Введение к работе
Актуальность темы. Магнитоэлектрический (МЭ) эффект
проявляется в индуцировании электрической поляризации при
воздействии на материал внешнего магнитного поля, или индуцировании
намагниченности при воздействии на материал внешнего электрического
поля. Экспериментальное открытие Д. Н. Астровым
магнитоэлектрического эффекта стимулировало интенсивное изучение физических явлений, определяющих взаимосвязь диэлектрических и магнитных свойств материалов. Поиск и исследование новых МЭ материалов является актуальной задачей физики конденсированного состояния, особенно в связи с перспективами их практического использования. Наличие у этих материалов ряда важных для техники свойств делает их перспективными для создания устройств твердотельной электроники.
В настоящее время известно большое количество монокристаллических МЭ материалов. Однако, практическому использованию этих материалов в твердотельной электронике препятствует то, что МЭ эффект наблюдается в большинстве из них при температурах, значительно ниже комнатной. Это связано с низкими температурами Нееля или Кюри для этих материалов. МЭ коэффициенты обращаются в нуль, как только температура приближается к точке перехода в неупорядоченное состояние. Кроме того, монокристаллические материалы характеризуются малыми значениями МЭ коэффициентов, величина которых недостаточна для практического использования этих материалов. В связи с этим актуальной задачей является исследование композиционных материалов на основе пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов. Развитие технологии композиционных материалов способствует созданию различных типов структур, которые позволят преодолеть перечисленные выше трудности.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является
обобщение теоретических и экспериментальных исследований по поиску и
изучению магнитоэлектрических свойств композиционных феррит-
пьезоэлектрических материалов с заданной величиной
магнитоэлектрического взаимодействия, достаточной для применения их в
устройствах твердотельной электроники.
в слоистых композиционных феррит-объемных композиционных феррит-
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Изучить МЭ эффект
пьезоэлектрических материалах.
2. Изучить МЭ эффект в пьезоэлектрических материалах.
рос НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
С!
О*
-
Исследовать влияние типа связности композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов на параметры МЭ взаимодействия.
-
Исследовать релаксационные явления в композиционных материалах.
-
Изучить МЭ эффект в области магнитного резонанса.
-
Предложить композиционные феррит-пьезоэлектрические материалы для использования в устройствах твердотельной электроники, разработать рекомендации по созданию новых МЭ материалов с заданным МЭ взаимодействием.
Объектами исследований были выбраны слоистые и объемные композиционные феррит-пьезоэлектрические материалы на основе поликристаллических титаната бария, цирконата-титаната свинца (ЦТС), монокристаллического сегнетоэлектрического твердого раствора Pb(Mgs/,Nby,)03 - РЬТЮз (PMN-PT), феррита никеля, феррита кобальта, лантан-стронциевого манганита, монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ).
Методы проведенных исследований. При математическом моделировании МЭ взаимодействия использовались уравнения эластостатики, эластодинамики, электростатики, магнитостатики, электродинамики, термодинамики, уравнение движения вектора намагниченности. Для измерения МЭ эффекта применялся метод регистрации э.д.с, возникающей на образце при приложении постоянного и переменного магнитных полей. Для измерений параметров резонансной релаксации использовался метод резонанса — антирезонанса. Для измерений в диапазоне СВЧ применялся метод ферромагнитного резонанса.
Научная новизнаработы заключается в следующем:
1. Построена теоретическая модель слоистого композиционного феррит-пьезоэлектрического материала, позволяющая на основе точного решения определять эффективные механические, электрические, магнитные и МЭ параметры материала. Получены выражения для МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению как функций параметра межслоевой связи, параметров и объемных долей исходных компонент. Использование предложенной модели позволило впервые адекватно описать МЭ эффект в слоистых композитах составов феррит кобальта - титанат бария, феррит кобальта - ЦТС, феррит никеля - ЦТС, лантан-стронциевый манганит — ЦТС. Показано, что МЭ эффект в системах феррит - ЦТС максимален при поперечной ориентации магнитного и электрического полей.
-
Построена теоретическая модель низкочастотного МЭ эффекта в объемных композитах на основе магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов. Для описания физических свойств композита используется метод эффективных параметров. Проведен расчет эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей, пьезоэлектрических, пьезомагнитных модулей, МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению как функций концентраций и параметров компонент. Рассмотрены композиты со связностью типа 3-0- и 0-3. Наибольшая величина МЭ коэффициента имеет место для свободного образца композита со связностью 3-0 при продольной ориентации магнитного и электрического полей. При этом максимум МЭ коэффициента по напряжению соответствует объемной доле сегнетоэлектрика 0.11, а максимум МЭ восприимчивости — 0,6. При поперечной ориентации магнитного и электрического полей МЭ эффект уменьшается в 2 - 3.5 раза по сравнению с продольной ориентацией. Установлено, что зажатие образца объемного феррит-пьезоэлектрического материала способствует уменьшению МЭ коэффициентов. Учет зажатия зерен композита со стороны окружающих ячеек позволил впервые адекватно описать МЭ эффект в объемных композитах
-
Построена теоретическая модель, позволяющая на основе точного решения и на основе формул Дебая описать максвелл-вагнеровскую релаксацию эффективных параметров слоистого феррит-пьезоэлектрического композита. Обнаружена гигантская максвелл-вагнеровская релаксация МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению в композиционном слоистом феррит-пьезоэлектрическом материале, которая для МЭ восприимчивости является нормальной, а для МЭ коэффициента по напряжению — обратной. Большая глубина релаксации обусловлена сильным различием электрических свойств компонент композита.
-
Построена теоретическая модель, позволяющая описать максвелл-вагнеровскую релаксацию эффективных параметров объемного феррит-пьезоэлектрического композита. В композиционном объемном феррит-пьезоэлектрическом материале обнаружена гигантская максвелл-вагнеровская релаксация МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению, которая для МЭ коэффициента по напряжению является обратной, а для МЭ восприимчивости может быть как нормальной, так и обратной. Показано, что глубину максвелл-вагнеровской релаксации МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению, а также время релаксации и релаксационную частоту МЭ восприимчивости композита можно в широких пределах изменять варьированием объемной доли компонент композита, а также путем изменения свойств компонент композита.
-
Показано, что максимальное значение статической МЭ восприимчивости слоистого композита состава феррит никеля - ЦТС составляет 0.94-1(Т8 с/м и превосходит значение этого параметра для известных материалов.
-
Построена теоретическая модель, позволяющая на основе точного решения и на основе формулы Лорентца для релаксационного осциллятора описать резонансную зависимость МЭ восприимчивости композиционного феррит-пьезоэлектрического материала в области электромеханического резонанса. Наибольшую величину МЭ восприимчивости в области резонанса упругих волн в плоскости образца слоистого композита можно получить при использовании образца в форме квадратной пластинки.
-
Построена феноменологическая теория, описывающая изменение спектра магнитного резонанса феррит-пьезоэлектрического композита во внешнем электрическом поле. Показано, что сильный МЭ эффект в диапазоне СВЧ наблюдается в композитах на основе магнитной фазы, которая имеет большую магнитострикцию и малую намагниченность насыщения. Для композита состава монокристаллический ЖИГ -монокристаллический PMN-PT обнаружен сдвиг частоты однородной прецессии намагниченности во внешнем постоянном электрическом поле, приблизительно на порядок превышающий ширину линии магнитного резонанса.
-
Построена теоретическая модель, позволяющая на основе точного решения описать влияние постоянного электрического поля на магнитную восприимчивость композиционного слоистого феррит-пьезоэлектрического материала. Обнаружена резонансная зависимость высокочастотной магнитной восприимчивости композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов от постоянного электрического поля, обусловленная изменением энергии магнитной анизотропии во внешнем электрическом поле.
-
Построена теоретическая модель, позволяющая на основе точного решения определить МЭ коэффициент по напряжению композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов в области магнитоакустического резонанса. Обнаружена резонансная зависимость МЭ коэффициента по напряжению композиционного слоистого феррит-пьезоэлектрического материала в области перекрытия линий механического и магнитного резонансов.
Практическая ценность работы.
1. Предложен метод наблюдения ферромагнитного резонанса во внешнем постоянном электрическом поле в материале, обладающем МЭ взаимодействием. Метод основан на эффекте изменения частоты
магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.
-
Наблюдаемая величина сдвига резонансного магнитного поля для слоистого композита состава монокристаллический ЖИГ — монокристаллический PMN-PT, равная 3200 А/м в постоянном электрическом поле 8 кВ/см при ширине линии ФМР 320 А/м позволяет рекомендовать композит указанного состава для создания электрически перестраиваемых устройств твердотельной электроники. Композит данного состава использован при изготовлении гиромагнитных резонаторов.
-
Построенные модели МЭ взаимодействия позволяют выбрать оптимальные объемные доли компонент композита для получения наибольшей величины МЭ параметров. Методики определения эффективных параметров композитов внедрены на предприятиях, специализирующихся в области разработок и серийного освоения устройств твердотельной электроники.
-
Построенные модели релаксационных явлений в композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах могут быть использованы при выборе частотных диапазонов, в которых МЭ параметры максимальны.
-
Построенные модели МЭ взаимодействия позволяют выбрать оптимальные объемные доли компонент композита и их параметры для получения наименьшей величины МЭ взаимодействия, если связь между магнитными и электрическими характеристиками нежелательна.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Магнитоэлектрический коэффициент по напряжению слоистого феррит-пьезоэлектрического материала имеет максимальное значение для поперечной ориентации магнитного и электрического полей, обеспечивающей уменьшение размагничивающих полей, при использовании компонент с большими пьезоэлектрическим и пьезомагнитным модулями.
-
Магнитоэлектрический эффект в двухфазных феррит-пьезоэлектрических смесях обусловлен взаимодействием фаз через упругие деформации, зависящие от механического зажатия зерен компонент.
-
Гигантская релаксация низкочастотной магнитоэлектрической восприимчивости и магнитоэлектрического коэффициента по напряжению композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов носит
дебаевский характер и обусловлена различием электрических свойств компонент композита.
-
Резонансная зависимость высокочастотной магнитной восприимчивости композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов от постоянного электрического поля обусловлена изменением энергии магнитной анизотропии во внешнем электрическом поле.
-
Использование слоистого композита состава монокристаллический ЖИГ — монокристаллический PMN-PT в качестве гиромагнитного резонатора позволяет реализовать электрическую перестройку резонансной частоты на величину, значительно превышающую ширину линии магнитного резонанса.
Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты работы, полученные в
диссертации, являются частью: НИР Министерства высшего и
профессионального образования «Исследование механизмов резонансного
магнитоэлектрического эффекта в материалах функциональной
электроники СВЧ» (1997-1999), НИР Министерства высшего и
профессионального образования «Поиск и исследование новых
сегнетомагнетиков в виде керамики и композиционных материалов» (1997-
2000), НИР Министерства образования «Исследования
магнитоэлектрических взаимодействий в композиционных материалах» (2000-2002), гранта "Университеты России" на тему «Исследование многослойных и объемных композиционных магнитоэлектрических материалов в широком диапазоне частот» (2002-2003), гранта по Программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на тему «Керамические многослойные материалы на основе ферритов и сегнетоэлектриков» (2002 2003), гранта по конкурсу 2002-2003 г.г. по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук «Исследование магнитоэлектрического эффекта в многослойных композиционных материалах».
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были представлены на: XV Всесоюзной научно-технической конференции по СВЧ ферритовой технике. Ленинград, 1990; Международной научно-технической конференции. «Актуальные проблемы фундаментальных наук», Москва, 1991; ГУ Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы получения и применения сегнето-, пьезо-, пироэлектрических и родственных им материалов», Москва, 1991; XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике, Москва, 1992; научно-технической конференции «Оксидные магнитные материалы, элементы,
устройства и применения», С.-Петербург 1992; II International conference
"Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-2), Ascona,
Switzerland 1993; International Symposium "Ferro- piezoelectric materials and
their application", Moscow, Russia 1994; I Объединенной конференции по
магнитоэлектронике, Москва, 1995; International conference. "New materials
and technology in electrical engineering", MATE-4'95, Lodz, Poland, 1995; 8
Всероссийской научно-технической конференции "Датчики и
преобразователи информации систем измерения, контроля и управления".
Нижний Новгород, 1996; III International conference "Magnetoelectric
Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-3). Novgorod, Russia, 1996; 2
Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства
измерений физических величин". Нижний Новгород, 1997; 4
Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы
твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 1997; 3
Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства
измерений физических величин", Нижний Новгород, 1998;
Международной научной сессии, посвященной. Дню Радио, Москва, 1999; XX Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» Воронеж, 1999; IV International conference "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-4). Novgorod, 2001; Annual APS March Meeting 2002, Indianapolis, USA; Четвертой Всероссийской научной internet-конференции "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках" (КММ-4), Тамбов, 2002; IV Международная научно-технической конференции «Электроника и информатика», Зеленоград, 2002; Международной конференции по физике электронных материалов (ФИЭМ'02), Калуга, 2002; Annual APS March Meeting 2003, Austin, USA; V International conference "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-5). Sudak, Ukraine, 2003; Annual APS March Meeting 2004, Montreal, Canada.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 57 работ, из них в ведущих отечественных и зарубежных изданиях 27.
Личный вклад автора диссертационной работы заключается в том, что им были поставлены основные цели и задачи, выработаны методы исследований композиционных материалов, предложены теоретические модели и получены основные научные результаты. Во всех опубликованных в соавторстве работах в части, касающейся моделирования, расчетов и анализа экспериментальных результатов, участие автора было определяющим. Обобщение результатов также выполнено автором.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации 186 страниц, в
том числе 69 рисунков и 4 таблицы. Список литературы состоит из 128 названий.
