Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 2

Так, отсутствовали какие-либосведения о зависимости эффективности и частоты резонансных МЭ эффектов вструктурах различных составов от температуры, необходимые для улучшенияхарактеристик и разработкиметодов термостабилизацииустройств. Не былиисследованы нелинейные МЭ эффекты в композитных структурах с ферромагнитнымислоями из различных материалов, что важно для формулировки рекомендаций пооптимизациипараметроввзаимодействий.структурТребовалисьсцельюдополнительныеповышенияэффективностиисследования,МЭдемонстрирующиевозможности создания новых твердотельных устройств с использованием нелинейныхМЭ эффектов.

Необходимость решения перечисленных проблем и определяетактуальность темы данной диссертационной работыЦелью работы является исследование влияния температуры на характеристикипрямогорезонансногоМЭэффектавпланарныхкомпозитныхструктурахферромагнетик-пьезоэлектрик, изучение нелинейных МЭ эффектов в композитныхструктурах различных составов и демонстрация возможностей создания новыхустройств твердотельной электроники с использованием нелинейных МЭ эффектов.Основные задачи работы следующие:1. Разработать и изготовить установку для исследования температурныххарактеристик МЭ эффектов в композитных структурах;2.

Исследовать влияние температуры на характеристики резонансного МЭэффекта в композитных структурах различных составов;3. Исследовать характеристики нелинейных МЭ эффектов в композитныхструктурах различных составов.4. Исследовать возможность создания высокочувствительных МЭ датчиковмагнитных полей, работающих без магнитного поля смещения.7Научная новизна работы:1. Впервые измерены температурные характеристики МЭ резонансного эффекта вкомпозитных структурах различных составов, установлена связь характеристик спараметрами слоев структур.2. Впервые исследованы нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты и смешениячастот в композитных структурах с различными магнитными слоями, установлена связьэффективности нелинейных эффектов с параметрами магнитных слоев.3.Впервыеобнаружениисследованэффектстатическойдеформацииферромагнетиков в переменном магнитном поле.Практическая важностьработы.Созданаустановка дляисследованиятемпературных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах.

Определенытемпературные характеристики МЭ эффектов в структурах различных составов ипредложен метод термостабилизации частотных и амплитудных характеристик МЭвзаимодействий. Изготовлены и исследованы макеты высокочувствительных датчиковмагнитных полей, работающих без постоянного магнитного поля смещения, чтозначительно упрощает конструкцию датчиков.Достоверность результатов и выводов диссертационной работы основана наиспользованиипроверенныхэкспериментальныхфизическихисследованийимоделей,подтверждаетсясовременныхсовпадениемметодовполученныхрезультатов с данными более поздних исследований других авторов.Личный вклад автора.

Автором лично были выполнены измерения упругих иэлектрических параметров пьезоэлектрических и ферромагнитных материалов в зависимости оттемпературы; измерения частотных, полевых, амплитудных и температурных характеристикрезонансного МЭ эффекта в композитных структурах; измерения характеристик нелинейныхМЭ эффектов в композитных структурах. Автором, совместно с сотрудниками НОЦ"Магнитоэлектрические материалы и устройства" МИРЭА была разработана и изготовленаавтоматизированная измерительная установка.

Постановка задач и анализ полученныхрезультатов проведены совместно с руководителем. Измерение характеристик нелинейных МЭэффектов на структуре состава PZT-Metglas проведено совместно с Л. Ю. Фетисовым.Измерение зависимости намагниченности ФМ материалов от магнитного поля выполнено вМГУ им. Ломоносова Л.

Ю. Фетисовым. Автор участвовал в подготовке материалов кпубликации и лично представлял результаты исследований на конференциях.8Основные положения, выносимые на защиту1. Эффективность МЭ взаимодействия в композитных структурах ферромагнетикпьезоэлектрик со слоями из пьезокерамики падает с увеличением температуры из-заувеличения диэлектрической проницаемости пьезослоя и уменьшения магнитострикцииферромагнетика. В структурах с пьезослоем из монокристалла лангатата эффективностьМЭ взаимодействия падает с ростом температуры, в основном, из-за уменьшенияакустической добротности кристалла.2. Резонансная частота МЭ взаимодействия в композитных структурахферромагнетик-пьезоэлектрик со слоями из пьезокерамики падает с увеличениемтемпературы из-за уменьшения модуля Юнга материалов.

В структурах со слоем измонокристалла лангатата, имеющего положительный температурный коэффициентмодуля Юнга, и тонким ферромагнитным слоем зависимость резонансной частоты оттемпературы имеет параболическую форму, что позволяет термостабилизироватьрезонансную частоту.3. Эффективность нелинейного удвоения частоты и смешения магнитных полей вкомпозитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик пропорциональна нелинейномупьезомагнитному коэффициенту ферромагнитного слоя структуры, имеет максимум вотсутствие постоянного магнитного поля смещения и квадратично растет с увеличениемамплитуды переменного поля.4.Переменноеферромагнетика,магнитноевеличинаполевызываетдеформациистатическуюпропорциональнадеформациюнелинейномупьезомагнитному коэффициенту материала, с увеличением амплитуды переменногополя деформация растет квадратично при малых полях и линейно при больших полях.5.

Магнитоэлектрические датчики магнитных полей, работающие без постоянногомагнитного поля смещения, могут быть изготовлены за счет использования вкомпозитной структуре магнитных слоев с гистерезисом и за счет использованиянелинейного МЭ эффекта смешения магнитных полей в композитных структурах.Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационнойработе, были представлены на следующих конференциях: XXII Международнаяконференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань, 2012;Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM`2011, Партенит,92011; Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM`2013, ЯлтаГаспра,2013;наноэлектроники»,«ФункциональнаяVМеждународнаяХарьков-Кацивели,базаконференция2012;наноэлектроники»,VI«ФункциональнаяМеждународнаяАлушта,2013;IXбазаконференцияМеждународнаяконференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Анапа,2013; IX Международная конференция «European Magnetic Sensors and ActuatorsConference», EMSA-2012, Прага, 2012.; Международная конференция «MoscowInternational Symposium on Magnetism», MISM 2014, Москва, 2014.; Международнаяконференция «IEEE International Magnetic Conference», INTERMAG`2015, Beijing, 2015.Структура и объём диссертацииДиссертация содержит введение, пять глав, список цитированной литературы иприложение.

Диссертация изложена на 131 странице и содержит 89 рисунков,библиография включает 111 наименований.101. Обзор литературы1.1 Магнитоэлектрический эффектВ некоторых веществах, обладающих определённой симметрией, наблюдаетсявзаимодействие между электрическим и магнитным полями и деформацией. Изменениеполяризации под действием магнитного поля называют прямым магнитоэлектрическимэффектом, а изменение намагниченности под действием электрического поля называютобратным магнитоэлектрическим эффектом.Впервыеявлениенамагничиваниядиэлектрикапридвиженииеговэлектрическом поле наблюдал Рентген в 1988 г., уже тогда предположивший связь этогоявления с симметрией образца [1]. Несколько лет спустя Дебай сделал попыткуобнаружитьстатическиймагнитоэлектрическийэффективвёлтермин«магнитоэлектрик» [2].

В 1905 г. Вильсон описал возникновение поляризациидиэлектрика, движущегося в магнитном поле [3].Теоретическое предсказание существования магнитоэлектрического эффектасделал Пьер Кюри [4]. Он предположил, что в кристалле могут одновременносуществовать магнитное и электрическое упорядочение.Позднее Л. Д. Ландау и Е. М.

Лифшиц в своих работах сформулировалинеобходимые условия наличия магнитоэлектрического эффекта в веществе [5]. Этиусловия связаны с нарушением временной симметрии, вызванной магнитным полем,движением образца или дальним магнитным порядком.Соединения, объединяющие магнитный и электрический порядок, были впервыеэкспериментально обнаружены группой физиков ФТИ им. Иоффе в 1958 году. Это былисегнетоэлектрики со структурой перовскита и со значительным содержанием ионовжелеза.ПоликристаллPb(Fe2/3W1/3)O3,обладающийсегнетоэлектрическимиантиферромагнитным упорядочением, был получен в 1961 году [6].Впервые экспериментально магнитоэлектрический эффект был обнаружен Д.Н.

Астровым в кристалле Cr2O3 [7]. Годом ранее возможность существования линейногоМЭ эффекта в кристалле Cr2O3 предсказал И. Е. Дзялошинский [8]. В результате вГосударственный реестр открытий СССР [9] было занесено научное открытие №123«Магнитоэлектрический эффект», авторами которого являлись Л. Д. Ландау, Е. М.Лифшиц, И. Е. Дзялошинский и Д. Н. Астров.11Rado и Folen измерили обратный МЭ эффект в оксиде хрома – возникновениеэлектрической поляризации под действием магнитного поля [10]. Затем МЭ эффект былобнаружен в других магнитоупорядоченных материалах [11-13], в том численелинейный МЭ эффект, пропорциональный квадрату напряжённости электрическогополя и поляризации [14-15].В магнитоэлектрических кристаллах в результате взаимодействия магнитного иэлектрического порядка возникает целый ряд дополнительных эффектов: сдвиг линиимагнитногорезонансаподэлектромагнитооптическийэффектдействием[17],электрическогоэффектполядвулучепреломления[16],светаиневзаимного вращения плоскости поляризации [18], изменение магнонного спектра поддействием электрического поля [19], возникновение новых типов поверхностных волн вантиферромагнетиках [20-22].Величина прямого МЭ эффекта в кристаллах определяется с помощью линейноймагнитоэлектрическойвосприимчивостиχ,равнойотношениюизмененияэлектрической поляризации к изменению магнитного поля, его вызвавшему:=В монокристаллических∆(1.1)∆материалахМЭэффект наблюдаетсятолько вмагнитоупорядоченном состоянии.

К тому же, однофазные магнитоэлектрики вбольшинстве случаев проявляют МЭ свойства только при низких температурах. Приэтом величина их МЭ коэффициентов недостаточна для практического использованияэтих материалов. Например, классический магнитоэлектрик Cr2O3 имеет значениемагнитоэлектрической восприимчивости, равное 2,8·10-10 c/м при 260 К [23].1.2 Магнитоэлектрический эффект в композитных структурахПеречисленные выше недостатки однофазных МЭ материалов побудилиисследователей обратить внимание на композитные магнитоэлектрики, состоящие изкомбинации пьезоэлектрических и ферромагнитных материалов.МЭэффектвтакихматериалахявляетсяпроизводнымэффектомотмагнитострикции и пьезоэлектрического эффекта.