Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 15

4.14 и рис. 4.15 приведены зависимости статической деформации S0 вобразцах FeCo и Ni, обусловленной только переменным полем, от поля смещения H0.Зависимости получены путем вычитания кривых S0(H0) = S(h, H0) – S(h = 0, H0),показанных на рис. 4.12 и рис. 4.13.Видно, что в обоих материалах статическаядеформация S0 максимальна в отсутствие постоянного поля смещения, она меняет знакпри увеличении H0 и стремится к нулю при насыщении образца. Для объяснения данныхизмерений на рисунках сплошными линиями изображены также полевые зависимостинелинейныхпьезомагнитныхкоэффициентовp(H0).Зависимостирассчитанычисленным методом с использованием измеренных статических зависимостей λ(H0) дляобразцов FeCo и Ni (см. рис. 4.12 и 4.13).

Масштаб по правым осям на рис. 4.14 и 4.15выбран так, чтобы кривые накладывались друг на друга.103558-6000S 0 , 10-2)082p (10 Э-6S 0 , 105-24FeCop (10 Э )10-5-5-10Ni-15-50,00,51,01,5-100,00,20,40,60,8H, кЭH , кЭ0Рис. 4.14. Зависимость статическойдеформации S0 (точки), индуцированнойпеременным полем h = 200 Э ирассчитанная зависимость нелинейногокоэффициента p(H0) (сплошная линия) отполя смещения H0 в пластине FeCo.Рис. 4.15. Зависимость статическойдеформации S0, индуцированнойпеременным полем h = 85 Э в пластинеNi, от постоянного поля смещения H0.Сплошная линия - рассчитаннаяполевая зависимость нелинейногопьезомагнитного коэффициента p(H0).Видно, что формы зависимостей S0(H0) и p(H0) и величины полей смещения, прикоторых деформации и коэффициенты меняют знак, хорошо согласуется друг с другом.Это подтверждает вывод теории, что обусловленная переменным полем статическаядеформация пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициенту материала.Количественныеотличияобусловленынедостаточнойточностьюизмерениямагнитострикции, и большой амплитудой переменного поля, использованной приизмерениях.На рис.

4.16 приведены зависимости модуля деформаций |S0| для обоихматериалов при H0 = 0 от амплитуды поля h, построенные с использованием результатовизмерений, аналогичных показанным на рис. 4.12 и рис. 4.13. Для обоих материаловиндуцированные полем деформации растут примерно линейно с увеличением h истремятся к насыщению в области больших полей. При одном и том же полестатическая деформация Ni примерно в ~1.4 раза превышает величину деформацииFeCo, что объясняется большей величиной коэффициента p для Ni при H0 = 0.Для объяснения вида зависимости S0(h) при больших h был выполнен численныйрасчет, где вместо разложения (4.1) была использована близкая к реальной формазависимостиλ(H)дляферромагнетика.Измереннаязависимостьλ(H)былааппроксимирована кривой  ( H )  63  [1  exp( H / 500)2 ] , которая обеспечивает хорошее104описание эксперимента во всей области полей и квадратичную зависимость в малыхполях λ ≈ 63(H/500)2Отметим, что максимальная величина индуцированной переменным полемстатической деформации S0 велика и для исследованных материалов достигала ~60% отмагнитострикции насыщения ферромагнетика.Таким образом, обнаружен, исследован и объяснен эффект статическойдеформации ферромагнетика поддействием переменного магнитногополя,обусловленныйчтодеформациивторойвеличинапропорциональнапроизводнойотмагнитострикции по магнитномуполю,сильнопостоянноголинейнозависитполярастетисотпримерноувеличениемамплитуды поля.

В материалах ссильноотличающимисямагнитными параметрами (сплавFeCo30Ni-6Показано,40магнитострикции.S0, 10нелинейностью20H0 = 01000100200h, Э300400Рис. 4.16. Зависимости статическойдеформации |S0|, индуцированной переменнымполем в образцах из FeCo и Ni при H0=0 отамплитуды поля h. Сплошная линия –расчетная зависимость для образца из FeCo.FeCo, Ni и аморфный сплав FeBSi)величина индуцированной переменным полем деформации может сравнима смагнитострикцией насыщения ферромагнетика. Эффект следует учитывать приразработке различных магнитострикционных устройств.4.4 Выводы по главеРезультаты исследований МЭ взаимодействий в структурах PZT-Ni, PZT-P и PZTMetglas показали, что эффективность удвоения частоты и смешения магнитных полей вкомпозитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик пропорциональна нелинейномупьезомагнитному коэффициенту ферромагнитного слоя структуры, имеет максимум в105отсутствие постоянного поля смещения и квадратично растёт с увеличением амплитудыпеременного магнитного поля.Также показано, что переменное магнитное поле вызывает статическуюдеформацию ферромагнетика, величина которой пропорциональна нелинейномупьезомагнитному коэффициенту материала.

С увеличением амплитуды переменногополя деформация растёт квадратично при малых полях (<0,1·Hs) и линейно – прибольших.Этиданныеподтверждают,чтотеоретическоеописаниеМЭэффекта,приведённое в начале данной главы, подтверждается экспериментально в структурахразного состава.

С помощью данной теории можно оценивать эффективность каклинейного МЭ эффекта, так и эффектов нелинейного удвоения частоты магнитногополя, нелинейного смешения магнитных полей (нелинейного сдвига по частоте).Подтвержденоналичиепредсказанногоэффектастатическойдеформацииферромагнетика, вызванной переменным магнитным полем.Важным преимуществом данного подхода к описанию МЭ явлений, по сравнениюс ранее предложенными моделями, является его универсальность по отношению крежиму магнитного смещения МЭ структуры.1065. Высокочувствительные датчики магнитных полейВ данной главе описаны конструкции двух датчиков переменного магнитногополя на основе композитных МЭ структур, способных работать в отсутствиепостоянного магнитного поля.

Первый из них [A7] использует эффект остаточнойнамагниченности ФМ слоя композитной структуры LGT-Ni, описанный в параграфе 1главы 3. Второй датчик [A8, A9] реализует эффект нелинейного смешения магнитныхполей, рассмотренный в параграфе 2 главы 4.5.1 Датчик, содержащий ФМ слой с гистерезисомОсновой предложенной конструкции датчика является двухслойная композитнаяструктура LGT-Ni, имеющая форму прямоугольника с размерами 30 х 7 мм2 с толщинойПЭ слоя bp = 0.5мм, слоя ФМ материала bm = 12 мкм (рис.

5.1, вставка). Слой Niнаносился на поверхность Pt электрода ПЭ слоя методом электролитическогоосаждения. Характеристики материалов и технология изготовления структуры описана впараграфе 1 главы 2.5.1.1 Характеристики МЭ эффекта в структуре LGT-NiДляисследованиявозможностиработыданнойструктурывотсутствиепостоянного магнитного поля были проведены измерения характеристик резонансногоМЭ эффекта, результаты которых приведены в параграфе 4 главы 2. Выяснилось, что вэтой структуре присутствует большой (до 60% от максимального) МЭ эффект принулевом поле смещения (H = 0).На рис. 5.1 показана измеренная зависимость МЭ напряжения u от частотывозбуждающего магнитного поля f с амплитудой h = 1 Э при H = 0 и комнатнойтемпературе T = 295 К. Перед измерениями образец намагнитили до насыщения в полеH = 3 кЭ, а затем поле убрали.

На кривой видны два пика с амплитудами в максимумахu1 ≈ 0.136 В и u2 ≈ 1.07 В, соответствующие возбуждению изгибных колебаний начастоте f1 ≈ 2.56 кГц и планарных колебаний на частоте f2 ≈ 70.85 кГц. Рассчитанные пометодике [101] частоты низших мод изгибных и планарных колебаний структуры равныf1 = 2.45 кГц, f2 = 75.8 кГц и хорошо совпадают с измеренными.107u, мВ1000NiH+h(f)u(f)f2,u2LGTLGT-Nih=1 OeH=0500f1,u102,55 2,56 2,5769 70f, кГц7172Рис.

5.1. Зависимость амплитуды МЭ напряжения u от частотыпеременного магнитного поля f для LGT-Ni структуры при h = 1 Oe безпостоянного поля H = 0. На вставке показана геометрия структуры.Эффективность прямого МЭ взаимодействия составляла α1 = u1/hb =2.9 В/см∙Э длянизкочастотного пика и α2 = u2/hb = 22.8 В/см∙Э для высокочастотного пика.Достигнутая эффективность на ~ 2 порядка выше эффективности МЭ взаимодействия вструктуре PMN-PT-никель в нерезонансных условиях [106].

Относительно низкаяэффективность МЭ взаимодействия на частоте изгибных колебаний обусловлена малойтолщиной ФМ слоя структуры, приводящей к почти симметричному распределениюдеформаций по толщине ПЭ слоя [107]. Вдали от резонансов эффективность МЭвзаимодействия не превышала ~10 мВ/см∙Э.Поведение МЭ коэффициента структуры в зависимости от постоянного поля Hрассмотрим на примере резонанса изгибных колебаний. Измеренная зависимостьнапряжения u1 от поля H показаны на рис. 5.2. Видно, что для первоначальноразмагниченного образца u1 растет при увеличении H, достигает максимума при H ≈100 Э, а затем плавно падает до нуля при дальнейшем увеличении поля.

Частотарезонанса f1 при этом уменьшается на ~5 Гц (~0.2%), достигает минимума примерно притом же поле ~100 Э, а затем вновь возрастает.108u 1 , мВ3002001000-300-200-1000100200300Рис. 5.2. Зависимости амплитуды МЭ напряжения u1 (a),частоты f1 (b) и добротности Q1 (c) изгибных колебаний LGT-Niструктуры от постоянного поля H. Стрелки указывают направлениеизменения поля.При последующем уменьшении H от максимального значения до нуля u1увеличивается, проходит через максимум, но уже при меньшем поле ~40 Э, а затемобращается в ноль при поле противоположного направления H ≈−40 Э. С увеличениемполя H в обратную сторону и его последующем уменьшении до нуля амплитуда ведётсебя аналогичным образом.Отметим особенности полевой зависимости амплитуды резонансного МЭнапряжения, наблюдающиеся при перемагничивании структуры:- В структуре со слоем Ni, в отличие от структур с ФМ слоями без гистерезиса,МЭ напряжение генерируется и без поля смещения (H = 0).