Введение к работе
Актуальность темы. Качественное развитие электроники требует разработки и создания новых материалов, обладающих комплексом уникальных физических свойств. К таким материалам можно отнести мультиферроич-ные композиты на основе ферромагнетиков и пьезоэлектриков благодаря существованию в них магнитоэлектрического (МЭ) эффекта, который заключается в возникновении макроскопической намагниченности, индуцированной электрическим полем, или поляризации, индуцированной магнитным полем. Хотя МЭ тематика не является новой - первый магнетоэлектрик Сг203 бьш изучен ещё в 1959 году Д. Н. Астровым - интенсивное развитие данного направления исследований получило лишь в 2000-х годах. Проведённые к настоящему времени исследования МЭ эффекта в магнетоэлектриках демонстрируют реальные возможности его практического применения в различных устройствах микро- и наноэлектроники: наиболее перспективными являются МЭ датчики переменного магнитного поля, МЭ трансформаторы напряжения, МЭ память. В последнее время активно исследуются слоевые МЭ структуры, достоинством которых являются высокая степень поляризации пьезоэлектрической компоненты и малые токи утечки, так как пьезоэлектрическая компонента с высоким удельным электрическим сопротивлением изолирована от магнитострикционной компоненты с более высокой проводимостью. Вследствие этого слоевые МЭ композиты в отличие от смесевых МЭ композитов, для которых характерно взаимное легирование компонентов во время их высокотемпературного спекания, обладают лучшей эффективностью МЭ взаимодействия. Поскольку МЭ эффект обусловлен цепочкой связей магнитострикция - упругая деформация - пье-зоэффект, а величины магнитострикции магнитного материала и пьезоэффект в пьезоэлектрике зависят от температуры, частоты и напряжённости магнитного и электрического полей, геометрии и ориентации образца, то следует ожидать изменения величины эффективности МЭ преобразования композитов с изменением этих параметров. Поэтому настоящая диссертация направлена на изучение особенностей прямого и обратного МЭ эффектов в двухслойных Tb0,i2Dyo,2Fe0)68 - Pb(Zr0)53Tio,47)03 (TDF - PZT) и трёхслойных Feo^Coo^Zr^ -Pb(Zr0)53Tio,47)03 - Feo^Coo^Zro! (FCZ - PZT - FCZ) композитах в широком интервале температур. Данная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твёрдого тела ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану госбюджетной темы ГБ 2010.23 «Синтез и физические свойства новых материалов твердотельной электроники».
Цель работы. Цель работы - выявление закономерностей и особенностей поведения МЭ свойств слоевых композитов TDF - PZT и FCZ - PZT - FCZ в зависимости от объёмной доли фаз композитов, частоты переменного и напряжённости подмагничивающего полей в широком интервале температур.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
-
Получение двухслойных керамических композитов TDF - PZT и трёхслойных композитов FCZ - PZT - FCZ с различной толщиной ферромагнитного слоя, проведение комплексного исследования их физических свойств.
-
Исследование и выявление закономерностей проявления МЭ эффектов в композитах в диапазоне частот до 1 МГц.
-
Изучение МЭ эффектов в зависимости от напряжённости приложенного подмагничивающего поля на постоянной частоте переменного магнитного поля.
-
Анализ влияния толщины ферромагнитного слоя композита ферромагнетик - пьезоэлектрик на МЭ отклик.
-
Исследование МЭ эффектов при различных температурах с целью определения закономерностей их поведения в широком интервале температур.
Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны двухслойные композиты TDF - PZT, изготовленные по керамической технологии, и трёхслойные композиты FCZ - PZT - FCZ, полученные методом ионно-лучевого распыления ферромагнитного сплава FCZ на пьезоэлектрическую подложку PZT, с различной толщиной магнитной составляющей композитов.
Выбор таких материалов и технологий изготовления был обусловлен следующими причинами: данные композиты являются удобными для МЭ исследований, так как обладают как магнитострикционными, так и сегнетоэлек-трическими свойствами не только при комнатной температуре; в композитах TDF - PZT, изготовленных склеиванием эпоксидным клеем и изготовленных по керамической технологии составляющих композит слоев, отсутствует взаимное легирование фаз; в трёхслойных композитах FCZ - PZT - FCZ отсутствует прослойка клея, что должно обеспечивать близкую к идеальной связь компонент композита; методом подбора толщины слоев композитов можно получить оптимальную величину МЭ отклика.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Получены магнитоэлектрические слоистые композиты FCZ - PZT -FCZ методом ионно-лучевого распыления ферромагнитного сплава FCZ на предварительно поляризованную пьезоэлектрическую подложку PZT. Достоинством таких композитов является отсутствие ухудшающей магнитоэлектрическое взаимодействие прослойки клея между слоями, обычно присутствующей в слоевых МЭ композитах при традиционном методе их получения.
-
Выявлено, что для композитов TDF - PZT и FCZ - PZT - FCZ поперечный МЭ коэффициент по напряжению а31 по величине превосходит продольный МЭ коэффициент по напряжению а33- Это объясняется разными компонентами тензора магнитострикционных коэффициентов Х^ ферромагнитного слоя композита, определяющих поперечный и продольный МЭ эффекты.
-
Коэффициенты прямого и обратного магнитоэлектрического преобразований для TDF - PZT и FCZ - PZT - FCZ в зависимости от переменного магнитного поля и переменного электрического поля соответственно проходят
через пики, приходящиеся на резонансные частоты изгибных и продольных колебаний композитов.
-
На примере двухслойных композитов TDF - PZT качественно показано, что в случае как прямого, так и обратного МЭ эффектов коэффициенты соответствующих МЭ преобразований изменяются от напряжённости постоянного магнитного поля по кривой с максимумом, что коррелирует с поведением первой производной магнитострикции ферромагнетика TDF по полю.
-
Обнаружено, что гистерезис, наблюдающийся на полевой зависимости поперечного МЭ коэффициента по напряжению азь связан с магнитной петлёй гистерезиса ферромагнетика, входящего в состав композита.
-
Для композитов TDF - PZT и FCZ - PZT - FCZ установлены зависимости МЭ коэффициентов от температуры на резонансных частотах. На температурных зависимостях коэффициентов прямого и обратного МЭ преобразований для двухслойных композитов TDF - PZT имеют место максимумы при температуре 253 К, отсутствующие для трёхслойных композитов FCZ - PZT -FCZ. Такое поведение МЭ коэффициентов обусловлено различным поведением коэффициентов магнитострикции ферромагнитных компонент композитов с температурой.
Практическая значимость. Установленные в результате выполнения работы физические закономерности и новые результаты углубляют представления о магнитных и о МЭ явлениях в мультиферроичных композитах, о влиянии температуры и объёмной доли фаз композитов на прямое и обратное МЭ взаимодействия. В частности, при комнатной температуре были найдены оптимальные толщины ферромагнитных слоев композитов TDF - PZT и FCZ - PZT - FCZ для разных типов колебаний, при которых наблюдается наибольший МЭ отклик. Использование в композитах ферромагнетик - пьезоэлектрик относительно дешёвого и хорошо обрабатываемого аморфного металлического сплава FCZ по сравнению с широко применяемым сплавом TDF имеет большое практическое значение, поскольку при прочих равных условиях величины МЭ откликов для композитов FCZ - PZT - FCZ по порядку величины сопоставимы с величинами МЭ откликов для композитов TDF - PZT.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. ДЛЯ КОМПОЗИТОВ Tbo,l2Dyo,2Feo,68 - Pb(Zr0,53Tio,47)03 И Fe0,45COo,45Zr0)i -
Pb(Zr0 5зТі0)47)О3 - Fe0 45Со0 45Zr0! зависимости коэффициентов прямого и обратного магнитоэлектрического преобразования от переменного магнитного поля и переменного электрического поля соответственно имеют коррелированные максимумы, соответствующие резонансным частотам изгибных и продольных колебаний композитов.
-
Максимальные величины МЭ коэффициентов как функция постоянного магнитного поля для слоистых композитов Tb012rjy02Fe068 -Pb(Zr0)53Tio,47)03 и Fe0,45Coo,45Zr0)i - Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 - Fe0,45Coo,45Zr0)i наблюдаются при максимальных величинах производной магнитострикции по полю.
-
Гистерезисный характер полевых зависимостей поперечного МЭ коэффициента по напряжению для композитов Tb012Е)у0 2Fe0 68 - Pb(Zr0 53Ti0 47)03 и
Feo,45Coo,45Zro,i_ Pb(Zr0)53Tio)47)03 - Feo^Coo^sZro,! обусловлен магнитной петлёй гистерезиса ферромагнетика, входящего в состав композита.
4. Максимумы на температурных зависимостях коэффициентов прямого и обратного МЭ преобразований для композитов Tt^^Dyo^Feo^s _ Pb(Zr0 5зТі0)47)О3 определяются максимумом на зависимости коэффициента продольной магнитострикции терфенола от температуры.
Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Физикохимия -2008» (Москва, 2008), Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВРПССФ - 15» (Кемерово, 2009), XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах (НМММ - 2009)» (Москва, 2009), 49 отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твёрдого тела» (Воронеж, 2009), The Fifth International Seminar on Ferroelastic Physics (Воронеж, 2009), Международной научной конференции «Химическая термодинамика: фазовые равновесия и термодинамические характеристики компонентов» (Донецк, 2010), Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ -16» (Волгоград, 2010), V (XXXVII) Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (Кемерово, 2010), 50 Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твёрдого тела», «Физика и техника низких температур» (Воронеж, 2010), II Всеукраинской конференции молодых учёных «Современное материаловедение: материалы и технологии (СММТ - 2011)» (Киев, 2011), Joint International Symposium: 11-th International Symposium on Ferroic Domains and Micro to Nanoscopic Structures, 11-th Russia / CIS / Baltic / Japan Symposium on Ferroelectricity (ISFD - 11 - RCBJSF) (Екатеринбург, 2012), 52 Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твёрдого тела», «Физика и техника низких температур» (Воронеж, 2012), IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012), The Seventh International Seminar on Ferroelastic Physics (Воронеж, 2012), Международной научной школе «Теоретическая физика» (Воронеж, 2012), 53 Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твёрдого тела», «Физика и техника низких температур» (Воронеж, 2013), Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием «Инновации в материаловедении (ИТПМАТ - 2013)» (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, автору принадлежат
приготовление образцов, подготовка и проведение эксперимента, получение и анализ экспериментальных данных. Обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати проводились при участии доктора физико-математических наук, профессора Юрия Егоровича Калинина, доктора физико-математических наук, профессора Станислава Александровича Гриднева и кандидата физико-математических наук Александра Владимировича Калгана.
Личный вклад автора состоит в создании исследованных в работе трёхслойных МЭ композитов, разработке методики проведения экспериментов, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов и их оформлении в виде научных публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, перечня основных результатов и выводов, списка литературы из 160 наименований. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 78 рисунков.
