Диссертация (1091174), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В двухслойных дисковых структурах никель - цирконат-титанат свинца,помещенных впостоянное и переменное магнитные поля, МЭ эффектнаблюдается на частотах как изгибных, так и радиальных акустическихколебаний.Частотаизгибныхколебанийопределяютсязначениямиэффективной плотности и эффективного модуля Юнга слоев, ее можноизменять в широких пределах, подбирая толщины слоев.

Величина МЭкоэффициента для таких структур в резонансе достигает ~ 1 В/(см∙Э).2. В радиально-поляризованном кольце из пьезоэлектрика с металлическимиэлектродами, помещенном в аксиальное постоянное магнитное поля,благодаря комбинации пьезоэффекта, силы Ампера и электромагнитнойиндукции, на частоте акустического резонанса структуры имеет местовзаимное преобразование переменных магнитных и электрических полей –пьезоиндукционный эффект. Переменное магнитное поле приводит кгенерации в пьезоэлектрике переменного электрического поля (прямойэффект), а приложенное к пьезоэлектрику переменное электрическое полевызывает генерацию переменного магнитного поля (обратный эффект).Эффективность преобразования линейно зависит от амплитуд переменныхполей и напряженности постоянного магнитного поля.3.

Биморфная пьезоэлектрическая структура в виде закрепленной на одномконце балки, помещенная в постоянное магнитное поле, при пропусканиичерез средний электрод или намотанную на структуру катушку переменноготока с частотой, равной частоте изгибных колебаний биморфа, генерируетпеременноенапряжение.Амплитуданапряженияпропорциональнаакустической добротности структуры, амплитуде тока и напряженностипостоянного магнитного поля.4.Резонансныемагнитоэлектрические8эффектывкольцевыхпьезоэлектрических резонаторах и биморфных пьезоэлектрических балках,обусловленные комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта, могут бытьиспользованы для создания датчиков постоянных магнитных полей счувствительностью до 26 В/(А∙кЭ), работающих в диапазоне полей от единицмилли-эрстед до десятков кило-эрстед.Апробация работы.

Основные результаты, изложенные в диссертационнойработе, были представлены 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 магнитныхматериалах», Астрахань, Россия, 2012;- IX Международная конференция «European Magnetic Sensors and ActuatorsConference», EMSA-2012, Прага, Чехия, 2012.;- Международная конференция “Functional Materials” ICFM-2013", ЯлтаГаспра, Украина, 2013;- Международная конференция «Moscow International Symposium on Magnetism», MISM-2014, Москва, Россия, 2014;- Международная конференция по магнетизму "INTERMAG 2015", Пекин, Китай, 2015;- Международная конференция "2015 Joint ISAF-ISIF-PFM Conference", Singapore, 2015;- 20 Международная конференция по магнетизму "ICM-2015" Barcelona, Ис9пания, 2015;- Международная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрическогоприборостроения», Ростов на Дону, Россия, 2015;- Международная конференция по материалам "MRS-2015", Бостон, США, 2015.Исследования выполнены при поддержке Министерства образования инауки Российской федерации и Российского фонда фундаментальных исследований.Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 11-ти статьях в международных и российских журналах, входящих в Перечень ВАК, доложенына 7-ми международных конференциях и защищены 4-мя патентами.Личный вклад автора. Автором была разработана технология изготовлениякомпозитных структур металл-пьезоэлектрик методом электролитическогоосаждения никеля, изготовлены планарные и кольцевые структуры никель цирконат-титанат свинца, использованные в работе; измерены частотные, полевые и амплитудные характеристики МЭ эффекта в таких структурах; выполнены оценки и численные расчеты резонансных частот и эффективностейМЭ взаимодействия в композитных структурах, изготовлены макеты датчиков магнитных полей и исследованы их характеристики. Измерения температурных характеристик МЭ эффектов проведены совместно с сотрудникамиНОЦ "Магнитоэлектрические материалы и устройства". Автор участвовал впостановке задач и подготовке публикаций, лично докладывал полученныерезультаты на российских и международных конференциях.Структура и объём диссертации.

Диссертация содержит введение, пятьразделов, заключение, список цитированной литературы, изложена на 127страницах, включает 63 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 98-минаименований.101 Магнитоэлектрические эффекты (литературный обзор)1.1 Прямой и обратный магнитоэлектрические эффектыМагнитоэлектрическим (МЭ) эффектом называется изменение поляризации P вещества под действием магнитного поля H (прямой эффект), илиизменение намагниченности вещества M под действием электрического поляE (обратный эффект).Впервые на возможность существования МЭ эффекта указал Кюри, который предположил, что могут существовать кристаллы, в которых одновременно присутствует как электрический, так и магнитный порядок [10]. Этопредположение было обосновано Ландау и Лифшицем, которые сформулировали условия возникновения МЭ эффекта в веществах, обладающих определенной магнитной симметрией [11].

Выполненный Дзялошинским детальный анализ предсказал наличие МЭ эффекта в кристаллах антиферромагнитного оксида хрома Cr2O3 [12].В 1961 г. Астров впервыеэкспериментально обнаружил изменениенамагниченности кристаллов Cr2O3 во внешнем электрическом поле [13], а затем Folen с соавторами измерили электрическую поляризацию кристалловCr2O3, индуцированную магнитным полем [14].К настоящему времени МЭ эффекты наблюдали в большом количествеприродных монокристаллов, выполнены экспериментальные и теоретическиеисследования характеристик этих эффектов.

Результаты исследований достаточно полно отражены в обзорах [4-6, 15-17].Величину МЭ эффекта обычно характеризуют с помощью магнитоэлектрического тензора  ik , который определяют как [11]Pi   ik H kилиM k   ik Ei11(1.1)где P - поляризация образца, возникающая под действием внешнего магнитного поля напряженностью H, M - намагниченность вещества, возникающаяпод действием внешнего электрического поля E.В экспериментальных и прикладных исследованиях важно знать не абсолютные значения величин, а их изменения под действием внешних воздействий, поэтому на практике чаще используют "динамический" МЭ коэффициент:E  E / h ,(1.2)где E - амплитуда переменного электрического поля, возникающего в образцепод действием переменного магнитного поля c амплитудой h.

Магнитоэлектрический коэффициент измеряется в единицах (В/см)/Э или B/(см∙Э). Аналогично, для обратного МЭ эффекта можно ввести коэффициент, измеряемыйв единицах Гс/(В/см) или Гс∙см/В:H  M / E ,(1.3)где M - изменение намагниченности, возникающее в веществе под действиемпеременного электрического поля напряженностью E.Исследования последних десятилетий показали, что в подавляющембольшинстве однофазных кристаллов МЭ эффекты наблюдаются либо принизких температурах (Т < 10 K), либо в очень больших магнитных полях (H >10 кЭ).

К тому же величина эффектов в монокристаллах, как правило, небольшая. Например, для одного из немногих "высокотемпературных" магнитоэлектриков Cr2O3 величина МЭ коэффициента при комнатной температурене превышает αE = 20 мВ/(см∙Э) [13]. Эти обстоятельства ограничивают перспективы использования МЭ эффектов в монокристаллах для создания какихлибо реальных устройств и стимулировали поиск новых магнитоэлектрических материалов и путей увеличения эффективности МЭ взаимодействий.121.2Магнитоэлектрическийэффектвструктурахферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленный магнитострикциейПроблему повышения эффективности МЭ взаимодействия удалось частично решить используя искусственно созданные композитные материалы,содержащие ферромагнитную (ФМ) и пьезоэлектрическую (ПЭ) фазы.

Магнитоэлектрический эффект в таких композитах возникает из-за комбинациимагнитострикции в ФМ фазе и пьезоэлектрического эффекта в ПЭ фазе[18,19]. Под действием магнитного поля ФМ материал деформируется, этадеформация передается ПЭ материалу, в котором в результате пьезоэлектрического эффекта изменяется поляризация - наблюдается прямой МЭ эффект.Обратный МЭ эффект в композитных материалах возникает аналогично: деформация пьезоэлектрика, вызванная внешним электрическим полем, передаётся ферромагнетику, который, в результате обратной магнитострикции (эффект Виллари), изменяет свою намагниченность.На первом этапе были созданы объемные композитные материалы ввиде керамики, полученной путём направленной кристаллизации композицииFe-Co-Ti-Ba-O, составленной из смеси ФМ и ПЭ порошков [20].

Образцыпредставляли собой пластины с электродами на поверхностях, для которыхМЭ коэффициент ввели, аналогично (1.2), следующим образом:У E uh bh(1.4)где u – амплитуда генерируемого переменного электрического напряжения наобкладках образца, b – толщина пластины (расстояние между электродами), h– амплитуда переменного магнитного поля. МЭ коэффициент для такогокомпозита достигал αE ≈ 50 мВ/(см∙Э). Для композита состава ВаТiO3 –13СоFе2О4 получен МЭ коэффициент αE = 130 (мВ/см∙Э) [21].

Композит BaTiO3– NiFe2O4 имел МЭ коэффициент αE = 25 мВ/(см∙Э) [22].Величина МЭ коэффициента для объёмных композитов оказалась выше, чем для кристаллов, однако на порядок ниже ожидаемой. Это объясненодостаточно высокой проводимостью ФМ фазы, что не позволило эффективнополяризовать ПЭ фазу материала, несовершенством механической связи между фазами и паразитными химическими реакциями в процессе изготовленияматериала.На втором этапе были созданы слоистые композиты, состоящие из чередующихся механически связанных друг с другом ФМ и ПЭ слоёв, в которых МЭ эффект также возникал вследствие комбинации магнитострикцииФМ слоя и пьезоэффекта в ПЭ слое [23].

Характеристики

Список файлов диссертации