CC BY
17
УДК 537.9
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ БЕССВИНЦОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БИМОРФНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО СЛОЯ
В.М.Петров, М.И.Бичурин, Д.В.Коваленко, О.И.Малышев
MAGNETOELECTRIC EFFECT IN LAMINATES OF LEAD-FREE PIEZOELECTRIC BIMORPH
AND MAGNETOSTRICTIVE MATERIAL
V.M.Petrov, M.LBichurin, D.V.Kovalenko, O.I.Malyshev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассматривается магнитоэлектрический эффект в области толщинно-сдвиговой моды в слоистой структуре на основе магнитострикционной компоненты и бессвинцового пьезоэлектрического биморфного преобразователя. Численные оценки согласно предложенной теоретической модели магнитоэлектрического эффекта в структуре состава железо-иттриевый гранат — 2 слоя лангатата показывают, что значение МЭ коэффициента по напряжению для образца состава железо-иттриевый гранат-биморфный пьезоэлектрический преобразователь значительно больше, чем для образца железо-иттриевый гранат-лангатат.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитострикционно-пьезоэлектрическая структура, толщинно-сдвиговая мода, электромеханический резонанс, биморфный пьезоэлектрический преобразователь
This manuscript discusses magnetoelectric coupling at thickness shear mode in a laminate of magnetostrictive component and lead-free piezoelectric bimorph. The numerical estimates of magnetoelectric coefficient according to obtained model show that magnetoelectric coupling in laminate of yttrium iron garnet and langatate bimorph is substantially stronger compared to bilayer of yttrium iron garnet and langatate.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetostrictive-piezoelectric structure, thickness shear mode, electromechanical resonance, piezoelectric bimorph
Введение
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект в композиционных материалах можно рассматривать как результат взаимодействия пьезоэлектрических и пьезо-магнитных свойств [1,2]. Механизм МЭ эффекта состоит в следующем: пьезомагнитный материал деформируется при приложении внешнего магнитного поля. Эта деформация приводит к возникновению механических напряжений в пьезоэлектрической компоненте, а следовательно, и к электрической поляризации, появляющейся вследствие пьезоэлектрического эффекта. Очевидно, возможен и обратный эффект. Внешнее электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрической компоненты, приводящую к возникновению механических напряжений в пьезомагнитной компоненте. Пьезомагнитная компонента намагничивается благодаря пьезомагнитному эффекту. Таким образом, композиционный материал характеризуется новым свойством — магнитоэлектрическим эффектом, заключающимся в возникновении электрической поляризации во внешнем магнитном поле и в намагничивании во внешнем электрическом поле. Целью данной работы является изучение особенностей МЭ эффекта в области сдвиговой моды в слоистой структуре на основе магнитострикционно-го слоя и биморфного пьезоэлектрического преобразователя.
1. Магнитоэлектрические композиты
Магнитоэлектрические мультиферроики становятся намагниченными при помещении в электри-
ческое поле и, наоборот, электрически поляризованы при размещении в магнитном поле.
Диэлектрическая поляризация материала под магнитным полем или индуцированная намагниченность под электрическим полем требует одновременного присутствия дальнего порядка магнитных моментов и электрических диполей. Эти материалы обеспечивают потенциал для новых поколений датчиков, фильтров и полевых приборов, перестраиваемые микроволновые диэлектрические устройства [2].
Подходящая комбинация двух фаз может приводить к магнитоэлектрическим свойствам, таким как комбинации пьезомагнитных и пьезоэлектрических фаз или комбинации магнитострикционных и пьезоэлектрических фаз, что вызовет МЭ эффект. МЭ эффект, полученный в композитах, более чем в сто раз больше, чем у однофазного МЭ-материала, такого как Сг203 [1]. Впервые МЭ композиты были получены методом направленной кристаллизации эвтектической композиции Fe-Co-Ti-Ba-O. Направленная кристаллизация способствует образованию чередующихся слоев магнитной шпинели и пьезоэлектрического перовскита. Процесс направленной кристаллизации требует тщательного контроля состава, особенно когда один из компонентов (кислород) — газ. Исследование полученных таким образом композитов показало, что избыток ТЮ2 (1,5% по весу) позволяет получить большое значение МЭ коэффициента по напряжению ^ = dE/dH = 62,8 мВ/А. Большой МЭ коэффициент по напряжению аЕ = 163,4 мВ/А обнаружен в эвтектической композиции ВаТЮ3 - СоFе2О4, полученной методом направленной кристаллизации. Это
значение почти на порядок выше, чем МЭ коэффициент по напряжению для монокристаллического Сг2О3, для которого аЕ = 25 мВ/А.
При воздействии на пьезоэлектрическую компоненту внешнего электрического поля наблюдается сдвиг линии ФМР ферритовой компоненты. Аналогичный эффект имеет место в объемном феррит-пьезоэлектрическом композиционном материале.
Большинство известных магнитоупорядочен-ных материалов обладают магнитострикцией. Однако пьезомагнитный эффект в этих материалах не наблюдается. Это означает, что деформация материала, обусловленная внешним магнитным полем, зависит от величины поля не линейно, а квадратично. По этой причине МЭ эффект в композиционных материалах является нелинейным эффектом, в то время как МЭ эффект в монокристаллических материалах линеен в широком диапазоне значений электрического и магнитного полей. Это затрудняет использование композитов в линейных устройствах. Линеаризовать МЭ свойства композиционных материалов можно приложением к материалу подмагничивающего поля. В этом случае в интервале магнитных полей, малых по сравнению с подмагничивающим полем, МЭ эффект будет близок к линейному.
Пьезоэлектрические материалы — вещества с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, а также поликристаллические твердые растворы после поляризации в электрическом поле.
Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем. Если его поместить в переменное электрическое поле, то амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного поля. При совпадении частоты поля с собственной частотой пьезоэлектрика амплитуда приобретает максимальное значение. Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука и др.) Обратный пьезоэффект используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.)
Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических материалов являются коэффициент электромеханической связи, пропорциональный пьезомодулю и модулю упругости, диэлектрическая величина, определяющая кпд преобразователя, отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряженности электрического поля в нем, которая определяет чувствительность приемника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах. К пьезоэлектрическим материалам в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.
В настоящее время известно свыше тысячи соединений, обладающих пьезоэффектом. Однако на практике в качестве пьезоэлектриков используют ограниченное число материалов, которые подразделяют
на монокристаллические пьезоэлектрики, пьезокера-мику, и полимерные пьезоэлементы.
Среди монокристаллических пьезоэлектриков важное место занимает монокристаллический кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки — сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Из линейных пье-зоэлектриков, помимо кварца, в различных устройствах применялись кристаллы тартрата калия (К2С4Н4061/2Н20), этилендиаминтартрата (С2Н14М206), сульфата лития (Ы^04.Н20), турмалина и дигидро-фосфата аммония (КН4Н2Р04). Широко используют в различных преобразователях монокристаллы сегне-товой соли, ниобата и танталата лития, которые имеют более высокие, чем кварц, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи. Наиболее распространенным промышленным пьезоэлектрическим материалом является пьезоэлектрическая керамика.
Пьезоэффект наблюдается у некоторых полимерных материалов в виде пленок, текстурированных путем вытяжки и поляризованных в постоянном электрическом поле, например, в пленках поливини-лиденфторида (ПВДФ). Такие пленки после вытяжки и поляризации в сильном электрическом поле приобретают пьезоэффект и имеют близкие по своим значениям к пьезокерамике пьезомодули и коэффициент электромеханической связи. Относительно низкая плотность и высокая гибкость пленок делает полимеры перспективным материалом в производстве пьезоэлектрических преобразователей.
Свинец недавно был исключен из многих сфер применения и материалов в связи с токсичностью. Керамика на основе цирконата — титаната свинца (ЦТС) является пьезоэлектрическим материалом с высокими показателями, поэтому широко применяется в сенсорах и других электронных устройствах, но содержит более 60% свинца. Несмотря на то, что было сделано множество попыток найти бессвинцовую пьезоэлектрическую керамику, до недавних пор аналога ЦТС найдено не было. Однако недавно была получена бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика с пьезомоду-лями, сравнимыми с ЦТС. Такие высокие показатели достигнуты в перовските {(Ко.5№а5)1-хЫх}(№1-уТау)03. Значения пьезоэлектрических констант в этой керамике d33 более 300 пКл/Н. Материалы с у = 0 уже демонстрируют очень высокие значения d33, что указывает на связь увеличения пьезоэлектрической отдачи с допированием Li. Особый интерес представляет соединение Ко,5№0,5№03 (КК№). Свойства материала могут легко быть изменены допированием материала в тетрагональных или октаэдрических позициях.
В данной работе рассматривается прямой МЭ эффект в области сдвиговой моды [3] в слоистой структуре на основе магнитострикционного слоя и биморф-ного пьезоэлектрического преобразователя. В качестве магнитострикционной фазы используется железо-иттриевый гранат (ЖИГ), а качестве пьезоэлектрической фазы — 7-срез бессвинцового монокристаллического лангатата. Выбор ЖИГ связан с тем, что этот материал имеет низкие потери в однодоменном состоя-
нии, что является важным для получения сильного МЭ эффекта в диапазоне СВЧ. Лангатат имеет небольшой пьезоэлектрический модуль и при этом малое значение относительной диэлектрической проницаемости. Поскольку прямой МЭ эффект определяется отношением пьезоэлектрического модуля к диэлектрической проницаемости, использование лангатата дает в результате высокое значение МЭ коэффициентов. Кроме того, использование 7-среза кристалла позволяет получить реакцию только на сдвиговые деформации. Для используемых образцов ось X кристалла лангатата параллельна оси [100] феррита. Подмагничивающее поле параллельно оси [110] феррита и перпендикулярно плоскости образца. При этом переменное магнитное поле, приложенное в плоскости образца, приводит к возбуждению толщинно-сдвиговых колебаний. Механические колебания МЭ композита могут быть возбуждены либо переменным магнитным, либо электрическим полем. Уравнение сдвиговых по толщине колебаний пьезоэлектрического слоя имеет вид
д2щ _ дTp5
Р i
dt2
5z
где ^ — компонента смещения, р p — плотность пьезоэлектрика, Рр — плотность, рТу — компонента
тензора механических напряжений.
Аналогичное уравнение следует записать для второго пьезоэлектрического слоя, а также магнитного слоя. Для решения указанных уравнений необходимо использовать граничные условия на границах раздела слоев для компонент смещений и напряжений, соответствующих рассматриваемой структуре. Подстановка найденных решений в условие разомкнутой электрической цепи позволяет получить выражение для МЭ коэффициента по напряжению.
8-
<< и
к 4 -
2-
I
I
Л |1
II II II II II I I I I I I / \
2
—I-Г-^—
4
Частота (МГц)
Частотная зависимость МЭ коэффициента по напряжению для слоистых структур состава: 1 — ЖИГ-лангатат, 2 — ЖИГ-биморфный пьезоэлектрический преобразователь на основе лангатата
Для получения численных оценок МЭ коэффициента использовалась простая одномерная модель. Для этого используемые образцы должны иметь форму длинной узкой пластинки длиной L, шириной Ь и толщиной t, при этом ось X направлена вдоль длины образца, а ось Y — вдоль толщины. При указанных предположениях отличной от нуля является только одна компонента напряжения вдоль оси X. При нахождении оценок МЭ коэффициента учитывалось, что компоненты деформаций и механических напряжений связаны между собой согласно обобщенному закону Гука. Расчет проведен для образцов с толщиной слоя ЖИГ 0,27 мм и толщиной слоя лангатата 0,4 мм. Результаты расчета МЭ коэффициента по напряжению приведены на рисунке.
Из данных на рис.1 следует, что на второй резонансной частоте наблюдается значительное увеличение (более чем в 10 раз) МЭ коэффициента для образца состава ЖИГ-биморфный пьезоэлектрический преобразователь по сравнению с образцом ЖИГ-лангатат.
Заключение
В работе представлена теоретическая модель МЭ эффекта в области толщинно-сдвиговой моды в слоистой структуре на основе магнитострикционно-го слоя и биморфного пьезоэлектрического преобразователя. Модель применена для оценки МЭ коэффициента по напряжению для структуры состава ЖИГ - бессвинцовый пьезоэлектрик лангатат. На второй резонансной частоте получено значительное увеличение МЭ коэффициента по напряжению для образца состава ЖИГ-биморфный пьезоэлектрический преобразователь по сравнению с образцом ЖИГ-лангатат.
Полученные результаты могут быть использованы при изучении сильного МЭ эффекта в области наложения электромеханического и магнитного резонансов. Указанные типы резонансных явлений представляют интерес при исследовании энергетического обмена между спиновыми волнами и фоно-нами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №16-1210158).
Freeman A.J., Schmid H., eds. Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals. London, New Jersy, Paris, Gordon and Breach, 1975. 228 p.
Bichurin M.I., Petrov V.M. Modeling of Magnetoelectric Effects in Composites / Springer Series in Materials Science 201, 2014. 108 p.
Bichurin M.I., Petrov R.V., Petrov V.M. Magnetoelectric effect at thickness shear mode in ferrite-piezoelectric bilayer. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, p. 092902.
6
0
3
5
6
7
2
3
