Магнитоэлектрический эффект в трехслойной структуре никель – кварц – никель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Магнитоэлектрический эффект в трехслойной структуре никель - кварц - никель

Маничева И.Н., Филиппов Д.А., Лалетин В.М.

Интенсивное исследование перекрестных эффектов в композитных структурах, обусловленных механическим взаимодействием фаз, входящих в состав композита, привело к созданию нового направления в физике конденсированного состояния - стрейнтроники, в основе которого лежат методы деформационной инженерии [1, C. 1288]. Магнитоэлектрический (МЭ) эффект относится к одному из таких перекрестных эффектов и связывает между собой магнитные и электрические характеристики вещества. Он представляет особый интерес ввиду его перспективного использования при создании приборов твердотельной электроники, таких как гираторы [2, P. 015004], управляемые электрическим полем катушки индуктивности [3, P. 113502], датчики магнитного поля, чувствительность которых превосходит чувствительность датчиков Холла [4, P. 244]. МЭ эффект в композитах возникает в результате механического взаимодействия магнитострикционной (МС) и пьезоэлектрической (ПЭ) фаз. Механические деформации, вызываемые в МС фазе переменным магнитным полем передаются через границу раздела в ПЭ фазу, приводя к изменению поляризации и возникновению электрического напряжения. МЭ композиты делят на объемные и слоистые. Объемные композитные структуры, полученные по керамической технологии методом спекания смесей порошков МС и ПЭ компонентов, достаточно просты в изготовлении, обладают хорошими механическими свойствами [5, С. 47]. Слоистые композиты, состоящие из чередующихся слоев МС и ПЭ фаз, имеют ряд преимуществ по сравнению с объемными МЭ композитами: легко поляризуются, обладают малыми токами утечки [6, С. 214408]. В качестве МС фазы можно применять материалы с большим коэффициентом магнитострикции (никель, пермендюр аморфные и редкоземельные сплавы) [7, С. 2076], [8, С.123918], [9, С. 497].

В качестве пьезоэлектрика используют материалы, обладающие высоким значением пьезомодуля (цирконат-титанат свинца - PZT, кристаллы лангатата, ниобата лития и т.д.) [10, С. 224]. Выбор никеля в качестве материала для МС фазы обусловлен максимальной величиной коэффициента магнитострикции при малых значениях напряженности поля подмагничивания. склеивание магнитоэлектрический напряжение кварц

Величина МЭ эффекта прямо пропорциональна величине пьезомодуля и обратно пропорциональна значению диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика [11, С. 2168]. Несмотря на небольшое значение пьезомодуля кварца () и значение диэлектрической проницаемости (), его использование в качестве подложек для изготовления МЭ структур может показывать большие значения МЭ эффекта. Кроме того, кварц является монокристаллом с более стабильными свойствами, в отличие от ЦТС, исключает операцию предварительной поляризации, что значительно упрощает процесс изготовления слоистых МЭ структур.

Исследованная трехслойная структура схематически изображена на рис. 1.

Рис.1 - Схематичное изображение структуры 1 - МС слой, 2- слой клея, 3 - ПЭ слой

В качестве пьезоэлектрика использован образец, вырезанный из пластины кварца (X-срез) в форме параллелепипеда с размерами 20 Ч 4.5 Ч 0.5 mm, длинная сторона которого совпадает с направлением <011>. Он расположен между двумя пластинами никеля толщиной по 0,25 mm, которые присоединены к кварцевой пластине при помощи эпоксидного клея. В структуре возникают планарные и толщинные колебания. Для планарных колебаний характерные резонансные частоты определяются длиной и шириной образца, для толщинных колебаний - толщиной структуры. Если считать образец длинным и узким, т.е. , то частота резонанса для колебаний, распространяющихся по длине образца, будет много меньше частоты колебаний, распространяющихся по ширине и толщине образца и в первом приближении их можно рассматривать как независимые. При распространении колебаний по длине образца имеют место планарные колебания, которые связаны с однородной деформацией типа растяжение - сжатие, и изгибные колебания, связанные с деформациями типа изгиба. Возбуждение колебаний в структуре происходит путем их возбуждения в МС фазе и передачи посредством касательных напряжений в ПЭ слой. Поскольку рассматриваемая структура является симметричной относительно ПЭ подсистемы, то возбуждение колебаний в пьезоэлектрике будет осуществляться одновременно с обеих сторон. В симметричной структуре изгибные колебания возбуждаться не будут и можно рассматривать только планарные колебания. Поэтому исследуемый многослойный образец, можно представить в виде структуры пьезоэлектрик - соединительный слой - магнетик (рис. 2) с учетом только планарных колебаний.

Рис. 2 - Схематичное изображение модели многослойной структуры

Для нахождения МЭ коэффициента по напряжению сэндвич структуры воспользуемся методом, разработанным ранее в работах [12, С. 1730], [13, С. 1088]. Поскольку толщина ПЭ, МС и соединительного слоя много меньше длины образца, поэтому в первом приближении можно считать, что смещения слоев одинаковы. В этом приближении уравнение движения для z- проекции вектора смещения среды имеют вид:

где - среднее значение плотности структуры, и - среднее значение тензора напряжений структуры, - толщина магнетика, пьезоэлектрика и клеевого слоев соответственно. Уравнения для тензора деформаций ПЭ фазы , МС фазы, и x-проекции вектора электрической индукции в этом приближении имеют вид:

где - компоненты тензора напряжений и модули Юнга ПЭ и МС фаз; - ПЭ и пьезомагнитный коэффициенты, - тензор диэлектрической проницаемости.

Компоненты ПЭ тензора в системе координат XYZ связаны с компонентами тензора в кристаллографической системе координат соотношением в виде:

(5)

где - матрица косинусов между осью Z и осями 2 и 3 (между направлением <011> и направлениями <010> и <001>).

Решение уравнения (1) для вектора смещения среды представим в виде плоских волн, распространяющихся вдоль длины образца:

(6)

где и - постоянные интегрирования. Подставляя выражение (6) в уравнение (1), получим выражение для дисперсионного соотношения:

(7)

Используя условия механического равновесия на торцах образца, в точках получаем граничные условия:

(8)

Для постоянных интегрирования и получим:

(9)

где введен параметр . Выражая компоненту тензора напряжений через компоненты тензора деформаций и подставляя выражение в уравнение для нормальной компоненты вектора электрической индукции, получим:

(10)

Воспользуемся условием разомкнутой цепи, а именно:

(11)

Подставляя выражение (10) в уравнение (11) и проинтегрировав, получим выражение для определения напряженности электрического поля:

(12)

где введено обозначение

(13)

где - квадрат коэффициента электромеханической связи.

Используя определение МЭ коэффициента, как получим:

(14)

Когда параметр , имеет место резонансное увеличение МЭ коэффициента по напряжению. Поскольку , то резонансное увеличение МЭ эффекта происходит при значении , что соответствует условию, когда на длинной стороне образца укладывается половина длины волны. Используя дисперсионное соотношение (7) для резонансной частоты получим:

(15)

Выражение (15) показывает, что резонансная частота зависит от модуля Юнга, толщины каждого слоя и длины образца.

Для определения частотной и полевой зависимости МЭ эффекта использовался метод регистрации переменного электрического напряжения на образце при помещении его в постоянное подмагничивающее поле напряженностью Hbias и переменное магнитное поле H, направленные вдоль длинной стороны образца. На рис. 3 приведена частотная зависимость МЭ эффекта в области резонанса.

Рис. 3 - Частотная зависимость МЭ коэффициента по напряжению (MEVC) в области электромеханического резонанса

Как видно из графика, в полном соответствие с теорией, на частоте 138 kHz наблюдается пиковое увеличение МЭ коэффициента по напряжению, обусловленное наличием электромеханического резонанса. Значения резонансной частоты, рассчитанное теоретически и полученное экспериментально, хорошо согласуются между собой. Небольшое отличие наблюдается в величине значения МЭ коэффициента по напряжению. Это отличие обусловлено тем, что амплитудное значение МЭ коэффициента по напряжению прямо пропорционально произведению пьезоэлектрического и пьезомагнитного коэффициентов. Если величина пьезоэлектрического коэффициента определяется достаточно точно, то величина пьезомагнитного коэффициента зависит от величины поля подмагничивания и определяется путем дифференцирования кривой магнитострикции, в результате чего возникает погрешность в определении его величины. Кроме того, амплитудное значение МЭ коэффициента по напряжению при резонансе очень сильно зависит от параметра затухания, который также определяется недостаточно точно. Совокупность этих факторов и приводит к различию между теорией и экспериментом.

Заключение

Таким образом, слоистая композиционная структура, где в качестве ПЭ фазы использован кварц, имеет добротность Q = 93, что превышает добротность клеевой структуры Ni - ЦТС - Ni более чем в 1,5 раза [14, С. 103]. Значение МЭ коэффициента по напряжению в области электромеханического резонанса структуры на основе кварца также превосходит величину для структуры на основе ЦТС в 15 раз, что позволяет слоистым композиционным МЭ структурам Ni - Q - Ni найти широкое применение в стрейнтронике и спинтронике [15, C. 344].

Список литературы

1. Бухараев А.А. Стрейнтроника - новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах / А.А. Бухараев, А.К. Звездин, А.П.Пятаков, Ю.К. Фетисов // УФН. - 2018. - Т. 188.- №12. - С. 1288 - 1330.

2. Zhang Highly efficient power conversion in magnetoelectric gyrators with high quality factor / J. Zhang, W. Zhu, D.A. Filippov, W.He, D. Chen, K. Li, S. Geng, Q. Zhang, L. Jiang, L. Cao, R. Timilsina, and G. Srinivasan // Rev. Sci. Instrum. - 2019. - Vol. 90. - P. 015004.

3. Zhang Bidirectional tunable ferrite-piezoelectric trilayer magnetoelectric inductors / J. Zhang, D. Chen, D. A. Filippov, K. Li, Q. Zhang, L. Jiang, W. Zhu, L. Cao, G. Srinivasan // Appl. Phys. Lett. - 2018. - Vol. 113. - P. 113502.

4. Burdin D.A. High-sensitivity DC field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect / D.A. Burdin, D.V. Chashin, N.A. Ekonomov, Y.K. Fetisov, A.A. Stashkevich // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2016. - Vol. 405. - P. 244-248.

5. Филиппов Д.А. Низкочастотный и резонансный магнитоэлектрические эффекты в объемных композиционных структурах феррит никеля - цирконат - титанат свинца / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, G. Srinivasan // Журнал технической физики. - 2012 - Т. 82 - №1 - С. 47-51.

6. Srinivasan G. Novel magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides / G. Srinivasan, E.T. Rasmussen, J. Gallegos, R. Srinivasan, Yu. I. Bokhan, V.M. Laletin // Physical Review B. - 2001. - Vol.64. - P. 214408 (1-6).

7. Fetisov Y.K. Inverse magnetoelectric effects in a ferromagnetic-piezoelectric layered structure / Y.K Fetisov, V.M. Petrov, G. Srinivasan // J. Mater. Res. - 2007. - Vol. 22. - P.2074-2080.

8. Fetisov Y.K. Converse magnetoelectric effects in a galfenol and lead zirconate titanate bilayer / Y.K. Fetisov, K.E. Kamentsev, D.V. Chashin, L.Y. Fetisov, Srinivasan // Journal of Applied Physics. - 2009. - Т.105. - №12. - С.123918.

9. Филиппов Д.А. Магнитоэлектрический эффект в слоистых дискообразных магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах: теория и эксперимент / Д.А. Филиппов, Г.С. Радченко, В.М. Лалетин // ФТТ. - 2016 - Т. 58 - №3. - С. 495-501.

10. Vopson M. Fundamentals of Multiferroic Materials / M. Vopson // Critical Reviews in Solid State and Materials Science. 2015. - Vol.40. - P. 223-250.

11. Filippov D.A. Influence of an interlayer bonding on the magnetoelectric effect in the layered magnetostrictive-piezoelectric structure / D.A. Filippov, T.A. Galichyan, V.M. Laletin // Appl. Phys. A. - 2014. - V. 116. - P. 2167-2171.

12. Филиппов Д.А. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, T.A Galichyan // Физика твердого тела. - 2013. - Т. 55. - №9. - C. 1728-1733.

13. Filippov D.A. Magnetoelectric effect in bilayer magnetostrictive - piezoelectric structure. Theory and experiment / D.A. Filippov, V.M. Laletin, T.A. Galichyan // Applied Physics A. - 2014. - Vоl. 115. - P. 1087- 1091.

14. Филиппов Д.А. Технология изготовления и магнитоэлектрические свойства структур цирконат - титанат свинца - никель / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова, О.В. Антоненков // Вестник Новгородского университета им. Ярослава Мудрого. - 2015. - № 6(89). - С. 100-104.

15. Фетисов Ю.К. Спинтроника: физические основы и устройства / Ю.К. Фетисов, А.С. Сигов //Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2018. - Т. 10. - № 3. - С. 343-356.

Аннотация

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований магнитоэлектрического эффекта в композитных трехслойных структурах никель - кварц - никель. Образцы в форме пластинки были изготовлены методом склеивания. Установлено, что в области электромеханического резонанса величина магнитоэлектрического коэффициента по напряжению составляла б =84,7 V / сm Oe, при добротности Q = 93. Применение кварца в качестве пьезоэлектрического слоя позволяет получать величину магнитоэлектрического эффекта в композиционных структурах, сравнимую с лучшими образцами на основе цирконата-титаната свинца.

Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитострикция, пьезоэлектричество, кварц, электромеханический резонанс.

The results of theoretical and experimental studies of the magnetoelectric effect in composite three - layer structures of nickel - quartz-nickel are presented. Samples in the form of plates were made by gluing. At the electromechanical resonance region the value of the magnetoelectric voltage coefficient б = 84.7 V / cm Oe, with Q = 93 was observed. Using the quartz as a piezoelectric layer allows to obtain the magnitude of the magnetoelectric effect in composite structures, comparable to the best samples based on lead zirconate-titanate.

Keywords: magnetoelectric effect, magnetostriction, piezoelectricity quartz, electromechanical resonance.

Размещено на Allbest.ru