Введение к работе
з
Актуальность темы
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект заключается в изменении поляризации вещества при помещении его в магнитное поле или изменении намагниченности вещества при помещении его в электрическое поле. В первом случае говорят о прямом МЭ эффекте, во втором - об инверсном или обратном эффекте. МЭ эффект относится к перекрестным эффектам, поскольку связывает между собой величины, имеющие разные тензорные размерности - поляризацию (полярный вектор) с напряженностью магнитного поля (аксиальный вектор), и, наоборот, намагниченность (аксиальный вектор) с напряженностью электрического поля (полярный вектор). Этот эффект представляет интерес, как с научной, так и с прикладной точки зрения, поскольку позволяет создать на его основе принципиально новые устройства твердотельной электроники.
В монокристаллах МЭ эффект тесно связан с симметрией кристалла.
Величина МЭ эффекта в монокристаллах незначительна, а его возникновение
обусловлено совместным действием спин-орбитального взаимодействия,
нечетной части потенциала внутрикристаллического поля и внешнего
электрического поля. В феррит-пьезоэлектрических композитах величина
МЭ эффекта значительно больше, чем в монокристаллах. По отдельности МЭ
эффект отсутствует и в ферритовой фазе, и в пьезоэлектрической. Его
возникновение обусловлено механическим взаимодействием
магнитострикционной и пьезоэлектрической подсистем. В случае прямого МЭ эффекта в ферритовой компоненте во внешнем магнитном поле, вследствие магнитострикции, возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, где, вследствие пьезоэффекта, происходит изменение поляризации. И, наоборот, при инверсном эффекте под действием электрического поля в пьезоэлектрической компоненте возникают механические напряжения, которые передаются в
4 магнитострикционную фазу, вследствие чего происходит изменение намагниченности вещества.
По сравнению с большим объемом исследований прямого МЭ эффекта, число работ, посвященных исследованию инверсного МЭ эффекта, значительно меньше и отсутствуют детальные теоретические и экспериментальные данные об инверсном МЭ эффекте в объемных композитах. Вместе с тем, исследование инверсного МЭ эффекта в композиционных материалах позволяет установить взаимосвязь упругих, электрических и магнитных свойств материала, что является актуальной задачей. Установление таких взаимосвязей позволяет выработать рекомендации по синтезу композитов с максимальной величиной МЭ эффекта и разработать на их основе принципиально новые устройства твердотельной электроники, например, такие как МЭ преобразователь напряжения, имеющий, в отличии от классического, всего одну обмотку. Все это позволяет считать изучение инверсного эффекта весьма актуальной задачей.
Цели и задачи
Целью диссертационного исследования являлось получение новых знаний в области инверсного магнитоэлектрического эффекта для установления взаимосвязи электрических, магнитных и упругих свойств феррит-пьезоэлектрических композитов и построение физических основ для создания принципиально новых устройств твердотельной электроники.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Разработать модель и методику расчета инверсного МЭ эффекта в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах.
Получить выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования при продольной и поперечной ориентации полей для образцов различной геометрической формы.
Рассчитать частотную зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования для образцов из объемных феррит-пьезоэлектрических материалов различной геометрической формы, выявить особенности частотных характеристик.
Исследовать взаимосвязь величины эффекта с магнитными, электрическими и упругими параметрами материалов и геометрическими размерами образцов.
Разработать конструкции устройств твердотельной электроники на основе инверсного МЭ эффекта.
Объекты исследования
В качестве объектов исследования были выбраны образцы из объемных композиционных материалов состава феррит-никелевая шпинель - цирконат-титанат свинца.
Методологическая и теоретическая основа исследования
В качестве методов исследования были использованы методы теоретической физики и физики конденсированных сред. В частности, при исследовании инверсного МЭ эффекта был использован метод, основанный на совместном решении уравнения движения среды с использованием обобщенного закона Гука, уравнений электростатики и магнитостатики.
При расчетах численных значений параметров был использован математический пакет Maple (версия 12.0).
Информационная база исследования
В числе информационных источников диссертации использованы:
а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей,
научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров;
б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.
6 Научная новизна работы
Дано подробное теоретическое описание инверсного МЭ эффекта в образцах из феррит-пьезоэлектрических композитов.
Получены выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования при продольной и поперечной ориентации полей для образцов в форме пластинки и в форме диска.
Представлены результаты расчетов частотной зависимости коэффициента инверсного МЭ преобразования. Показано, что в области низких частот коэффициент инверсного МЭ преобразования практически не зависит от частоты, а при приближении к резонансу наблюдается пиковое увеличение коэффициента, причем резонансные частоты для прямого и инверсного эффектов имеют хотя и близкие, но экспериментально различимые значения.
Показано, что зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования от процентного содержания феррита имеет максимум.
Рассмотрено практическое применение инверсного МЭ эффекта. Предложены конструкции принципиально новых устройств твердотельной электроники: МЭ преобразователя напряжения и узкополосного МЭ трансформатора.
Практическая значимость работы
Полученные выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования позволяют рассчитывать частотную зависимость величины коэффициента для образцов из объемных композитов различных геометрических форм, что позволяет подобрать геометрические размеры образца для конкретного частотного диапазона.
Полученные выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования позволяют выработать рекомендации для синтеза структур с наибольшим значением эффекта.
7 3 Предложено несколько конструкций принципиально новых устройств твердотельной электроники на основе инверсного МЭ эффекта, которые могут быть использованы в радиотехнике для преобразования переменного напряжения звукового диапазона частот.
Научные положения, выносимые на защиту
Величина коэффициента инверсного МЭ преобразования прямо пропорциональна произведению пьезоэлектрического и пьезомагнитного модулей и обратно пропорциональна модулю податливости композита.
Частотная зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования имеет резонансный характер. Пиковое увеличение коэффициента инверсного МЭ преобразования наблюдается на частоте электромеханического резонанса, в то время как пиковое увеличение МЭ коэффициента по напряжению наблюдается на частоте антирезонанса.
С увеличением процентного содержания ферритовой фазы в составе композита происходит уменьшение разности частот резонансного увеличения коэффициента инверсного МЭ преобразования и МЭ коэффициента по напряжению.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе:
XI International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, Eragol, Altai, July, 2010r.;
XVII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2010г.;
13-th International Conference Electromechanics, Electrotechnology and Electromaterial Science, Alushta, Crimea, Ukraine, Сентябрь, 2010г.;
XI Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11), Екатеринбург, Ноябрь, 2010г.;
IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings, MNST'2010, Novosibirsk, December, 201 Or.;
Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-17, Екатеринбург, Март, 2011г.;
XVIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2011г.;
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика -2011", Москва, Апрель, 2011г.;
VI (XXXVIII) Международная научно-практическая конференция «ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ИННОВАЦИИ - ВКЛАД МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ», Кемерово, Апрель, 2011г.;
15-й Юбилейный Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке», Харьков, Апрель, 2011г.;
XLIX Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, Апрель, 2011г.;
Международная молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения», Апрель, Москва, 2011г.;
International Conference «Functional Materials», ICFM-2011, Ukraine, Crimea, Partenit, Октябрь, 2011г.;
Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада, Санкт-Петербург, Октябрь, 2011г.
9 Внедрение результатов работы
Теоретические результаты, полученные в диссертации, являются частью НИР РФФИ грант № 11-02-98901-р_север_а и программы «Развитие научного потенциала высшей школы» проект № 2.1.1/10009.
Исследования по теме диссертационной работы неоднократно поддержаны грантами для аспирантов и молодых ученых:
по результатам конкурса на выполнение научно-исследовательских работ студентами и аспирантами ВУЗов Новгородской области «Перспектива 2010», 2010г.;
по результатам конкурса Администрации Новгородской области «Молодой исследователь», 2010г.;
по результатам Восьмого конкурса грантов молодых ученых НовГУ, 2010г. Тема НИР: «Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах»;
Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), 2011г. Тема НИР: «Разработка магнитоэлектрического трансформатора»;
в рамках областного конкурса «Лучший молодой ученый Новгородской области», 2011г..
Публикация результатов работы
По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей (из них 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК), монография, получено 3 патента на полезные модели, опубликовано 13 тезисов докладов различных конференций и семинаров.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 125 страниц машинописного текста, в
10 том числе 28 рисунков. Список цитированной литературы включает 123 наименования.
