Диссертация (1090253), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Возникающая под действиеммагнитного поля деформация ФМ материала в результате механической связипередаётся пьезоэлектрику, в котором в результате пьезоэлектрического эффекта12изменяется поляризация - наблюдается прямой МЭ эффект. Обратный МЭ эффект вкомпозитном магнитоэлектрике возникает аналогично: деформация пьезоэлектрика,вызванная внешним электрическим полем, передаётся ферромагнетику, который врезультате эффекта Виллари меняет свою намагниченность.Величина эффекта в композиционных материалах значительно (на 2-3 порядка)больше, чем в монокристаллах. Изменяя состав композитных магнитоэлектриков,можно существенно изменять их свойства.Согласно концепции МЭ свойств двухфазных композитов, предложенной вработах [24, 25], МЭ эффект в композиционных материалах является результатомпроизведения тензорных свойств каждой из фаз и принадлежит классу вторичныхэффектов или так называемых "product properties".ПервыеМЭкомпозиционныематериалыпредставлялисобойкерамику,полученную путём направленной кристаллизации эвтектической композиции Fe-Co-TiBa-O, составленной из смеси магнитострикционного и пьезоэлектрического порошков[26, 27].
Для исследования изготавливались образцы в виде пластин с нанесёнными наповерхности электродами, для которых МЭ коэффициент определяется следующимобразом: ==[В∙ см∙Э],(1.2)где u – амплитуда электрического напряжения на обкладках ПЭ слоя, t –толщинапластины (расстояние между электродами), H – величина магнитного поля.Значение МЭ коэффициента составило αE = 50 мВ/см∙Э, χ = 2.8·10-10 c/м. Полученный вдальнейшем эвтектический композит ВаТiO3 – СоFе2О4 [28] обладал значением МЭкоэффициента αE = 130 мВ/см∙Э. Композит BaTiO3 – NiFe2O4, полученный теми жеисследователями, имел МЭ коэффициент αE = 25 мВ/см∙Э.
В работах [29,30] приведенырезультаты исследований МЭ эффекта в композитах состава Ni-Zn феррит - PZT изависимости эффективности МЭ преобразования от величины постоянного магнитногополя.ХотявеличинаМЭкоэффициентовполученныхобъёмныхкомпозитовзначительно выше, чем у однофазных магнитоэлектриков, величина МЭ эффекта в нихоказалась существенно ниже ожидаемой, что связано с наличием электрическойпроводимости магнитострикционной фазы, несовершенством механической связи фаз,паразитными химическими реакциями в процессе изготовления материала.
К тому же,13из-за проблем точного контроля структуры и химического состава таких объемныхкомпозитов величина эффекта может меняться от образца к образцу.Всех этих недостатков лишены слоистые композиты, состоящие из чередующихсяслоёв пьезоэлектрической и ферромагнитной фаз. Создание таких композитов привело ккачественному прогрессу в этой области [31, 32].В работе [33] исследователи J. Van Suchtelen и J. Van den Boomgaard впервыепредложили использовать многослойнуюкомпозитнуюструктуру, состоящую изчередующихся магнитострикционных и пьезоэлектрических слоев.Магнитоэлектрический коэффициент по напряжению определяется, аналогично(1.2), как отношение напряжённости электрического поля в пьезоэлектрическом слое кмагнитному полю: ==[В∙ см∙Э],(1.3)где u – амплитуда электрического напряжения на обкладках ПЭ слоя, b –толщина ПЭслоя структуры, H – величина магнитного поля.В работе [34] исследовали двухслойные и многослойные структуры «ферритникеля – ЦТС».
Целью исследования было изучение межфазных взаимодействий вслоистых композитных структурах и перспектив их практических применений.Авторамибылипроведеныизмеренияполевойзависимостимагнитострикциииспользованного ферромагнитного материала, частотных и полевых зависимостейпараметров продольного и поперечного МЭ эффекта, в результате которых былобнаружен рекордный по сравнению с объемными композитами МЭ коэффициентαE = 400 – 1500 мВ/см∙Э в двухслойныхцинковыйферрит –имногослойныхструктурах «никель-цирконат-титанат свинца» (НЦФ-ЦТС).
Был проведёнтеоретический анализ и предложена модель, описывающая экспериментальныерезультаты. Также был исследован МЭ эффект для структур с разными толщинамислоев. Приведённые в статье теоретическиезависимости хорошо совпалисрезультатами измерений.В работе [35] впервые был рассчитан МЭ коэффициент многослойной структуры.Предложенные в этой работе подходы получили своё развитие в других исследованиях[36 - 42]. В работе [36] используется метод эффективных параметров, когда образецполагается гомогенным. Приводятся выражения для продольного и поперечногонизкочастотных МЭ коэффициентов.14В [42] слои МЭ структуры рассматриваются отдельно, с учётом ихвзаимодействия.
Полученное в работе выражение для поперечного низкочастотного МЭкоэффициента имеет вид:31 = 31 1111 ( + )− 2 ( )0 1131111111,(1.4)где bm и be – толщины ФМ и ПЭ слоёв соответственно, se и sm – модули податливостиФМ и ПЭ слоёв структуры, ε0=8.85·10-12 Ф/м – электрическая постоянная, q11 –пьезомагнитный модуль ФМ слоя вдоль направления магнитного поля, d31 – поперечныйпьезоэлектрический модуль ПЭ слоя.Нанастоящиймоментопубликованонесколькообзоров,посвящённыхисследованию слоистых магнитоэлектриков [43, 44, 45] и достаточно полноописывающих современное состояние исследований в данной области.1.3 Резонансный МЭ эффектВ работе [46] Бичурин И. М.
с соавторами впервые предположил, что в условияхэлектромеханического резонанса в слоистой композитной МЭ структуре будетнаблюдатьсяусилениеМЭэффекта.ИзмерениячастотнойзависимостиМЭкоэффициента двухслойных дисковых резонаторов феррит никеля – цикронат-титанатсвинца (NFO-PZT) показали, что на частоте, соответствующей основной модерадиальных акустических колебаний действительно наблюдается резкое увеличение αE– c 30 мВ·см-1·Э-1 вдали от резонанса до 1200 мВ/см∙Э (рис. 1.1).
Следует отметить, что,согласно приведённым данным, выполняется следующее соотношение: ( ) = ∙ ,(1.5)то есть, резонансный МЭ коэффициент в Q добротность раз больше нерезонансного.15Рис. 1.1. - Частотная зависимость МЭ коэффициента структуры NFO-PZT [46].Аналогичное резонансное усиление МЭ эффекта затем наблюдалось в слоистыхструктурах различной конфигурации и различного состава при возбуждении различныхмод акустических колебаний [47-51].Используя выражение (1.3) для низкочастотного МЭ коэффициента и связьрезонансного МЭ коэффициента с низкочастотным (1.4), выразим связь МЭкоэффициента с параметрами слоистой МЭ структуры. Разделив числитель и знаменатель выражения (1.3) на 11 , получаем:31 =31 11 20 (11 + 11)−31,(1.6)Обозначая через A множитель при ε, имеем: = 0 (11+11),(1.7)Так как электрическое напряжение пропорционально напряжённости поля,определяемой коэффициентом αE, можно записать:~31 112−31,(1.8)где u - генерируемое структурой под действием магнитного поля напряжение, q11 –пьезомагнитный модуль ФМ слоя в направлении «11» (вдоль длинной стороны), d31 –пьезоэлектрический модуль ПЭ слоя, Q – акустическая добротность.Как видно резонансное МЭ напряжение пропорционально произведениюдобротности, пьезомагнитного модуля и пьезоэлектрического модуля.161.4 Температурные характеристики МЭ эффекта в композитных структурахПосле открытия гигантского МЭ эффекта в композитных структурах в 2001 годувнимание исследователей было приковано к проблемам повышения эффективности МЭпреобразования и создания моделей, корректно описывающих МЭ эффект в структурахразной геометрии, работающих в разных режимах: в широкополосном и резонансном.Однако работы, посвящённые изучению температурных зависимостей МЭ эффекта вструктурах пьезоэлектрик-ферромагнетик, стали появляться лишь в последние 2-3 года.Возникновение интереса к этому вопросу связано с тем, что достигнутые к настоящемумоменту параметры МЭ эффекта в композитных структурах разного состава делаютвозможным создание широкого спектра устройств нового типа: датчиков магнитныхполей, преобразователей энергии, различных элементов СВЧ электроники и др.Однойизпервыхработ,посвящённыхисследованиютемпературныххарактеристик композитных МЭ структур, является статья Zhang [52].
Авторыисследовали МЭ взаимодействия в двухслойных структурах состава PZT-LSMO(La0.7Sr0.3MnO3) в диапазоне температур от 80 K до 300 К. Исследования проводились наобразцах с поликристаллическим ФМ слоем в нерезонансном режиме при возбужденииструктур магнитным полем с частотой 100 Гц в присутствии оптимального полясмещения. Результаты измерений показали, что структуры PZT-LSMO имеютдостаточно хорошую температурную стабильность продольного α11 и поперечного α31МЭ коэффициентов в исследованном диапазоне, при этом α31 достигает максимума приT = 224 K.
В целом, наблюдавшееся изменение МЭ коэффициентов не превышало 20%во всём температурном диапазоне. Авторы отмечают, что продольный коэффициентпрактически не зависит от температуры, а изменения поперечного МЭ коэффициентасвязывают с температурной зависимостью параметров материалов структуры, вчастности, магнитострикции ФМ слоя.В работе [53] исследовались температурные свойства композитных структур сразными материалами ПЭ слоя: спьезоэлектрическимполимеромполимерным ПЭ PVDF и(полиоксидс аморфнымфениленвиниленомpoli2-6).Ферромагнитный слой изготавливался из сплава Vitrovac-4040 (V4040) составаFe39Ni39Mo4Si6B12.
Исследования проводили в диапазоне температур от 0°C до 90°C вусловиях возбуждения акустического резонанса в структуре на частоте 55 кГц. На рис.171.2 приведены полученные зависимости резонансного МЭ коэффициента для структурV4040/PVDF и V4040/poli2-6.Рис. 1.2. - Зависимости резонансного МЭ коэффициента для структурV4040-PVDFи V4040/poli2-6 [53].Видно, что структура на основе PVDF обладает значительно более высоким МЭкоэффициентом - α31=79.5 В/см∙Э при комнатной температуре, чем структура с poli2-6,однако эффективность МЭ преобразование в ней быстро падает с ростом температуры,достигая нуля при 90°C.
Напротив, структура c ПЭ слоем из poli2-6 демонстрируетхорошую температурную стабильность резонансного МЭ коэффициента, составлявшегоα31=0.35 В/см∙Э при комнатной температуре. В работе не делается каких-либо попытокобъяснить характер полученных зависимостей.В работе [54] приведены данные о температурной зависимости нерезонансногоМЭ коэффициента структуры Metglas-PZT в диапазоне от -50°C до 50°C, показанные нарис.
1.3. При комнатной температуре структура имела МЭ коэффициент около20 мВ/см·Э на частоте 1 кГц.18Рис. 1.3. - Зависимости нерезонансного зарядового МЭ коэффициентадля структуры Metglas-PZT [54].Во всём исследованном диапазоне эффективность МЭ взаимодействия монотонновозрастала, увеличившись в целом более чем в два раза. В этой работе также не делаетсяпопыток объяснения характера температурной зависимости МЭ коэффициента.Более систематическое исследование температурных характеристик МЭ эффектав композитных структурах представлено в статье Ф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
