CC BY
11 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
/V И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
ч BASIC PROBLEMS OF ENERGY
I I д AND RENEWABLE ENERGY
Статья поступила в редакцию 19.06.13. Ред. рег. № 1693
The article has entered in publishing office 19.06.13. Ed. reg. No. 1693
УДК: 537.633.9
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТАХ
Feo,45Coo,45Zro,i-Pb(Zro,53Tio,47)O3-Feo,45Coo,45Zro,i
Е.С. Григорьев, Ю.Е. Калинин
Воронежский государственный технический университет Московский проспект 14, Воронеж 394026, Россия Тел.: (473) 246-66-47; факс: (473) 246-32-77; e-mail: grigoryev_eu@mail.ru
Заключение совета рецензентов 21.06.13 Заключение совета экспертов 24.06.13 Принято к публикации 26.06.13
Изучен прямой магнитоэлектрический (МЭ) эффект в трёхслойных композитах Fe0,45Co0,45Zr0,1 - Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 -Fe0,45Co0,45Zr0,1. Установлены зависимости поперечного МЭ коэффициента по напряжению а31 от частоты переменного магнитного поля и толщины магнитострикционных слоёв Fe0,45Co0,45Zr0,1.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрический композит, аморфный ферромагнетик, пьезоэлектрик.
MAGNETOELECTRIC EFFECT IN LAYERED COMPOSITES
Feo.45Coo.45Zro.i - Pb(Zro.53Tio.47)O3 - Feo.45Coo.45Zro.i
E.S. Grigorjev, Yu.E. Kalinin
Voronezh State Technical University Moskovskiy Prospect 14, Voronezh 394026, Russia Phone: (473) 246-66-47; fax: (473) 246-32-77; e-mail: grigoryev_eu@mail.ru
Referred 21.06.13 Expertise 24.06.13 Accepted 26.06.13
Direct magneto-electric (ME) effect in three-layered composites Fe0 45Co045Zr01 - Pb(Zr0 53Ti047)O3 - Fe045Co0 45Zr01 has been studied. Dependences of the transverse ME voltage coefficient a31 on the frequency of an alternating magnetic field and magneto-strictive layer thickness Fe045Co0 45Zr01 have been established.
Keywords: magneto-electric effect, magneto-electric composite, amorphous ferromagnetic, piezoelectric.
а. Сведения об авторе: аспирант Воронежского государственного технического
университета по специальности «Физика конденсированного состояния». Область научных интересов: магнитные и магнитоэлектрические свойства композитов ферромагнетик - пьезоэлектрик. Публикации: 5 статей в реферируемых научных журналах.
Евгений Сергеевич Григорьев
Юрий Егорович Калинин
Сведения об авторе: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика твёрдого тела» Воронежского государственного технического университета.
Область научных интересов: электрические, магнитные, магниторезистивные свойства гранулированных нанокомпозитов ферромагнетик-диэлектрик; релаксационные явления в аморфных металлических сплавах; чувствительность к водороду тонких плёнок на основе оксидов металлов; разработка датчика водорода. Публикации: более 250 статей.
Введение
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект в композитах с магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентами обусловлен механическим взаимодействием составляющих фаз. Механические напряжения, возникающие в магнитострикционной компоненте при помещении композита в магнитное поле, вызывают электрическую поляризацию пьезоэлектрической фазы, а в пьезоэлектрической компоненте при помещении композита в электрическое поле -макроскопическое намагничивание.
Вначале МЭ эффект был открыт и исследован в однофазных материалах, или сегнетомагнетиках [14], но ввиду малости эффекта результаты исследований не получили широкого практического применения. В последние десятилетия, благодаря исследованиям этого эффекта в МЭ композитах, где его величина превышает прежние значения на порядки, появилась реальная возможность его практического применения в технике (датчики магнитных полей, трансформаторы напряжения, устройства, использующие магнитоэлектрическую память) [5], что стимулировало новый интерес к его исследованию [6].
К настоящему времени уже разработано много объёмных магнитоэлектрических композитов с различными компонентами фаз, составляющих композит [6, 7]. Однако двух- и трёхслойные структуры из магнитострикционных и пьезоэлектрических компонентов имеют
преимущества перед объёмными композитами, поскольку позволяют снизить токи утечки вследствие высокого электрического сопротивления пьезоэлектрика, и такие структуры легче поляризовать.
Целью данной работы было выявление закономерностей проявления прямого МЭ эффекта в трёхслойных композитах аморфный ферромагнетик Ре0,45Со0,452г0Л - пьезоэлектрик РЬ(2г053Т1047)О3 -аморфный ферромагнетик Бе0,45Со0,452г0,1 (далее БС2 - Р2Т - БС2). Кроме чисто фундаментального интереса, исследуемые структуры обладают уникальным поведением МЭ связи, которое даёт возможность создавать управляемые
микроструктурой магнитоэлектрические эффекты и развивать тенденцию к миниатюризации магнитоэлектрических электронных устройств. В отличие от объёмных композитов, МЭ связь в плёночном композите в значительной мере зависит от состояния подложки, толщины плёнки, связности фаз, и в них отсутствует прослойка клея, соединяющая слои [8, 9].
При МЭ измерениях напряжение определяется как где q=dX/dH= - пьезомагнитный
коэффициент, X - магнитострикция ферромагнитной составляющей композита, Н= - напряжённость постоянного магнитного поля, d -
пьезоэлектрический коэффициент. Эффективность МЭ преобразования определяется
магнитоэлектрическим коэффициентом по напряжению
где Ь - толщина пьезоэлектрического слоя композита, Н~ - напряжённость переменного магнитного поля.
В качестве пьезоэлектрического слоя была взята хорошо изученная пьезокерамика - цирконат-титанат свинца РЬ(2г053Т1047)О3, обладающая достаточно высоким пьезоэлектрическим модулем d~150 пКл/Н. В качестве магнитного слоя был выбран сплав Ре0 45Со0 452г01, обладающий сравнительно большим значением магнитострикции Х3~37-10-6 [10].
Пьезоэлектрический слой был получен по стандартной керамической технологии, а ферромагнитные слои - ионно-лучевым распылением сплавной мишени соответствующего состава [11].
Методика измерений и образцы
Исследуемые образцы (Ре0 45Со0452г01 -РЬ(2г053Т1047)О3 - Ре0,45Со0 452г01), представляли собой трёхслойную структуру БС2 - Р2Т - БС2, полученную следующим образом. Основу композитов составляла подложка, изготовленная по стандартной керамической технологии [12] из пьезоэлектрика Р2Т, размерами (8*6*0,3) мм3. Пьезокерамическая основа для композитов была получена и заполяризована в промышленных условиях.
Рентгеноструктурный анализ, выполненный на установке ДРОН-3 с использованием РеКа-излучения и N1 фильтра, подтвердил наличие в полученных образцах только одной фазы Р2Т со структурой перовскита (рис. 1).
На большие грани полированной и поляризованной подложки методом ионно-лучевого распыления [13] наносились плёнки ферромагнитного материала БС2 толщиной а=(10-45) мкм, которые, вследствие малого электрического сопротивления (~0,8 Ом), являлись одновременно и электродами для полученного образца. Для улучшения адгезии напыляемой плёнки к пьезокерамической подложке с керамики в цикле ионной очистки полностью снимался слой серебра, служивший в качестве электродов при её поляризации. Для устранения закороток между слоями ферромагнитных фаз, после получения образцов с торцов структуры механическим способом снимался слой ферромагнетика БС2.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
После напыления осаждаемые на пьезокерамику плёнки БС2 имели аморфную структуру, о чём свидетельствует рентгеноструктурный анализ, проведённый на установке Б2-РИа8ег (рис. 2). Толщина плёнки БС2 контролировалась с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4.
Прямой МЭ эффект измерялся методом квазистатического перемагничивания при комнатной температуре по методике [14]. Образцы помещали в постоянное смещающее Н= и измерительное переменное Н~ магнитные поля и регистрировали генерируемое пьезокерамическим слоем переменное напряжение и. Магнитоэлектрический коэффициент по напряжению рассчитывали по формуле (1).
Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма пьезоэлектрика PZT Fig. 1. X-ray diffraction pattern of piezoelectric PZT
поперечного МЭ эффекта обусловлен тем, что для композитов аморфный ферромагнетик-
пьезоэлектрик БС2 - Р2Т - БС2 величина МЭ эффекта при Н= ± Р превосходит величину МЭ эффекта при Н= 11Р (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость МЭ коэффициента по напряжению aE от угла 5 между направлением поляризации в пьезокерамической пластине и приложенным магнитным полем для композита FCZ - PZT - FCZ (а=10 мкм) на резонансной частоте 185 кГц Fig. 3. Dependence of ME voltage coefficient aE on angle 5 between polarization direction in piezoelectric plate and applied magnetic field for FCZ - PZT - FCZ composite (а=10 |jm) at resonant frequency 185 kHz
На рис. 4 приведена частотная зависимость поперечного МЭ коэффициента по напряжению для трёхслойного композита с толщиной слоёв пьезокерамики 300 мкм и ферромагнетика а=45 мкм каждый. Аналогичные зависимости были получены и для других композитов с а=10, 20, 30 и 40 мкм.
29. град.
Рис. 2. Рентгеновская дифрактрограмма плёнки FCZ Fig. 2. X-ray diffraction pattern of FCZ film
Результаты и обсуждение
В данной работе был исследован поперечный МЭ эффект, при котором Н= и Н~ направлены перпендикулярно вектору поляризации P в слое PZT. При этом слой PZT был поляризован по толщине, а слой FCZ был намагничен по длине. Выбор
Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента а31 для 3-слойной структуры FCZ - PZT - FCZ (а=45 мкм) при напряжённостях магнитных полей Н~=5 Э и Н==70 Э Fig. 4. Frequency dependence of coefficient a31 for three-layered FCZ - PZT - FCZ structure (а=45 |jm) at magnetic intensities Н~=5 Oe and Н==70 Oe
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Из рис. 4 видно, что поперечный МЭ коэффициент по напряжению в диапазоне частот (40360) кГц имеет 3 пика, соответствующие частотам электромеханических резонансов трёхслойной структуры.
Анализируя частотные зависимости а31 для композитов с разными значениями а было установлено, что при увеличении толщины магнитной составляющей композитов резонансные пики 12 1 сдвигаются по шкале частот (рис. 5). Для того чтобы выяснить природу возникновения резонансных пиков были рассчитаны собственные частоты колебаний образцов в форме параллелепипеда.
Частоты продольных резонансных колебаний по длине, ширине и толщине рассчитывались по формуле [14]:
fp
p (прод.)
n
~2L
1
p-s
(2)
* f.
Рис. 5. Экспериментальная зависимость частот резонансных колебаний f-i, f2, f3 от толщины слоя FCZ Fig. 5. Experimental dependence of resonant frequencies f^ f2, f3 on FCZ layer thickness
где п - номер гармоники, Ь - длина/ширина/толщина образца, р=Утрт+УрРр - средняя плотность композитной структуры, з=5т5р/(ур5т+ут5р) - средняя упругая податливость композита, V - объёмная доля составляющей композит компоненты, индексы «т» и «р» обозначают магнитную и пьезоэлектрическую фазы, соответственно.
Частоты изгибных колебаний по длине и ширине определялись по формуле [15]:
fp
1
p (шг.)
з-p(1 -ц) -s
■■A,
(3)
где И - толщина/ширина образца, Ь - длина композита, ц - коэффициент Пуассона для пьезоэлектрической фазы, А=(т-0,5)2 -коэффициент, зависящий от числа узлов т гармоники п (т=2 при п=1; т=3 при п=2; т=4 при п=3).
Для расчёта резонансных частот в (2) и (3) были использованы следующие параметры
ферромагнитного и пьезоэлектрического материалов: 8т=8,3 10-12 м2/Н [16]; 8р=15,3 10-12 м2/Н [17]; рт=8030 кг/м3; рр=7100 кг/м3.
В результате сопоставления экспериментальных данных с теоретическими расчётами был сделан вывод о принадлежности частот 11, 1"2, 1 к определённым типам колебаний. Значения соответствовали изгибным колебаниям по длине для третьей гармоники, значения 1 - продольным колебаниям по длине образца для первой гармоники, значения 1 - продольным колебаниям по ширине для первой гармоники.
С ростом толщины ферромагнитной плёнки изменяются величины не только частот резонансов, но и значения поперечных МЭ коэффициентов по напряжению (рис. 6).
30 -
D
i 50 -О
й ю-а" зо 20 10 -о
Рис. 6. Зависимость МЭ коэффициента по напряжению а31
от а на частотах резонансов f!, f2 и f3 Fig. 6. Dependence of ME voltage coefficient a31 on parameter «a» at resonant frequencies f^ f2, f3
Из рис. 6 видно, что при увеличении толщины плёнки FCZ от 10 до 45 мкм наблюдается рост коэффициента прямого МЭ преобразования. Данный рост можно объяснить тем, что a31 имеет максимальное значение при определённом соотношении толщин магнитострикционного и пьезоэлектрического слоёв. Максимум прямого МЭ преобразования достигается [18], когда толщина магнетика и пьезоэлектрика в первом приближении связаны соотношением
*■ 1-1 = С11.
(4)
где Ь - толщина пьезоэлектрического слоя (300 мкм), 1т - толщина ферромагнитного слоя.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Подставляя параметры композитов в формулу (4), получим, что максимум коэффициента а31 будет наблюдаться при толщине слоя ферромагнетика С=224 мкм. Следовательно, при дальнейшем увеличении толщины БС2 можно добиться максимального значения коэффициента а31
Заключение
Экспериментально исследованы характеристики прямого МЭ эффекта при комнатной температуре в трёхслойной структуре Бе0,45Со0,452г0,1 -РЬ(2г0,53Т10,47)О3 - Ре0,45Со0^г0,1 (гсг - РСТ ' - РСг) в диапазоне частот (40-360) кГц. На частотных зависимостях МЭ коэффициента по напряжению установлено наличие трёх пиков, которые связываются с резонансными колебаниями образцов. Первый пик (~170 кГц) связывается с изгибными колебаниям по длине образца для третьей гармоники, второй пик (~245 кГц) - с продольными колебаниями по длине для первой гармоники, третий пик (~270 кГц) - с продольными колебаниями по ширине для первой гармоники. Экспериментально исследовано влияние толщины ферромагнитных слоёв на величину прямого магнитоэлектрического эффекта при комнатной температуре в трёхслойной структуре БС2 - Р2Т - БС2. Показано, что с ростом толщины слоёв магнитной составляющей от 10 до 45 мкм в композитах наблюдается увеличение МЭ взаимодействия.
Список литературы
1. Томашпольский Ю.Я., Веневцев Ю.Н., Жданов Г. С. К вопросу о взаимосвязи особых диэлектрических и магнитных свойств в «сегнетомагнетиках» // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1964. Т. 46, № 5. С. 19211923.
2. Астров Д.Н. О магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1960. Т. 38, № 3. С. 984-985.
3. Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1961. Т. 40, № 4. С. 10351041.
4. Альшин Б.И., Астров Д.Н. О магнитоэлектрическом эффекте в окиси титана Т12О3 // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1963. Т. 44, № 4. С. 1195-1198.
5. Калгин А.В., Григорьев Е.С., Граби З.Х. Магнитоэлектрический эффект: история, современное состояние исследований и перспективы
применения // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 3, Ч. 2. С. 49-63.
6. Fiebig M. Revival of the magnetoelectric effect // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 123-152.
7. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. № 6. С. 593620.
8. Wan J.-g., Weng Y., Wu Y., Li Zh., Liu J.-m., Wang G. Controllable phase connectivity and magnetoelectric coupling behavior in CoFe2O4 - Pb(Zr, Ti)O3 nanostructured films // Nanotechnology. 2007. Vol. 18. P. 465708-465712.
9. Zavaliche F., Zheng H., Mohaddes-Ardabili L., Yang S. Y., Zhan Q., Shafer P., Reilly E., Chopdekar R., Jia Y., Wright P., Schlom D. G., Suzuki Y., Ramesh R. Electric Field-Induced Magnetization Switching in Epitaxial Columnar Nanostructures // Nano Letters. 2005. Vol. 5. № 9. P. 1793-1796.
10. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж: ВГУ, 2000.
11. Гриднев С. А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О. В. Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2012.
12. Окадзаки К. Технология керамических материалов. М.: Энергия, 1976.
13. Калинин Ю.Е., Ситнитков А.В., Стогней О.В. Физические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик с аморфной структурой // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 10. С. 9-21.
14. Wan J.G., Li Z.Y., Wang Y., Zeng M., Wang G.H., Liu J.M. Strong flexural resonant magnetoelectric effect in terfenol - D/epoxy - Pb(Zr, Ti)O3 bilayer // Appl. Phys. Letters. 2005. Vol. 86. P. 202504.
15. Муртазин Р. О низкочастотных пьезо-механических фильтрах // Компоненты и технологии. 2009. № 11. С. 24-26.
16. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. О высокотемпературном фоне внутреннего трения в кристаллических и аморфных твердых телах // Физика твердого тела. 1995. Т. 37. № 2. С. 536-545.
17. Yang L., Tang J., Wang W., Luo X., Zhang N. The Effect of Magnetic Field-Tuned Resonance on the Capacitance of Laminate Composites // Journal of Sensor Technology. 2011. Vol. 1. Р. 81-85.
18. Филиппов Д.А., Лалетин В.М., Galichyan T.A. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 9. С. 17281733.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
