Диссертация (Получение, физико-химические и электрофизические исследования однофазных и композитных магнитоэлектриков), страница 9

1.12).Объёмные композиты. Первые МЭ композиты, представлявшие собой50керамику, состоящую из смеси магнитострикционного и пьезоэлектрическогопорошков с хаотической ориентацией зёрен, были созданы и изучены в 70-х годах прошлого столетия [1, 7, 107, 108].Исследования показали, что их МЭ коэффициенты по напряжению превышали коэффициенты однофазных соединений более чем на порядок величины.Однако качество таких композитов было невысоким. Из-за таких проблем, каквозможные химические реакции между пьезоэлектрическим и магнитострикционным материалами во время процесса спекания, образования механических дефектов, вызванных несоответствием кристаллических решёток, МЭ коэффициенты объёмных композитов были значительно ниже вычисленных теоретически[7, 16, 108].

Невозможность надёжного контроля химического состава и микроструктуры объёмных композитов приводила к тому, что величины эффектов менялись от образца к образцу, а слияние частичек низкорезистивной магнитострикционной фазы в проводящие каналы резко ухудшало пьезоэлектрические идиэлектрические свойства материалов. Указанные трудности, свойственные объёмным композитам, могут быть преодолены созданием слоистых МЭ структур.Слоистые композиты. Harshe с соавторами в 1993 году [1, 7, 109,110] предложили новое направление развития МЭ композитов – созданиеслоистых структур, состоящих из чередующихся магнитострикционных ипьезоэлектрических слоёв, состыкованных между собой (в первых опытахдля этой цели использовался обыкновенный эпоксидный клей).

Композиты счередующимися слоями магнитострикционных (M) и пьезоэлектрических (P)фаз, как показано на рис. 1.12, называют 2-2 композитами, так как две фазыимеют механическую связь только в плоскости слоёв. Чёткое разделение компонент композита позволило лучше контролировать химический состав (слоимогут приготавливаться отдельно) и механическое сцепление слоёв, а также исключить возможность образования проводящих каналов между электродами, давало возможность отдельной «настройки» пьезоэлектрических и магнитострикционных характеристик. Благодаря 1) низким токам утечки, 2) высокой степени51заполяризованности пьезоэлектрических слоёв и усилению пьезоэлектрическогоэффекта, МЭ эффект в слоистых композитах должен быть значительно большим,чем в объёмных композитах.

В слоистых структурах было обнаружено гигантское МЭ взаимодействие при комнатной температуре. Величина коэффициентаМЭ преобразования достигает значений 104 – 105 пс/м [7, 16].Методы, используемые для получения МЭ слоистых композитов.Композиционные слоистые МЭ-материалы весьма перспективны для применений в датчиках, актюаторах, преобразователях магнитных полей, электрическиуправляемых устройствах СВЧ-электроники.

Поэтому они привлекают повышенный интерес, было выполнено большое число исследований, посвящённыхразработке различных технологий их получения и изучению свойств (см. обзоры[1, 7, 16]). При получении слоистых МЭ композитов использовали методы толстоплёночной керамической технологии – “doctor-blade technique”, методы синтеза слоистой композиционной керамики, методы склеивания различными клеями отдельно изготовленных пластин и др. Представленные в литературе данныепо величине МЭ-коэффициента таких структур имеют значительный разброс,что связано, по-видимому, с зависимостью их свойств от различных технологических факторов, и в первую очередь - от метода получения структур.В качестве пьезоэлектрической компоненты использовали фазы, проявляющие высокий пьезоэлектрический эффект: BaTiO3, ЦТС – Pb(Ti1-xZrx)O3,(011) (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3·xPbTiO3 – PMN-PT, поливинилиденфторид - PVDF.

Вкачестве магнитной компоненты - фазы, имеющие большую магнитострикцию:NiFe2O4, СоFе2О4, Ni, терфенол-D - Tb1−xDyxFe2, галфенол – Fe1-xGax, пермендюр сплав железа (47-50 %) с кобальтом (48-50 %), с добавкой ванадия (1,5-2 %).Низкочастотный МЭ эффект. Система уравнений для описания МЭвзаимодействия в композитах в линейном приближении имеет вид [7, 16]: = cS – eTE – qTH(1.4)D = eS + E + H(1.5)B = qS + TE + H(1.6)52где , S, D, E, B и H – механическое напряжение, деформация, электрическаяиндукция, напряжённость электрического поля, магнитная индукция, напряжённость магнитного поля соответственно, c,  и  – коэффициент жёсткости,диэлектрическая и магнитная проницаемости, e и q – пьезоэлектрический и пьезомагнитный коэффициенты,  – МЭ коэффициент. Верхний индекс T обозначает транспонированную матрицу тензоров. Тензоры c, e, q, ,  и  являютсясоответственно матрицами размерами (6х6), (3х6), (3х6), (3х3), (3х3) и (3х3).Из этих уравнений для композита в виде механически не зажатой 2-хслойной пластины, состоящей из пьезоэлектрической (p) и магнитострикционной(m) фаз со связанностью типа 2-2, при перпендикулярных плоскости пластин направлениях электрического (E) поля и поляризации (P) в случае продольной (H ||E) и поперечной (H  E) ориентации подмагничивающего и переменного магнитных полей получены следующие выражения для E31 и E33 [7, 16]:E33 = E3/H3= [2kf(1-f)d31os]q13/{(2fd312 – 33s) + [s + 2kq132(1-f)2]}, (1.7)E31 = E3/H1 = -kf (1-f)d31(q11+q21)/(33s – 2kfd312),(1.8)где s = f(s11p + s12p) + k(1-f)(s11m + s12m), =fo + (1-f)33m, f – объёмная доля магнитной фазы, k – параметр межграничной связи (k =1 для идеальной связи и k=0для случая отсутствия связи), sijp(m) – упругие податливости для пьезоэлектрической (магнитной) компоненты, d31 – поперечный пьезоэлектрический коэффициент, qij – пьезомагнитные коэффициенты (Mi=qijSj; Si=ijHj, ij – магнитострикция вдоль оси i при H вдоль оси j), o – магнитная постоянная, 33m – восприимчивость магнитной фазы.

Согласно этим уравнениям E33(H) и E31(H) впервом приближении должны быть пропорциональными q13(H) и q11(H)+ q21(H)соответственно. Поскольку, вследствие влияния размагничивающих полей, величина q31, как правило, меньше q11, то и величина эффекта при продольнойориентации, как правило, на порядок меньше, чем при поперечной.Резонансное усиление МЭ эффекта. Так как МЭ эффект в композитах обусловлен механическим взаимодействием между пьезоэлектрической и53магнитной фазами, МЭ эффект во много раз возрастает, когда пьезоэлектрическая или магнитная фаза находятся в условиях резонанса, т.е. электромеханического резонанса (ЭМР) для пьезоэлектрической фазы и ферромагнитногорезонанса (ФМР) для магнитной фазы [7, 16].1.4.Перспективы применений магнитоэлектрических материаловПолучение МЭ материалов, проявляющих гигантский МЭ эффект, открывает широкие перспективы для использования МЭ эффекта в различных электронных устройствах.

Магнитоэлектрики позволяют преобразовать информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и обратно, чтоявляется решением весьма насущных задач сенсорной и СВЧ техники, магнитной памяти и микроэлектроники и, в особенности спинтроники, стремящейся соединить достоинства энергонезависимой магнитной памяти и быстродействующих электрических систем обработки информации. К наиболееперспективным из возможных областей практических применений МЭ материалов относятся [1 - 7, 14 -16, 20, 111]:- датчики магнитного поля;- головки записи и считывания в жёстких дисках;- ёмкостные устройства, заменяющие катушки индуктивности (гираторы);- спиновые переключатели в МЭ памяти произвольного доступа (MeRAM);- конденсаторы, ёмкость которых перестраивается с помощью магнитногополя - магнитные варикапы;- применения в СВЧ технике.Для пригодности использования МЭ материалов в указанных областях применений они должны удовлетворять следующим основным требованиям:- температуры магнитного и электрического упорядочения должны лежать выше комнатной;- иметь значительные величины МЭ коэффициентов (>0,1 В/(см·Э);- иметь низкую электропроводность (σ<10-11 (Ом·см)-1);54- для ряда приложений является важным наличие больших значений намагниченности и электрической поляризации.Для подавляющего большинства известных магнитоэлектриков указанные требования не выполняются, что затрудняет реализацию перспектив ихприменения.