В.М. Петров // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 680–687. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT bičurinmi magnitoélektričeskijéffektvmagnitostrikcionnopʹezoélektričeskihmulʹtiferroikah AT petrovvm magnitoélektričeskijéffektvmagnitostrikcionnopʹezoélektričeskihmulʹtiferroikah
first_indexed	2025-07-08T11:46:42Z
last_indexed	2025-07-08T11:46:42Z
_version_	1837079151167668224
fulltext	680 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6, c. 680–687 Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках М.И. Бичурин, В.М. Петров Новгородский государственный университет ул. Б. С.-Петербургская, 41, г. Великий Новгород, 173003, Россия E-mail: Mirza.Bichurin@novsu.ru Статья поступила в редакцию 29 октября 2009 г., после переработки 24 декабря 2009 г. Дан анализ современного этапа изучения магнитоэлектрических (МЭ) композиционных мультифер- роиков. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как следствие магнитострикционных и пьезо- электрических свойств компонентов. Упругое механическое взаимодействие между магнитострикцион- ной и пьезоэлектрической фазами дает гигантский магнитоэлектрический отклик в магнитоэлектриче- ских композиционных материалах. Вблизи электромеханического резонанса МЭ эффект усиливается бо- лее чем в 100 раз. Интерес, связанный с возможностью построения интегральных устройств, вызывают недавно полученные наноструктурные композиты из сегнетоэлектрических и магнитных оксидов, вы- полненные в виде пленок на подложке. МЭ взаимодействие между сегнетоэлектрическими и магнитны- ми оксидами, имеющими размеры порядка нанометров, такое же, как и у обычных композиционных ма- териалов. Подобно объемным МЭ композитам, среди возможных применений МЭ эффекта в нанокомпо- зитах следует указать датчики, преобразователи и разнообразные устройства чтения–записи. Дано аналіз сучасного етапу вивчення магнітоелектричних (МЕ) композиційних мультифероїків. У матеріалах такого роду МЕ ефект проявляється як наслідок магнітострикційних та п'єзоелектричних вла- стивостей компонентів. Пружна механічна взаємодія між магнітострикційною та п'єзоелектричною фа- зами дає гігантський магнітоелектричний відгук у магнітоелектричних композиційних матеріалах. По- близу електромеханічного резонансу МЕ ефект підсилюється більш ніж в 100 разів. Інтерес, пов'язаний з можливістю побудови інтегральних обладнань, викликають недавно отримані наноструктурні композити із сегнетоелектричних й магнітних оксидів, яки виконано у вигляді плівок на підкладці. МЕ взаємодія між сегнетоелектричними й магнітними оксидами, що мають розміри порядку нанометрів, така ж, як і у звичайних композиційних матеріалів. Подібно об'ємним МЕ композитам, серед можливих застосувань МЕ ефекту в нанокомпозитах слід указати датчики, перетворювачі й різноманітні обладнання читання– запису. PACS: 75.80.+q Магнитомеханические и магнитоэлектрические эффекты, магнитострикция; 78.67.Pt Многослойники, сверхрешетки, фотонные структуры, метаматериалы; 76.50.+g Ферромагнитный, антиферромагнитный и ферримагнитный резонансы; спин-волновой резонанс. Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитострикционно-пьезоэлектрические мультифер- роики, электромеханический резонанс, магнитный резонанс. 1. Введение Исследованию физических свойств материалов, ха- рактеризующихся, как минимум, двумя типами упоря- дочения (сегнетоэлектрическим, ферромагнитным или упругим), т.е. мультиферроиков [1–3], уделяется за- служенное внимание благодаря возможности их при- менения в технике для создания многофункциональ- ных устройств. Благодаря взаимодействию между раз- личными параметрами упорядочений в мультиферрои- ках могут появляться новые эффекты, например, маг- нитоэлектрический (МЭ) [4–9]. Одна из важных науч- ных задач — исследование МЭ эффекта в мультифер- роиках. п е з н ( М в п ф т т ф с т п в к н с п р н к ч ч з б п т н т т и л Р к Маг Физика низких Магнитоэл появление эл ем магнитног значаемый ка ниченности М (т.е. обратны М = αЕ). В взаимодейств при низких т фекту обусло териалов в у троники и вы фазные МЭ слабыми МЭ ты только пр пригодными воположност ки, содержащ нитную фазы стиками при перспективны работа посвя ния МЭ комп В противо композитах М ческой и маг чениям МЭ к значения МЭ больше, чем при комнатно К настоящ темы возмож ные керамиче трических ке титанат свин из магнитных лов; 3) трехф Рис. 1. Три об композит со св гнитоэлектри температур, 2 лектрический лектрической го поля Н (т ак МЭH: P = М под дейст ый МЭ эффе некоторых вие наблюдал температурах овлен возмож устройствах х ысокоскорост мультиферро свойствами, ри низких те для практич ь им компози щие сегнето ы, обладают комнатной ыми для техн ящена анализ позиционных оположность МЭ взаимоде гнитной фаза коэффициент Э восприимчи в известных ой температу щему времени жных МЭ ком еские МЭ ком ерамик и фер нца (ЦТС); 2) х сплавов и фазные МЭ к а ъемных компо вязностью 2–2 ический эфф 2010, т. 36, № 6 й эффект пре поляризации т.е. прямой М = αH) или п твием электр ект, обознача природных лось как вну х [4–6,10]. Ин жностью при хранения ин тной памяти. оики обладаю , при этом во емпературах еского прим иционные МЭ оэлектрическу гигантскими температуре нических при зу современн мультиферр ь однофазным ействие межд ами приводит тов. В частно ивости на нес х однофазных уре. и исследованы мпозитов, вк мпозиты на о рритов, напр ) двухфазные пьезоэлектри композиты; 4 озита с тремя (б); волокнист фект в магнит 6 едставляет с и Р под дейс МЭ эффект, появление на рического пол аемый как М материалах утренний эф нтерес к МЭ именения МЭ формации, с В природе о ют относите озможность р делают их м енения. В пр Э мультифер ую и ферро и МЭ характ е, что делае именений. Да ного этапа из оиков. м материала ду пьезоэлек т к большим ости, получен сколько поря х МЭ матери ы различные ключая 1) об основе пьезоэ ример, цирко е МЭ компо ических мате 4) тонкие пл самыми распр тые/стержневы тострикцион обой стви- обо- амаг- ля Е МЭЕ: МЭ фект Э эф- Э ма- спин- одно- ельно рабо- мало- роти- ррои- омаг- тери- т их анная зуче- ам, в ктри- зна- нные ядков иалах сис- бъем- элек- онат- зиты ериа- ленки (нан ских роик 0–3, тыва осно эфф 2. Н К зиты Сам ком магн име сост окси пози матр BaT испо магн нито У ком писа где трич инду коэф прон магн б ространенным ые композиты нно-пьезоэлек ноструктурны х и магнитны ков из сегнет , 3–3, 2–2 и аются и уже ове МЭ ком фектом при ко Низкочастот Как и пьезоэ ы могут име мыми распро позит, получ нитных окси ющий место тоящей из сл идов; 3) тип ите, в котор рицу другой TiO3, ЦТС, Pb ользуются д нитной фазы острикционн Уравнения д позитах в ли аны в виде σ, S, D, E, B ческая индук укция, магни ффициент же ницаемости; нитный коэф ми схемами свя со связностью ктрических м ые композит ых оксидов. С тоэлектричес 1–3 [11] в на е получены мпозитов, об омнатной тем тный магнит электрически еть различны остраненными ченный из гра идов, со свя в слоистой к лоев пьезоэл 1–3, наблюда ром волокна , как показан b(MgNb)O3–P для пьезоэлек ы обычно выс ные сплавы. для описания инейном при TcS e Eσ = − D eS E= + ε TB qS= +α и H — напря кция, электр итное поле с есткости, диэ e и q — пье фициенты; α язи: объемный ю 1–3 (в). мультиферро ты) из сегн Структуры М ской и магнит астоящий мо макеты МЭ бладающих б мпературе. тоэлектриче ие композиты ые схемы св и являются: анул пьезоэле язностью 0–3 композицион ектрических аемый в воло одной фазы но на рис. 1 PbTiO3 и др. ктрической ф ступают ферр я МЭ взаим иближении м TE q H− , E H+α , ,T E H+μ яжение, дефо рическое пол оответственн электрическая езоэлектриче α — МЭ коэф в й композит 0– оиках 68 нетоэлектриче МЭ мультифер тной фаз тип омент разраба устройств н большим М ский эффект ы, МЭ компо вязности [11 1) объемны ектрических 3; 2) тип 2–2 ной керамик и магнитны окнистом ком ы внедрены 1. Соединени , как правило фазы; в рол риты или маг модействия могут быть за (1 (2 (3 ормация, элек ле, магнитна но; c, ε и μ — я и магнитна еский и пьезо ффициент. –3 (a); слоисты 81 е- р- па а- на Э т о- ]. ый и 2, е, ых м- в ия о, ли г- в а- 1) 2) 3) к- ая — ая о- ый М.И. Бичурин, В.М. Петров 682 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 Верхний индекс T обозначает транспонированную матрицу тензоров. Тензоры c, e, q, ε, μ и α являются соответственно матрицами размерами (6×6), (3×6), (3×6), (3×3), (3×3) и (3×3) в деформационном пред- ставлении. Для пьезоэлектрической фазы (например, BaTiO3 и ЦТС) в композите q = 0 и α = 0; для магнит- ной фазы (например, Co- и Ni-феррит) в композите e = 0 и α = 0. Но уже в их композиции результирующий МЭ коэффициент, зависящий от составляющих компо- зит микроструктур (т.е. свойств фаз компонентов, объ- емных долей, форм зерен, связи между фазами и т.д.), α ≠ 0. Кубическая модель объемных композитов [12,13] предполагает разбиение композита, например, со связ- ностью типа 0–3 на малые кубики, затем расчет поля в одном кубе, для которого проблема граничных усло- вий легко решаема. Такая простая модель не может быть обобщающей для других топологий и подходит только для понимания на определенном уровне физи- ческих процессов. Для решения основных уравнений (1)–(3) может быть использован метод эффективной среды, при этом эффективные параметры композита определяются че- рез усредненные поля. На основе такого подхода могут быть найдены все эффективные свойства композита. Например, для эффективной МЭ восприимчивости композита со связностью типа 2–2 при продольной ориентации магнитных и электрического полей (под- магничивающее и переменные магнитное и электриче- ское поля, а также направление поляризации перпен- дикулярны плоскости образца) получено следующее выражение: ____________________________________________________ 0 31 31 33 2 2 0 33 12 11 11 12 31 ( 1) 2 . [ ( 1) ][ ( ) ( )( 1)] 2 p m m m p m v d q pmv v v s s s s v q v μ − α = μ − − μ + − + − + (4) В формуле (4) верхние индексы p и m относятся к пьезоэлектрической и пьезомагнитной фазам соответственно, v — объемная доля ЦТС. Для случая поперечной ориентации полей (постоянное и переменное магнитные поля лежат в плоскости образ- ца, а переменное электрическое поле и направление поляризации перпендикулярны плоскости образца) МЭ вос- приимчивость имеет вид [14] 11 21 31 31 11 12 11 12 ( 1)( ) ( 1)( ) ( ) m m p p p m m v q q d v s s v s s − + α = − + − + . (5) В случае продольной ориентации полей (постоянное и переменное магнитные поля, а также переменное элек- трическое поле и направление поляризации лежат в плоскости образца) для МЭ восприимчивости получено вы- ражение { } ( ) ( ) 11 11 33 11 12 12 12 11 12 12 11 11 11 11 12 12 12 11 12 12 11 22 2 2 2 33 11 12 11 12 33 11 11 11 12 13 [ ( ) ( )](1 ) [ ( ) ( )] (1 ) . ( ) 1 ( ) ( 2 ) 1 m p p p p m p p p p m m p m p m m p m p p p p m m p m m p m p q s d s d q s d s d v q s d s d q s d s d vk v v s s s v v s s s s s s s s v v α = − + − − + − + − − = − − + − + + − − (6) _______________________________________________ На рис. 2 приведены поперечный и продольный в плоскости образца МЭ коэффициенты по напряжению αE композита состава феррит кобальта–ЦТС в зависи- мости от объемной доли ЦТС. МЭ коэффициент αE, приведенный на рис. 2, опи- сывает индуцируемое напряжение во внешнем магнит- ном поле в условиях разомкнутой электрической цепи: /Eij ij iiα = α ε . (7) Указанный МЭ коэффициент позволяет дать оценку возможности использования МЭ материалов в устрой- ствах функциональной электроники. Как следует из рис. 2, при изменении ориентации магнитных и электрического полей с поперечной на продольную в плоскости образца происходит резкое увеличение МЭ коэффициента. На графике концентра- ционной зависимости αE11 наблюдается быстрое уве- личение МЭ коэффициента до максимума при v = 0,11 и последующее почти линейное уменьшение с ростом v. Наблюдаемое резкое увеличение обусловлено 1) от- сутствием размагничивающих полей и 2) большим зна- чением пьезоэлектрического и пьезомагнитного моду- лей по сравнению с продольной ориентацией полей. Уменьшение объемной доли пьезоэлектрической ком- поненты, соответствующей максимуму МЭ коэффици- ента, от 0,5–0,6 для продольной и поперечной ориен- таций полей до значительно меньшей величины 0,1 связано с концентрационной зависимостью эффектив- ной диэлектрической проницаемости. Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 683 Приведенные оценки сделаны в предположении идеальной механической связи между магнитной и пьезоэлектрической фазами. Для такого слоистого композита разработан [14] обобщенный метод расчета МЭ эффекта путем введения коэффициента k для опи- сания реальных условий связи на границе раздела, т.е. 0 0( ) / ( )p p m p i i i ik S S S S= − − (i = 1, 2), где 0 p iS — тензор деформации компонентов без учета трения меж- ду ними. Он зависит от качества связи и разницы де- формаций между пьезоэлектрическим и магнитным слоями: k = 1 соответствует идеальному соединению и k = 0 — соединению без трения. В таком материале МЭ коэффициент слоистого композита может быть найден как 3 31 31 0 33 2 2 2 3 31 33 31 2 (1 ) [2(1 ) ]( 2 ) E p E kv v d q s H v d s s kq v − μ α = = − − ε μ + (8) 3 11 21 31 31 2 1 33 31 (1 )( ) 2(1 ) E p E kv v q q d H s v d − − + α = = ε − − , (9) где 11 12 11 12(1 )( ) ( )p p m ms v s s kv s s= − + + + . Очевидно, при k = 1 эти два выражения сводятся к (4) и (5); при k = 0 МЭ эффект исчезает из-за отсутст- вия механической связи между фазами. Фактически МЭ коэффициент лежит между двумя значениями k = 0 и k = 1. На рис. 3 показан пример вычислений предель- ных значений для слоистого композита PZT и CoFe2O4 типа 2–2 при различных значениях k. Выражения (8) и (9) хорошо подходят для выбора значения k в экспери- ментах и облегчают описание качества связи фаз путем вычисления k из измеренного МЭ коэффициента. 3. Резонансное усиление магнитоэлектрического эффекта В работах [15–21] разработана теория МЭ эффекта в композитах в области электромеханического, ферро- магнитного и магнитоакустического резонансов. По- скольку МЭ эффект в композитах обусловлен механи- ческим взаимодействием между пьезоэлектрической и магнитной фазами, МЭ эффект во много раз возраста- ет, когда пьезоэлектрическая или магнитная фаза на- ходится в условиях резонанса, т.е. электромеханиче- ского резонанса (ЭМР) для пьезоэлектрической фазы и ферромагнитного резонанса (ФМР) для магнитной. Механические колебания возбуждаются переменными магнитным и электрическим полями с длиной волны, намного большей размера композита и составляющей десятки метров. Появляется возможность пренебречь пространственным изменением электрического и маг- Рис. 2. Концентрационная зависимость поперечного (a) и продольного в плоскости образца (б) МЭ коэффициентов αE композита феррит кобальта–ЦТС [14]. 0,20,2 0,40,4 0,60,6 0,80,8 1,01,000 100100 200200 300300 400400 500500 600600 àà vv vv 0,20,2 0,40,4 0,60,6 0,80,8 1,01,000 10001000 20002000 30003000 40004000 50005000 áá �� EE 3 1 3 1 , ì Â /À , ì Â /À �� EE 11 11 , ì Â /À , ì Â /À Рис. 3. Концентрационная зависимость продольного МЭ коэффициента αE для свободного образца композита феррит кобальта–ЦТС (a); зависимость максимального значения МЭ коэффициента и соответствующей ему объемной доли пьезо- электрической фазы vmax от параметра межслоевой связи [14] (б). 0,20,2 0,40,4 0,60,6 0,80,8 1,01,000 100100 200200 300300 àà vv k = 1k = 1 0,80,8 0,60,6 0,40,4 0,20,2 0,20,2 0,40,4 0,60,6 0,80,8 1,01,000 5050 100100 150150 200200 250250 300300 350350 áá kk 0,80,8 0,70,7 0,60,6 0,50,5 0,40,4 vv mm aaxx �� EE 3 3 3 3 , ì Â /À , ì Â /À �� EE 3 3 m 3 3 m aaxx , ì Â /À , ì Â /À М.И. Бичурин, В.М. Петров 684 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 нитного полей внутри объема образца. Для описания частотной зависимости МЭ эффекта необходимо к формуле (3) добавить уравнение эластодинамики, ко- торое имеет вид 2 2 iji j Tu xt ∂∂ ρ = ∂∂ , (10) где ui — i-я компонента вектора смещений; Tij по- прежнему обозначает тензор напряжений, который связывает натяжение, электрическое и магнитное поля согласно формуле (3). Объединение выражений (1)–(3) и (10) с учетом граничных условий дает частотную зависимость МЭ коэффициента. Результаты вычислений по формуле (10) зависят от формы образца и ориентации электрического и маг- нитного полей. Решения для композитов различной формы могут быть легко получены. Например, рас- смотрим прямоугольную двухслойную структуру тол- щиной t, шириной w и длиной L >> t и w. Поляризация по-прежнему направлена вдоль х3. Учитывая гранич- ные условия и выражая компоненты напряжения через деформации, запишем uх в виде [19] ( )31 3 31 3 1 cos 1( ) cos sin , sinx kLu x kx kx d E q H k kL ⎛ ⎞− = + +⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (11) где 1/2 11( )k s= ω ρ ; ω — угловая частота; ρ, s11, d31 и q31 — соответственно эффективная плотность, подат- ливость, пьезоэлектрический и пьезомагнитный коэф- фициенты композита. Замена q31 на q11 дает выраже- ние для структуры с продольной ориентацией поля. Далее, используя условие разомкнутой цепи, т.е. 3 0 w i dy D dx =∫ ∫ , можно получить выражения для наводимого напряже- ния E3 в композите. Используя определение МЭ коэф- фициента как E3 = αE,LH3 (= αE33H3) при продольной и E3 = αE,TH1 (= αE31H1) при поперечной ориентациях, выразим динамический МЭ коэффициент как [19] 31 31 33 11 , 2 33 11 31 E L d q N s s d N −α α = ε − , (12) 31 11 31 11 , 2 33 11 31 E T d q N s s d N −α α = ε − , (13) где 1 (2/ ) tg ( /2)N kL kL= − . Величины, входящие в приведенные формулы, представляют собой эффективные параметры компози- та. Как видно из выражения (12), при так называемой частоте антирезонанса, когда 2 33 11 31 0s Ndε − = , МЭ ко- эффициент резко возрастает. Эта частота антирезонан- са зависит от эффективных параметров композита и его геометрических размеров. Например, для двухслой- ной ферритовой шпинели и ЦТС с L около сантиметра такая резонансная частота лежит в районе 300 кГц. Пример зависимости для слоистого композита ЦТС–CoFe2O4 (прямоугольной пластины длиной 7,3 мм и шириной 2,15 мм) показан на рис. 4. На частоте порядка 300 кГц наблюдается резонанс- ное увеличение МЭ эффекта. Максимальное значение МЭ коэффициента — при поперечной ориентации по- лей — более чем в 10 раз выше, чем при продольной ориентации. Второй резонансный феномен — ферромагнитный резонанс (ФМР). При ФМР спин-решеточное взаимо- действие и спиновые волны, которые связывают энер- гию фононов через процессы релаксации, также уси- ливают МЭ взаимодействие. Электрическое поле соз- дает механическую деформацию в пьезоэлектрической фазе, что приводит к смещению резонансного поля для магнитной фазы. На рис. 5 показана расчетная резо- нансная кривая в отсутствие и при наличии электриче- ского поля для двухслойной структуры феррит никеля (NFO)–ЦТС, феррит лития (LFO)–ЦТС и железоит- триевый гранат (ЖИГ)–ЦТС. Вычисления показывают Рис. 4. Частотная зависимость поперечного (а) и продольно- го (б) МЭ коэффициента αE в области ЭМР для двухслойной структуры CoFe2O4–ЦТС [19]. 100100 200200 300300 400400 50050000 44 88 1212 1616 2020 2424 2828 àà f, êÃöf, êÃö 100100 200200 300300 400400 50050000 11 22 áá f, êÃöf, êÃö �� EE ,T,T , Â /( ñì ·Ý ) , Â /( ñì ·Ý ) �� EE ,L,L , Â /( ñì ·Ý ) , Â /( ñì ·Ý ) Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 685 большое смещение резонансного поля для NiFe2O4 (NFO)–ЦТС и малый сдвиг для ЖИГ–ЦТС [17]. Третий резонансный феномен заключается в значи- тельном возрастании МЭ взаимодействия при совпа- дении частот ФМР и ЭМР, т.е. при магнитоакустиче- ском резонансе (МАР) [15]. На рис. 6 показаны теоре- тические оценки изменения МЭ коэффициента αE при приложении к двухслойной структуре NFO–ЦТС пе- ременного магнитного поля. Толщины слоев NFO и ЦТС — 100 и 200 нм соответственно. На рис. 6,а смещение поля Н0 мало по сравнению с полем Hr для ФМР в NFO. Пик Eα приходится на ос- новную и вторую гармоники ЭМР толщинной моды двухслойной структуры. На рис. 6,б H0 выбрано так, чтобы ФМР в NFO совпадал с основной модой ЭМР, что приводит к увеличению Eα при МАР. На рис. 6,в вторая гармоника акустической моды в NFO–ЦТС сов- падает с ФМР. Таким образом, наблюдается динамиче- ское увеличение Eα при МАР. По результатам моделирования можно сделать сле- дующие важные выводы: 1) совпадение ФМР и ЭМР допускает обмен энергией между фононами, спиновы- ми волнами, электрическими и магнитными полями, и такой перенос энергии может быть очень эффективно использован, например, в двухслойных структурах феррит–ЦТС; 2) гигантский МЭ коэффициент может быть достигнут при МАР. Этот эффект важен для ми- ниатюризации датчиков, сенсоров для диапазона СВЧ. Заключение Хотя большая часть МЭ керамических композитов обладают большим линейным МЭ эффектом, наблю- даемый эффект в спеченных керамических композитах по-прежнему остается ниже расчетного более чем в 10 раз из-за проблем их производства (атомная межфаз- ная диффузия, проблемы взаимодействия двух керами- ческих фаз в процессе термической обработки). В дисперсных керамических композитах необходи- мо получить хорошую дисперсию фазы феррита при высокой концентрации в пьезоэлектрической матрице, приемлемые межфазные границы, достаточные объем- Рис. 5. Теоретические зависимости магнитной восприимчи- вости от статического поля Н для двухслойных структур LFO–ЦТС ( ), NFO–ЦТС (·····) и ЖИГ–ЦТС (– – –) на час- тоте 9,3 ГГц. Н и Е направлены перпендикулярно плоскости образца при электрическом поле Е = 0 (1) и Е = 300 кВ/см (2) [17]. 50005000 60006000 70007000 80008000 ––1212 ––88 ––44 00 44 88 1212 1122 22 11 22 11 9,39,3 ÃÃöÃÃö 11 22 —— —— // Å = 0Å = 0 Å = 300 êÂÅ = 300 êÂ ñìñì �� '' '/'/ 00 HH , À/ñì, À/ñì00 Рис. 6. Теоретическая частотная зависимость МЭ коэффици- ента αE при приложении к двухслойной структуре NFO–ЦТС переменного магнитного поля: а — пик αE приходится на первую и вторую резонансные частоты ЭМР толщинной моды двухслойной структуры; б — МЭ взаимодействие при совпадении ЭМР и ФМР; в — результаты, аналогичные (б), для второй гармоники МАР [15]. 00 33 66 99 1212 0,40,4 0,80,8 1,21,2 1,61,6 2,02,0 f, ÃÃöf, ÃÃö f, ÃÃöf, ÃÃö f, ÃÃöf, ÃÃö 33 66 99 121200 5050 100100 150150 200200 33 66 99 121200 2020 4040 6060 8080 100100 àà áá ââ �� EE , ì Â /( ñì ·Ý ) , ì Â /( ñì ·Ý ) �� EE , ì Â /( ñì ·Ý ) , ì Â /( ñì ·Ý ) �� EE , ì Â /( ñì ·Ý ) , ì Â /( ñì ·Ý ) HH = 1800 Ý= 1800 Ý00 HH = 3510 Ý= 3510 Ý00 HH = 5230 Ý= 5230 Ý00 М.И. Бичурин, В.М. Петров 686 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 ные доли, избегая при этом межфазного взаимодейст- вия и межслоевой диффузии. Для слоистой керамики управление спеканием сло- ев феррита и пьезоэлектрика с качественным межфаз- ным контактом, но без межслоевой диффузии и взаи- модействия, является таким же ключевым вопросом, как и при спекании многослойных керамических при- боров. МЭ керамические композиты пригодны для практи- ческого применения в устройствах вследствие большо- го МЭ эффекта при комнатной температуре. Некото- рые варианты СВЧ устройств, основанных на МЭ ком- позитах, уже предложены [9]. Среди МЭ композитов структуры, основанные на магнитострикционных сплавах (например, терфенол), обладают самым сильным МЭ эффектом в широком частотном диапазоне. Самый большой дорезонансный МЭ коэффициент по напряжению (5,5 В/(см·Э)) на- блюдался для С–С моды в трехслойном кольцевом слоистом композите терфенол–ЦТС–терфенол. Для таких магнитных сплавов требуется дальнейшая опти- мизация конфигурации многослойных структур, вклю- чение дополнительных фаз с более высокими µ, конст- руирование управляемой связи фаз феррита и пьезо- электрика. Существует множество других, еще не про- веренных возможностей. Недавно в качестве магнитострикционных слоев были использованы слои метгласа [22]. Метглас обла- дает чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью (µr ~ 30000), но низкой магнитострикцией. Из-за его сверхвысокой µr эффективный пьезомагнитный коэф- фициент увеличивается при небольшом постоянном подмагничивающем поле, что делает этот материал идеальным кандидатом на включение в МЭ композит. Согласно предварительным оценкам, максимальное значение dE/dH при L–L моде составляет 22 В/(см·Э) при поле Hdc всего 5 Э. Это значение почти на порядок выше, чем для L–L моды МЭ слоистого композита, основанного на терфеноле. Кроме того, на резонанс- ной частоте это значение может быть увеличено до 500 В/(см·Э). Разработка волокнистой структуры Met- glas–ЦТС типа 2–1 является на данный момент важ- ным направлением в МЭ слоистых композитах. Получены небольшие стержневые МЭ композиты с одним керамическим стержнем ЦТС, залитым в мат- рицу терфенол/эпоксидная смола (TDE). Эксперимен- тальные данные показывают, что взаимодействие меж- ду стержнем ЦТС и матрицей TDE обладает намного большим МЭ откликом, чем в трехфазных композици- онных структурах на основе полимера. В диапазоне высоких частот при электромеханическом резонансе такие стержневые структуры обладают гигантским МЭ эффектом. Их МЭ отклик зависит от размеров образца, поэтому возможно получение небольших МЭ стерж- ней (микро-МЭ стержни) с большим МЭ откликом, ис- пользуя единственное волокно ЦТС. Такие материа- лы — будущая основа для микроэлектронных МЭ уст- ройств. В композитах, основанных на магнитном сплаве (двухфазных или трехфазных), пьезоэлектрическая керамика и магнитный сплав соединены вместе при помощи полимера. Срок службы таких МЭ композитов зависит от полимерного соединения фаз. Важно уста- новить, каким образом полимерное соединение фаз воздействует на МЭ отклик и усталостные характери- стики композита. Интерес к наноструктурам в последнее время по- стоянно возрастает, так как они, особенно тонкие МЭ пленки, обладают возможностью интеграции на одном кристалле, что является предпосылками их примене- ния в микроэлектронных устройствах. Но МЭ нано- структуры еще находятся в стадии разработки. Потен- циал МЭ наноструктур и устройств на их основе прак- тически безграничный, но сначала необходимо решить ряд фундаментальных задач. Первая задача, относя- щаяся к области физики, — выращивание необходи- мых МЭ наноструктур с контролируемым составом, атомным расположением и заданной поверхностью раздела. Был проведен поиск в области наноматериа- лов и наноустройств относительно применения таких технологий в новейших областях управляемых процес- сов. Например, формирование самосогласованных, вертикальных наноструктур с дальним порядком, не- сомненно, ускорит развитие исследований не только в области магнитоэлектрических мультиферроиков, но и в области фотоники. Высококачественные горизон- тальные гетероструктуры, такие как МЭ сверхрешетки [23], открывают возможности получения новых муль- тиферроиков и устройств на их основе. Остается много нерешенных вопросов относительно МЭ связи в наноструктурах, касающихся временной зависимости процесса взаимодействия, наименьшей величины магнитного поля, приводящего к полному переключению намагниченности, зависимости проис- ходящих процессов от химического состава, критиче- ских размеров образцов, при которых исчезает МЭ связь или изменяется ее природа. 1. H. Schmid, Ferroelectrics 162, 317 (1994). 2. M. Fiebig, J. Phys. D38, R123 (2005). 3. W. Eerenstein, N.D. Mathur, and J.F. Scott, Nature 442, 759 (2006). 4. H. Schmid et al. (eds.), Proc. MEIPIC-2, Ascona, Switzer- land, 13–18 September (1993), Ferroelectrics 161 (1994). 5. M. Bichurin (ed.), Proc. MEIPIC-3, Novgorod, Russia, 16–20 September (1996), Ferroelectrics 204 (1997). 6. M. Bichurin (ed.), Proc. MEIPIC-4, Novgorod, Russia, 16–19 October (2001), Ferroelectrics 279–280 (2002). 7. M. Fiebig, V.V. Eremenko, and I.E. Chupis (eds.), Proc. MEIPIC-5, Sudak, Ukraine, 21–24 September (2003). Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 687 8. Г.А. Смоленский, И.Е. Чупис, УФН 137, 415 (1982). 9. C.-W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, and G. Sri- nivasan, J. Appl. Phys. 103, 031101 (2008). 10. Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals, A.J Freeman and H. Schmid (eds.), London, New York, Paris: Gordon and Breach (1975). 11. R.E. Newnham, D.P. Skinner, and L.E. Cross, Mater. Res. Bull. 13, 525 (1978). 12. G. Harshe, J.P. Dougherty, and R.E. Newnham, Int. J. Appl. Electromagn. Mater. 4, 145 (1993). 13. V.M. Petrov, M.I. Bichurin, V.M. Laletin, N. Paddubnaya, and G. Srinivasan, Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals – NATO Science Series II. vol. 164, M. Fiebig, V.V. Eremenko, and I.E. Chupis (eds.), Kluwer Academic Publishers, London (2004), p. 65. 14. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, and G. Srinivasan, J. Appl. Phys. 92, 7681 (2002); M.I. Bichurin, V.M. Petrov, and G. Srinivasan, Phys. Rev. B68, 054402 (2003). 15. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, O.V. Ryabkov, S.V. Averkin, and G. Srinivasan, Phys. Rev. B72, 060408 (2005). 16. M.I. Bichurin and V.M. Petrov, Sov. Phys. Tech. Phys. 33, 1389 (1989). 17. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, and Y.V. Kiliba, Phys. Rev. B66, 134404 (2002). 18. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, and I.A. Kornev, Ferroelectrics 280, 353 (2002). 19. M.I. Bichurin, D.A. Filippov, and V.M. Petrov, Phys. Rev. B68, 132408 (2003). 20. D.A. Filippov, M.I. Bichurin, and V.M. Petrov, Tech. Phys. Lett. 30, 6 (2004). 21. M.I. Bichurin and V.M. Petrov, Ferroelectrics 162, 33 (1994). 22. S.X. Dong, J.Y. Zhai, J.F. Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89, 252904 (2006). 23. M.P. Singh and W. Prellier, Philos. Mag. Lett. 87, 211 (2007). Magnetoelectric effect in magnetostriction- piezoelectric multiferroics M.I. Bichurin and V.M. Petrov Present studies of magnetoelectric (МE) composite multiferroics are analyzed. In such materials the МE effect arises from magnetostriction and piezoelectric properties of components. The elastic mechanical inte- raction between magnetostriction and piezoelectric phases results in a giant magnetoelectric response in magnetoelectric composite materials. In the vicinity of electromechanical resonance the МE effect is en- hanced more than by a factor of 100. Interest in possi- ble construction of integrated devices has been pro- voked by recent nanostructural composites of ferro- electric and magnetic oxides prepared in the film-on- substrate form. The МE interaction between ferroelec- tric and magnetic oxides of nanometers size is the same as that in common composite materials. Like bulk МE composites, the МE effect in nanocomposites may be applied in converters sensors, transducers, and in a variety of reproducing-recording devices. PACS: 75.80.+q Magnetomechanical and magneto- electric effects, magnetostriction; 78.67.Pt Multilayers; superlattices; photo- nic structures; metamaterials; 76.50.+g Ferromagnetic, antiferromagnetic, and ferrimagnetic resonances; spin-wave reso- nance. Keywords: magnetoelectric effect, magnetostriction- piezoelectric multiferroics, electromechanical reso- nance, magnetic resonance.

Магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических мультиферроиках

Репозитарії

Схожі ресурси