Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 13

Из перечисленных материалов были вырезаныпластины с размерами в плоскости 5 х 20 мм2, толщина слоя FeBSiC (4 скленныепленки) составляла 100 мкм, слояNi – 200 мкм и слоя FeCo – 400 мкм.Пьезоэлектрическая пластина во всех трех образцах была изготовлена из PZT керамикии имела размеры 0.4 х 4 х 20 мм3. На поверхности пластины были нанесены Agэлектроды толщиной ~3 мкм, и она была поляризована перпендикулярно к плоскостипутем приложения постоянного электрического поля величиной 20 кВ/см в течение 2часов. Диэлектрическая проницаемость PZT равнялась ε ≈1800, а пьезомодульd31 ≈175 пКл/Н.

Емкость и сопротивление между внешними электродами пластины начастоте 1 кГц равнялись C = 6.5 нФ и R = 2.2 MОм. 2-х слойные образцы былиизготовлены путем склеивания PZT пластин с ферромагнитными пластинами спомощью акрилового клея марки “Loctite-499”, толщина слоя клея составляла не более5 мкм.Структуры помещали внутрь катушки прямоугольного сечения 10 х 4 мм 2 идлиной 20 мм с двумя обмотками, содержащими по 200 витков провода диаметром 0.2мм каждая. Обмотки были подключены к двум независимым генераторам с выходнымнапряжением U = 0…10 В и могли создавать переменные поля с амплитудами h1 и h2 до25 Э и частотами f1 и f2 в диапазоне 10 Гц…10 кГц. Катушку с помещенной внутрьструктурой располагали между полюсами электромагнита в постоянном полеH0 = 0…2000 Oe, направленном вдоль длинной стороны структуры.

Генерируемоеструктурой переменное напряжение u регистрировали с помощью цифровогоосциллографа при изменении частот и амплитуд возбуждающих полей h1 и h2 и поля H0.Зависимость магнитострикции слоев от постоянного магнитного поля H измерялисогласно методики, описанной в разделе 2.2.3.4.2.2 Магнитострикция материаловТак как природа МЭ эффектов тесно связана с полевой зависимостьюмагнитострикции, были проведены соответствующие измерения на трёх образцах,90представлявших собой прямоугольные пластины пермендюра, никеля и Metglas. Нарис. 4.2 показаны измеренные зависимости продольной магнистострикции λ11 (далееλ11 = λ) от поля смещения H трёх ФМ пластин.60P40, 10-620AF0200400600-20-40800H, ЭNiРис.

4.2. Измеренные полевые зависимости магнитострикции Metglas(AF), Ni (Ni) и FeCo (P).Видно, что кривая магнитострикции Metglas достигает насыщения на уровне~20∙10−6 в поле ~50 Э, магнитострикция Ni отрицательная и насыщается при ~ −32∙10 −6 вполе ~400 Э, магнитострикция пермендюра достигает ~60∙10−6 в поле ~1 кЭ. Этизависимости были использованы для численного расчёта первой q(H) и второй p(H)производных магнитострикции по полю, которые были использованы для объясненияэкспериментальных данных. Перпендикулярная магнитострикция λ12 для исследованныхФМ пластин в полях, меньших соответствующих полей насыщения, была на порядокменьше, чем продольная, и не учитывалась.4.2.3 Линейный МЭ эффект в структурах PZT-Ni, PZT-P, PZT-MetglasНа рис. 4.3 приведена зависимость генерируемого структурами напряжения u отчастоты f возбуждающего магнитного поля.

Измерения для каждого образца проведеныпри магнитном поле Hm, соответствующем линейной области магнитострикционнойхарактеристики и максимуму первой производной для каждого материала и при91одинаковой для всех амплитуде переменного поля h = 1 Э. На кривых видны максимумыс частотами f1 = 4.3 кГц, f2 = 7.9 кГц и f3 = 8.6 кГц, соответствующими возбуждениюизгибных колебаний структур.Оценка частот колебаний по выражению (3.1) даётзначения, хорошо совпадающие с измеренными.u, В1,5P-PZTNi-PZT1,0AF-PZT0,50,0246f, кГц810Рис.

4.3. Зависимости МЭ напряжения u(1) от частоты fвозбуждающего поля амплитудой h =1 Э для структур: AF(Metglas)PZT при H=7 Э, Ni-PZT при H=90 Э, и P-PZT при H=260 Э.Затем были измерены полевые зависимости резонансного МЭ напряжения u(1),генерируемого этими структурами, от постоянного магнитного поля H. На рис. 4.4точками показаны полученные значения u(1)(H), сплошные линии соответствуютзависимостям первой производной магнитострикции по полю q = dλ/dH для материаловФМ слоя каждого из образцов.

Масштаб осей графиков подобран таким образом, чтобывеличина максимумов совпадал. Из рис. 4.4 видно, что МЭ напряжение u(1) и линейныйпьезомагнитный коэффициент q с изменением магнитного поля ведут себя одинаково:имеют нулевое значение при H = 0, достигают максимума при оптимальном полесмещения H = Hm, характерном для ФМ материала, и обращаются в нуль при поляхнасыщения ФМ слоя.Следует отметить, что аморфный ФМ сплав Metglas по максимальной абсолютнойвеличине линейного пьезомагнитного коэффициента |qm| = 110∙10-8 Э-1 на порядокпревосходит Ni, у которого |qm| = 8∙10-8 Э-1, и пермендюр с |qm| = 15∙10-8 Э-1.92(a)AF-PZT0,4010203040(1)u ,В250(b)10500100 200 300 400 5002P-PZT10-110Ni-PZT-80,0100500IqI (10 Э )0,820(c)1000200 400 600 800 1000H, ЭРис.

4.4. Зависимости МЭ напряжения от величины полясмещения H при возбуждении полем 1 Э на частоте основноймоды изгибных колебаний. Сплошной линией показанырассчитанные зависимости пьезомагнитных коэффициентов qдля: a – AF(Metglas)-PZT, b - Ni-PZT, и c - P-PZT.На рис. 4.5 приведены измеренные зависимости МЭ напряжения u(1) для трёхструктур от амплитуды переменного магнитного поля h. Видно, что на начальномучастке зависимость u(1)(h) имеет линейный характер, но при достижении амплитудыполя h = 0.1∙Hm отклоняется от линейного закона и стремится к насыщению. Дляструктуры PZT-Metglas в области h > Hm наблюдается уменьшение u(1) с ростомамплитудыполя,связанноесувеличениеминтенсивностинелинейныхМЭвзаимодействий.Таким образом, результаты исследований показали, что линейное резонансноеМЭ напряжение u(1) в структурах с разными ФМ материалами: Metglas, Ni, FeCo пропорциональнолинейномупьезомагнитномукоэффициентуq,атакжепропорционально амплитуде переменного магнитного поля при малых значениях h (h <0.1∙ Hs)936P-PZT4(1)u ,ВNi-PZTAF-PZT20024h, Э6810Рис.

4.5. Зависимости МЭ напряжения от амплитуды полявозбуждения для структур AF(Metglas)-PZT при H=6 Э, Ni-PZTпри H=80 Э, и P-PZT при H=260 Э.4.2.4 Эффект удвоения частоты в структурах PZT-Ni, PZT-P, PZT-MetgalsНа рис. 4.6 показаны зависимости напряжения, генерируемого структурами, отчастоты возбуждающего поля, снятые при постоянном поле H = 0 и постояннойамплитуде переменного поля h = 5 Э. Частота генерируемого сигнала всегда была в 2раза больше частоты возбуждающего поля Для каждой структуры видны резонансывблизи частот, равных половине от частоты резонанса структуры в линейном режиме.Измеренные значения добротности для резонансных пиков составляли: Q ≈ 150 дляструктуры PZT-Metglas, ~120 для PZT-Ni и ~170 для PZT-P.Эффективность нелинейного удвоения частоты, согласно рис.

4.6, составляет: E( 2) ≈ 4.5 В/см∙Э2 для структуры PZT-Metglas, ~0.24 В/см∙Э2 для PZT-Ni, и ~0.12 В/см∙Э2для PZT-P. Можно ожидать, что утолщение слоя Metglas до 400 мкм, как в структурах сNi и P, приведёт к увеличению эффективности удвоения частоты в структуре PZTMetglas на порядок.94AF-PZT0,2Ni-PZTP-PZT(2)u ,В0,30,10,0123f, кГц45Рис. 4.6. Зависимости МЭ напряжения u(2) от частоты возбуждающегополя при поле смещения H = 0На рис. 4.7 для всех структур приведены зависимости амплитуды выходногосигнала u(2) от напряженности постоянного магнитного поля.

Для всех структур u(2)имеет максимум при H ≈ 0, падает до нуля при поле Hm, когда эффективность линейногоМЭ преобразования в соответствующей структуре достигает максимума, и затем имеетлокальный максимум при более высоких значениях поля смещения.Для сравнения на рис. 4.7 показаны полевые зависимости нелинейногопьезомагнитного коэффициента p(H), рассчитанные по измеренным зависимостям λ(H)(см рис. 4.2). Масштаб по левой и правой вертикальным осям подобран для удобствасравнения формы кривых. Видно, что зависимости u(2)(H) и p(H) для всех структурпрактически совпадают друг с другом, что подтверждает предсказанную теориейпропорциональность u(2) ~p для нелинейных МЭ эффектов.Следует заметить, что для всех ферромагнитных материалов нелинейныйпьезомагнитный коэффициент p достигает максимума при H ≈ 0.

Максимальнаявеличина pm ≈ 500∙10−9 Oe−2 для слоя Metglas примерно на 3 порядка превышаетвеличину pm в слоях Ni и пермендюра.95u ,В0,00,401020300501,2(b)-9(2)Ni-PZT40500-2AF-PZT(a)IpI,10 Э0,30,000,40,0100 200 300 400 5000,5P-PZT0,00(c)0,0200 400 600 800 1000H, ЭРис. 4.7. Полевые зависимости МЭ напряжения u (штриховые линии) инелинейного коэффициента p сплошные линии) для структур PZTMetglas (h=1 Э), PZT-Ni (h=6 Э), PZT-Pd (h=10 Э) при H=0.На рис. 4.8 показаны зависимости напряжения с удвоенной частотой u(2) отамплитуды возбуждающего поля при H = 0 для всех структур.

Сплошные линиисоответствуют предсказанной квадратичной зависимости u(2) ~Apd31h2. Для структуры сослоем Metglas данные хорошо согласуются с теорией только в области малых полейh < 2 Э, и выходное напряжение насыщается при более высоких амплитудах поля h. Дляструктуры со слоем Ni данные хорошо описываются теорией вплоть до полей h ~10 Э.Для структуры со слоем пермендюра, который обладает наиболее высоким полемнасыщения, напряжение u(2) хорошо описывается квадратичной функцией во всёмисследованном диапазоне до 20 Э.

Таким образом, данные для МЭ структур с разнымимагнитострикционными слоями соответствуют квадратичной зависимости u(2) ~ h2только при амплитуде поля насыщения в пределах h << Hm, что соответствуетпредположениям, сделанным при выводе выражения (4.6).962,0(2)u ,ВAF-PZT1,5Ni-PZTP-PZT1,00,50,00510h, Э1520Рис. 4.8. Зависимости МЭ напряжения u(2) от амплитудыполя h возбуждения при H = 0.Таким образом, нелинейное резонансное МЭ напряжение с удвоенной частотойu(2) в структурах с разными ФМ материалами: Metglas, Ni, FeCo - пропорциональнонелинейному пьезомагнитному коэффициенту, пропорционально квадрату амплитудыпеременного магнитного поля h2 при малых значениях (h < 0.1 Hs).