Автореферат (1091173), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, былипредставлены на следующих конференциях:- VII Международная конференция "European Magnetic Sensors & Actuators" EMSA-2008,Caen, France, 2008;- Международная конференция "European MRS 2008 Spring Meeting", Strasbourg, France, 2008;-Международная конференция “Functional Materials” ICFM-2011, Партенит, Украина, 2011;- V-ой Международная научная конференция «Функциональная база наноэлектроники»,Кацивели, Украина, 2012;- XXII Международная конференция«Новое в магнетизме и магнитных материалах»,Астрахань, 2012;- IX Международная конференция «European Magnetic Sensors and Actuators Conference»,EMSA-2012, Прага, Чехия, 2012.;- Международная конференция “Functional Materials” ICFM-2013", Ялта-Гаспра, Украина, 2013;7- Международная конференция «Moscow International Symposium on Magnetism», MISM2014, Москва, 2014;- Международная конференция по магнетизму "INTERMAG 2015", Beijing, Китай, 2015;- Международная конференция "2015 Joint ISAF-ISIF-PFM Conference", Singapore, 2015;- 20 Международная конференция по магнетизму "ICM-2015" Barcelona, Испания, 2015;- Международная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Ростов на Дону, 2015;- Международная конференция по материалам "MRS-2015", Boston, США, 2015.Исследования выполнены при поддержке Министерства образования и науки Российской федерации и Российского фонда фундаментальных исследований.Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 11-ти статьях в международных ироссийских журналах, входящих в Перечень ВАК, доложены на 7-ми международных ироссийских конференциях и защищены 4-мя патентами.Личный вклад автора. Автором была разработана технология изготовления композитныхструктур металл-пьезоэлектрик методом электролитического осаждения никеля, изготовлены планарные и кольцевые структуры никель - цирконат-титанат свинца, использованные вработе; измерены частотные, полевые и амплитудные характеристики МЭ эффекта в такихструктурах; выполнены оценки и численные расчеты резонансных частот и эффективностейМЭ взаимодействия в композитных структурах, изготовлены макеты датчиков магнитныхполей и исследованы их характеристики.
Измерения температурных характеристик МЭ эффектов проведены совместно с сотрудниками НОЦ "Магнитоэлектрические материалы иустройства". Автор участвовал в постановке задач и подготовке публикаций, лично докладывал полученные результаты на российских и международных конференциях.Структура и объём диссертации. Диссертация содержит введение, три главы, заключение,список цитированной литературы, изложена на 127 страницах, включает 63 рисунка, 4таблицы и библиографию из 98 наименованийКРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ разделе 1 "Магнитоэлектрические эффекты (литературный обзор)" дан краткийанализ современного состояния исследований резонансных МЭ эффектов в композитныхструктурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленных магнитострикцией, и в структурах металл-пьезоэлектрик, обусловленных силой Ампера.
Приведены примеры использования МЭ эффектов для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей.8В разделе 2 «Композитные структуры и измерительные установки» описаны использованные в работе образцы композитных структур ферромагнетик-пьезоэлектрик и металлпьезоэлектрик, методики исследований характеристик структур и экспериментальные установки.Измерения проводили на композитных структурах трех типов, показанных на рис. 1:а - резонаторы ферромагнетик-пьезоэлектрик в форме дисков, б – резонаторы металлпьезоэлектрик в форме колец с металлическими электродами, в – пьезоэлектрические биморфные балки.
Дисковые резонаторы из керамики цирконата-титаната свинца (PZT) имели диаметр 20-25 мм, толщину 0.2-0.5 мм, Ag-электроды толщиной до 4 мкм на поверхностях и были поляризованы перпендикулярно к плоскости. К PZT диску с одной или с обеихсторон приклеивали слой ферромагнитного Ni никеля толщиной до 0.4 мм, либо электролитически осаждали слой Ni толщиной 1-100 мкм. Метод электроосаждения позволял формировать монолитные резонаторы со слоями Ni заданной толщины, обладающие более высокой акустической добротностью и работающие при температурах до 120 С. Кольцевые резонаторы были изготовлены путем осаждения слоев Cu толщиной 4-50 мкм на электродырадиально поляризованных PZT колец диаметром ~10-20 мм и шириной ~ 5 мм (ОАО“НПП Элпа», Зеленоград). Пьезоэлектрические биморфы представляли собой монолитныедвухслойные структуры из PZT керамики с электродами между слоями и на внешних поверхностях слоев, изготовленные методами пленочной керамической технологии (ОАО“НПП Элпа», Зеленоград).
Биморфные структуры имели длину 10-30 мм, ширину 5-10 мм итолщину PZT слоев 100 мкм. Слои поляризовали навстречу друг другу, что обеспечиваломаксимум генерируемого напряжения при изгибных колебаниях биморфа.Магнитострикцию ФМ слоев измеряли тензометрическим методом с помощью созданной в МИРЭА автоматизированной установки, в диапазоне деформаций до 200·10−6 сточностью ~0.5·10−6. Диэлектрические характеристики структур (проницаемость, проводимость, тангенс потерь) измеряли в диапазоне частот от 20 Гц - 6 МГц с помощью RLC измерителя АМ-326. Намагниченности ФМ слоев измеряли на вибрационном магнетометре(а)(б)(в)Рис.
1 Использованные в работе структуры: (а) резонатор Ni-PZT в форме диска; (б) PZTкольцо с электродами; (в) биморфные PZT балки с электродами.9фирмы LakeShore в диапазоне полей до 10 кЭ (каф. магнетизма, МГУ). Характеристики МЭэффектов исследовали методом слабой модуляции магнитного поля: структуру помещали вкасательное или нормальное к плоскости структуры постоянное магнитное поле H = 0...3кЭ и параллельное ему переменное поле hcos(2πft) с частотой f = 0.1-200 кГц и амплитудойдо h =2 Э и регистрировали зависимость генерируемого ПЭ слоем напряжения u при изменении f, H или h.
Температурные характеристики МЭ эффектов и датчиков магнитных полей измеряли с помощью созданной в МИРЭА автоматизированной установки. Охлаждениеи нагрев образцов проводили в потоке газообразного азота заданной температуры, что позволило избежать образования конденсата и сокращало время измерений. Установка допускала изменение температуры образца от −120 C до +130 С и поддержание ее с точностью 0.5 C.В разделе 3 "Магнитоэлектрический эффект в резонаторах ферромагнетикпьезоэлектрик» приведены результаты исследований дисковых резонаторов Ni-PZT, изготовленных методами склейки и электролитического осаждения никеля.Показано, что в двухслойных Ni-PZT дисковых резонаторах, изготовленных методом склеивания, касательное переменное магнитное поле эффективно возбуждает основныемоды изгибных колебаний с частотой в диапазоне f1 = 3 -7 кГц и планарных колебаний счастотой в диапазоне f2 = 100-125 кГц.
Добротность низкочастотных резонансов составлялаQ1 = 67-80, а добротность высокочастотных резонансов - Q2 = 110-130. Частоты дисковыхМЭ резонаторов можно изменять путем подбора толщин слоев Ni и PZT: с увеличениемтолщины резонатора частота изгибной моды возрастает, а частота планарной моды монотонно падает. Эффективность МЭ преобразования достигала максимального значенияαE1~760 мВ/(Э∙см) для изгибной моды при касательном поле H ~ 50 Э и толщине PZT слоя в~2 раза больше толщины никеля. При намагничивании резонаторов перпендикулярно кf1u (mV)600140203 f, kHzf3f2200f15050f (kHZ)100Рис.
2 Зависимость МЭ напряжения u,генерируемого Ni-PZT диском, от частоты возбуждающего поля f при касательном поле H = 110 Э.Рис. 3 Зависимость МЭ напряжения u,генерируемого монолитным Ni-PZT диском,от частоты возбуждающего поля f при H =110 Э и различных температурах T.10плоскости полем H~500 Э эффективность МЭ преобразования на частоте изгибной модыдостигала αE1 ~365 мВ/(Э∙см) что обусловлено эффектом размагничивания.
Зависимость резонансных частот от толщины Ni-PZT структуры хорошо описывается формулами для частот колебаний свободного диска с учетом эффективных плотности и модуля Юнга композитной структуры.В двухслойных монолитных Ni-PZT дисковых резонаторах с толщиной PZT слоя 0.2мм и толщиной слоя Ni от 5 мкм до 57 мкм, изготовленных методом электролитическогоосаждения, наблюдали эффективное возбуждение изгибной моды с частотой f1 = 2-3 кГц иосновной планарной моды с частотой f2 = 90-100 кГц, а в симметричных трехслойных резонаторах – возбуждение только планарной моды колебаний.
Добротность низкочастотныхрезонансов достигала Q1~120, а высокочастотных Q2~160, т.е. была выше, чем у склеенныхрезонаторов. Частоты изгибных и планарных колебаний монолитных резонаторов возрастали с увеличением толщины осажденного слоя никеля, в полном соответствии с расчетом.Эффективность МЭ взаимодействия достигала αE1~970 мВ/(Э∙см) на частоте изгибной модыколебаний и αE2 ~ 970 мВ/(Э·см) на частоте планарной моды при касательном намагничивании структур полем H ~70 Э. При намагничивании резонаторов перпендикулярно к плоскости, как и ранее, максимум эффективности МЭ взаимодействия наблюдали при полях смещения H~500 Э.Для Ni-PZT резонаторов, изготовленных методом склеивания и электролитическогоосаждения никеля, измерены зависимости резонансных частот и эффективности взаимодействия от температуры в диапазоне от −50 С до 110 С.
Обнаружено, что изменение резонансной частоты изгибных колебаний может достигать 15% и вызвано уменьшением модулей Юнга слоев с ростом температуры и разницей коэффициентов температурного расширения слоев, которая приводит к возникновению статической деформации структуры. Эффективность МЭ взаимодействия монотонно падает с ростом температуры из-за увеличениядиэлектрических констант материалов. В склеенных резонаторах при температуре выше 80С коэффициент МЭ преобразования дополнительно падает из-за размягчения клея.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
