CC BY
74
УДК 621.389
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИММЕТРИЧНЫХ И АСИММЕТРИЧНЫХ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Р.В.Петров, В.С.Леонтьев
COMPARISON OF THE CHARACTERISTICS OF SYMMETRIC AND ASYMMETRIC MAGNETOELECTRIC STRUCTURES
R.V.Petrov, V.S.Leont'ev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Roman.Petrov@novsu.ru
Приведены результаты исследований симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур. Исследованы характеристики этих структур в области низких частот и в области электромеханического резонанса. Исследовались магнитоэлектрические элементы, состоящие из пьезоэлектрика ЦТС-19 с размерами 10x5x1 мм и обкладок метгласа соответствующего размера. Проведено сравнение выходных характеристик симметричных и асимметричных структур. Было выяснено, что асимметричные магнитоэлектрические структуры обладают более высоким магнитоэлектрическим эффектом по сравнению с симметричными магнитоэлектрическими структурами, на низких частотах и в области электромеханического резонанса. Магнитоэлектрический коэффициент в симметричных структурах достигал значения 0,9 В/(смЭ) в области низких частот и 16,94 В/(см Э) в области резонанса. В асимметричных структурах значение магнитоэлектрического коэффициента достигало величины 1 В/(см-Э) в области низких частот и 18,47 В/(см-Э) в области резонанса.
Ключевые слова: симметричная магнитоэлектрическая структура, асимметричная магнитоэлектрическая структура, изгибные деформации
This paper presents the research results on symmetric and asymmetric magnetoelectric structures. We investigated the characteristics of these structures in low frequencies region and in electromechanical resonance region. Magnetoelectric elements consisting of the piezoelectric PZT with dimensions of 10x5x1 mm and of appropriately sized Metglas plates were under investigation. We carried out a comparison of the output characteristics of symmetric and asymmetric structures. It is found that asymmetric magnetoelectric structures have higher magnetoelectric effect at low frequencies and at electromechanical resonance frequency compared with symmetric electromagnetic structures. Magnetoelectric coefficient in symmetric structures has reached the value of 0.9 V/(cmOe) at low frequencies and of 16.94 V/(cmOe) in the resonance region. In asymmetric structures it has reached the value of 1 V/(cm-Oe) at low frequencies and of 18.74 V/(cm-Oe) in the resonance region. Keywords: symmetric magnetoelectric structure, asymmetric magnetoelectric structure, bending deformation
Введение
В настоящее время большое внимание как за рубежом, так и в России уделяется исследованию физических свойств материалов, характеризующихся несколькими типами упорядочения (сегнетоэлектрическим, ферромагнитным, упругим и т.п.), т.е. мультиферроиков [1-4]. Это обусловлено возможностью использования мультиферроиков для создания многофункциональных электронных устройств. Взаимодействие между различными параметрами упорядочений в мультиферроиках может приводить к новым эффектам, например, к магнитоэлектрическому (МЭ) эффекту. Композиционные МЭ мультиферроики, содержащие пьезоэлектрическую и магнитострикционную фазу, обладают гигантским МЭ эффектом при комнатной температуре по сравнению с однофазными МЭ материалами, что делает их перспективными для технических применений. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как результат взаимодействия магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз компонентов. Электрическая поляризация индуцируется внешним переменным магнитным полем в присутствии подмагничивающего поля, или индуцированная намагниченность появляется при приложении электрического поля. Количественно МЭ эффект характеризуется МЭ коэффициентом по напряжению аЕ, равным отношению индуцированного переменного электрического поля к приложенному магнитному переменному полю в условиях разомкнутой электриче-
ской цепи. Величина коэффициента определяется геометрией, магнитными, диэлектрическими и механическими параметрами составляющих ее компонентов и частотой магнитного поля [5-7].
Целью настоящей статьи является сравнение характеристик симметричных и асимметричных МЭ структур.
Исследование симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур
Измерения проводились на измерительном стенде (рис.1), включающем в себя источник питания Hameg НМР404, генератор сигналов Hameg НМР2550, постоянный магнит, катушку индуктивности, осциллограф Hameg НМ0722 и магнитометр.
Рис.1. Структурная схема измерительного стенда
Рис.2. Конструкции магнитоэлектрических элементов: а — симметричная структура 3-3; б — асимметричная структура 3-2; в — асимметричная структура 2-1; г — симметричная структура 1 -1. Стрелками указано направление постоянного и переменного магнитных полей и направление поляризации. 1 — пьезоэлектрик ЦТС-19, 2 — обкладки метгласа
С целью калибровки магнитного поля были проведены измерения на основе катушки индуктивности. Величина постоянного магнитного поля при токе через катушку индуктивности 3 А составляла 19,25 Э, величина переменного магнитного поля в катушке индуктивности при питании от генератора на частоте 310 Гц составляла 3 Э.
Теоретическое моделирование симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур подробно рассмотрено в [7]. В данной работе исследовались МЭ элементы, состоящие из пьезоэлектрика ЦТС-19 с размерами 10x5x1 мм и обкладок метгласа переменной толщины. Введем обозначение МЭ элементов х-у, где х — количество слоев метгласа в нижней обкладке, а у — количество слоев метгласа в верхней обкладке МЭ элемента. Конструкции симметричных и асимметричных МЭ элементов приведены на рис.2.
Рассмотрим симметричные структуры на низких частотах. Исследовались магнитоэлектрические элементы со структурами 1-1, 2-2 и 3-3.
Из представленного на рис.3 графика видно, что МЭ элемент со структурой 3-3 обладает самым большим МЭ эффектом (0,9 В/(см-Э)) и самым продолжительным линейным участком, что может быть использовано для разработки таких устройств, как датчик тока, магнитометр и т.д. Однако на начальных участках структура 1-1 имеет более высокий МЭ эффект и область насыщения наблюдается при 1600 мА, выходное напряжение при этом составляет 196 мВ. Область насыщения для МЭ элемента со структурой 2-2 наблюдается при 2000 мА, выходное напряжение при этом составляет 258 мВ.
На рис.4 представлена резонансная зависимость, которая показывает, что частота резонанса в
300
о Г ^
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
1вх, мА
-----1-1 слоя .........2-2 слоя 3-3 слоя
Рис.3. График зависимости выходного напряжения от постоянного тока в симметричных структурах на частоте 310 Гц
6000
5000
4000
03
•Л
м
3000
2000
1000
100
150
200
250 I кГц
300
> II |[ 1
1 1 1 м 'Г. 11 »
\ Л / / / // /' ' / 1 N \ .4 \ 4 V
--- * * N __\ _ * г Л\ ч \
350
400
---3-3 слон
- 2-2 слоя
■ 1-1 слоя
Рис.4. График зависимости выходного напряжения от частоты в симметричных структурах
симметричных МЭ структурах 2-2 и 3-3 имеет одинаковое значение. Пиковое выходное напряжение для МЭ структуры 3-3 составило 5040 мВ на частоте 361 кГц, для МЭ структуры 2-2 составило 4600 мВ на частоте 361 кГц. Максимальный МЭ коэффициент составил 16,94 В/(см-Э) в структуре 3-3. Поведение МЭ структуры 1-1 следует рассмотреть отдельно. Частота резонанса смещается на 7 кГц влево, и пиковое выходное напряжение при этом составило 5000 мВ, что объясняется низкой концентрацией магнитоэлектрической фазы и качеством клеевого соединения.
Из рис.5, приведенного ниже, видно, что МЭ структура 3-0 имеет самый низкий МЭ эффект, вследствие отсутствия вклада магнитострикционной фазы с одной стороны. В данной МЭ структуре область насыщения наблюдается при 1600 мА, и выходное
напряжение составило всего 126 мВ. Дальше идет аналогичная ситуация, как и с симметричными структурами, образец с наибольшим количеством слоев, в данном случае 3-4 (7 слоев), имеет самый продолжительный линейный участок, и область насыщения наблюдается при 2900 мА. Однако МЭ структуры 3-1 и 3-2 обладают более высоким МЭ эффектом на начальном участке, но у таких МЭ структур область насыщения наблюдается гораздо раньше. В МЭ структуре 3-1 область насыщения наблюдается при 1900 мА, выходное напряжение при этом составляет 290 мВ. МЭ структура 3-2 имеет максимальный МЭ коэффициент 1,07 В/(см-Э), и область насыщения наблюдается при 2300 мА, выходное напряжение при этом составляет 314 мВ. Отсюда можно сделать следующие выводы: 1) в МЭ структурах с меньшим ко-
350
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
1вх. мА
-3-0 слоя -----3-1 слоя - - - 3-2 слоя--3-4 слоя
Рис.5. График зависимости выходного напряжения от постоянного тока в асимметричных структурах на частоте 310 Гц
6000
5000
4000
ш й 'Л
н «
3000
2000
1000
1 II
1 1; ] II II ) 1
1 ! Г 1 1
1 1 || |
\ 0 / // у \
У'
— " • 1 ■ — —
100
150
200
250
кГц
300
350
400
---3-2 слоя
■3-4 слоя
— 3-1 слоя
3-0 слоя
Рис.6. Зависимость выходного напряжения от частоты в асимметричных структурах
личеством слоев область насыщения наблюдается раньше; 2) МЭ структуры с меньшим количеством слоев обладают более высоким МЭ эффектом на начальном участке; 3) МЭ структуры с большим количеством слоев обладают более продолжительным линейным участком.
На рис.6 представлена резонансная зависимость асимметричных МЭ структур, из которой видно, что каждая асимметричная МЭ структура имеет отличную резонансную частоту. Для МЭ структуры 3-0 /г = 357 кГц, для 3-1 /г = 359 кГц, для 3-2 /г = 364 кГц и для 3-4 /г = 361 кГц. Пиковое напряжение при этом составило 4560, 4920, 5620 и 3640 мВ соответственно. МЭ структура 3-4 имеет самое низкое выходное напряжение вследствие большого количества слоев, происходит затухание колебаний. МЭ структура 3-2 имеет самое высокое выходное напряжение и МЭ коэффициент (18,74 В/(см-Э)) за счет изгибного резонанса.
Сравнение симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур
Для корректного сравнения будем сравнивать МЭ структуры с одинаковым количеством слоев, в данном случае 2-2 и 1-3.
На рис.7 видно, что асимметричная МЭ структура имеет более высокий МЭ эффект (1 В/(см-Э)), обладает большей линейностью, и область насыщения наблюдается чуть позже, чем у симметричной структуры. В МЭ структуре 2-2 область насыщения наблюдается при 1800 мА, выходное напряжение при этом составляет 255 мВ. В МЭ структуре 3-1 область насыщения наблюдается при 1900 мА, выходное напряжение при этом составляет 300 мВ, что на 15% больше, чем у симметричной структуры.
На рис.8 видно, что частота резонанса у асимметричной МЭ структуры смещается (максимум МЭ
350 300 250
Ш 2 200
х"
Л 150 100 50 О
0* \
>*
__■___________
500 1000 1500
1вх, мА
2000
2500
3000
---3-1 слоя
■ 2-2 слоя
Рис.7. График зависимости выходного напряжения от постоянного тока в структурах 2-2 и 3-1 на частоте 310 Гц
Рис.8. График зависимости выходного напряжения от частоты в структурах 2-2 и 3-1
коэффициента 16,4 В/(см-Э)). Так же, как и на низкой частоте, на резонансе у асимметричной структуры МЭ эффект больше. Для симметричной МЭ структуры выходное напряжение составило 4620 мВ (максимум МЭ коэффициента 15,4 В/(см-Э)) на частоте 361 кГц, для асимметричной МЭ структуры выходное напряжение составило 4920 мВ на частоте 359 кГц.
Заключение
В статье приведены результаты исследований симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур. Исследованы характеристики этих структур в области низких частот и в области электромеханического резонанса. Исследовались МЭ элементы, состоящие из пьезоэлектрика ЦТС-19 с размерами 10x5x1 мм и обкладок метгласа соответствующего размера. Проведено сравнение выходных характеристик симметричных и асимметричных структур. Было выяснено, что асимметричные магнитоэлектрические структуры обладают более высоким МЭ эффектом по сравнению с симметричными магнитоэлектрическими структурами на низких частотах и в области электромеханического резонанса. МЭ коэффициент в симметричных структурах достигал значения 0,9 В/(см-Э) в области низких частот и 16,94 В/(см-Э) в области резонанса. В асимметричных структурах значение МЭ коэффициента достигало величины 1 В/(см-Э) в области низких частот и 18,74 В/(см-Э)— в области резонанса.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания и исследовательского проекта РФФИ №13-02-98801.
Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Modeling of magnetoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites // Ferroelectrics. 2002. Vol.280. P.165-175. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites // J. of Appl. Phys. 2002. Vol.92. №12. P.7681-7683.
Magnetoelectricity in Composites / Eds. M.I.Bichurin and D.Viehland. Singapore: Pan Standford Publ., 2011. 286 p. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и Метгласа // Современные проблемы науки и образования. 2012. №1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.science-education.ru/101-5367 Petrov V.M., Bichurin M.I., Zibtsev V.V., et al. Flexural deformation and bending mode of magnetoelectric nanobilayer // J. of Appl. Phys. 2009. Vol.106. №11. Article ID 113901.
Petrov V.M., Srinivasan G., Bichurin M.I., and Galkina T.A. Theory of magnetoelectric effect for bending modes in magnetostrictive- piezoelectric bilayers // J. of Appl. Phys. 2009. Vol.105. №6. Article ID 063911. Петров В.М., Бичурин М.И. Магнитоэлектрический эффект в симметричных и асимметричных магнитострик-ционно-пьезоэлектрических слоистых структурах // Современные проблемы науки и образования. 2013. №4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.science-education.ru/110-9602
Фетисов Л.Ю. Резонансный магнитоэлектрический эффект в композиционной структуре кварц-ферромагнетик // Нано- и микросистемная техника. 2012. №6. С.14-16.
References
M.I. Bichurin, V.M. Petrov, G. Srinivasan. Modeling of magnetoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites. Ferroelectrics, 2002, vol. 280, pp. 165-175. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, G. Srinivasan. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 92, no. 12, pp. 7681-7683.
M. Bichurin, D. Viehland. Magnetoelectricity in Composites. Pan Stanford Publishing, 2011. 286 р.
Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issle-dovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'e-zokeramiki TsTS i Metglasa [Magnetoelectric microwave devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367
1.
2
3
4
5.
6.
7
8
1.
2
3.
4
5. V.M. Petrov, M.I. Bichurin, V.V. Zibtsev, S.K. Mandai, G. Srinivasan. Flexural deformation and bending mode of mag-netoelectric nanobilayer. Journal of Applied Physics, 2009, vol. 106, no. 11, ID 113901.
6. V.M. Petrov, G. Srinivasan, M.I. Bichurin, T.A. Galkina. Theory of magnetoelectric effect for bending modes in magnetostrictive- piezoelectric bilayers. Journal of Applied Physics, 2009, vol. 105, no. 6, ID 063911.
7. Petrov V.M., Bichurin M.I. Magnitoelektricheskii effekt v simmetrichnykh i asimmetrichnykh magnitostriktsionno-p'ezoelektricheskikh sloistykh strukturakh [Magnetoelectric
effect in symmetric and asymmetric magnetostrictive-piezoelectric layered structures]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia - Modern problems of science and education, 2013, no. 4. Available at: www.science-education.ru/U0-9602 8. L.Iu. Fetisov. Rezonansnyi magnitoelektricheskii effekt v kompozitsionnoi strukture kvarts-ferromagnetik [Resonance magnetoelectric effect in composite quartz-ferromagnetic structure]. Nano- i mikrosistemnaia tekhnika - Journal of NANO and MICROSYSTEM TECHNIQUE, 2012, no. 6, pp. 14-16.
