CC BY
56
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 537.9
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОЙ КОМПОНЕНТЫ НА РЕЗОНАНСНУЮ ЧАСТОТУ В ТРЕХСЛОЙНОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ МЕТГЛАС—ЦТС—МЕТГЛАС
-ш
V, А
М.И.Бичурин, В.М.Петров, В.С.Леонтьев
INFLUENCE OF A MAGNETIC COMPONENT ON RESONANCE FREQUENCY IN MAGNETOELECTRIC THREE-PLY STRUCTURE METGLAS/PZT/METGLAS
M.LBichurin, V.M.Petrov, V.S.Leont'ev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Исследованы симметричные и асимметричные магнитоэлектрические структуры в области электромеханического резонанса, состоящие из слоистой структуры, в состав которой входят пьезоэлектрик ЦТС-19 с размерами 60x10x1 мм и обкладки из магнитострикционного материала метглас, соответствующего размера. Проведено сравнение резонансных частот симметричных и асимметричных структур. Было выяснено, что асимметричные магнитоэлектрические структуры при равной объемной концентрации магнитострикционной фазы имеют резонансную частоту, отличную от частоты симметричных магнитоэлектрических структур.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрическая структура, изгибные деформации
In this paper, findings on magnetoelectric coupling in symmetric and asymmetric structures are presented. The symmetric and asymmetric layered structures of PZT and Metglas are studied at low frequencies and in the electromechanical resonance region. Comparison of resonance frequencies for the symmetric and asymmetric structures is given. It was clarified that asymmetric ME structure shows a shift of resonance frequency and a higher magnetoelectric effect, in comparison with the symmetric ME structures, at low frequencies and in the electromechanical resonance region.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetoelectric structure, bending deformations
Введение
В настоящее время как за рубежом, так и в России большое внимание уделяется исследованию физических свойств материалов, характеризующихся несколькими типами упорядочения (сегнетоэлектри-ческим, ферромагнитным, упругим и т.п.), т.е. муль-тиферроиков [1-3]. 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 магнитострикцион-ную 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 ха-
рактеризуется МЭ коэффициентом по напряжению аЕ, равным отношению индуцированного переменного электрического поля к приложенному магнитному переменному полю в условиях разомкнутой электрической цепи. Величина коэффициента определяется геометрией, магнитными, диэлектрическими и механическими параметрами составляющих ее компонентов и частотой магнитного поля [3-5].
Целью настоящей статьи является исследование и сравнение резонансных частот симметричных и асимметричных МЭ структур.
Исследование симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур
Измерения проводились на измерительном стенде (рис.1), включающем в себя генератор сигналов Hameg НМР2550, постоянный магнит, катушку индуктивности, осциллограф Hameg НМ0722 и магнитометр. Стенд работает следующим образом: на катушку индуктивности подается сигнал генератора, который создает переменное магнитное поле Н~ величиной в 1 Э. Далее, постоянным магнитом создается оптимальное постоянное магнитное поле, которое составляет 1,1 Э (поле смещения). В результате поперечного магнитоэлектрического эффекта создается переменный электрический сигнал, который фиксируется осциллографом.
Рис.1. Структурная схема измерительного стенда
Теоретическое моделирование симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур подробно рассмотрено в [5]. В данной работе исследовались МЭ элементы, состоящие из пьезоэлектрика
ЦТС-19 с размерами 60x10x1 мм и обкладок метгласа переменной толщины, которые одновременно служат электродами. Пластины метгласа соединялись с пье-зокерамикой ЦТС-19 посредством клея, толщина клеевого слоя не превышает 10 мкм. Введем обозначение МЭ элементов: x-y, где x — количество слоев метгласа в нижней обкладке, а у — количество слоев метгласа в верхней обкладке МЭ элемента. Например, в симметричной МЭ структуре 2-2 по два слоя с каждой стороны, в асимметричной МЭ структуре 1-3 — один слой метгласа в верхней обкладке и 3 слоя метгласа в нижней обкладке. Конструкции симметричных и асимметричных МЭ элементов приведены на рис.2.
Симметричные структуры. Исследовались магнитоэлектрические элементы со структурами 1-1, 2-2 и 3-3.
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
■1-1 глпя ■ ?-?с.пс>я —*— 3-3 глпя Рис.3. График зависимости выходного напряжения от частоты в симметричных структурах
Из представленного выше графика видно, что частота резонанса при наращивании слоев смещается. Смещение резонансной частоты при постепенном увеличении объемной концентрации магнитострикционной фазы происходит слева направо. Для двух слоев метгласа резонансная частота составила 25,5 кГц, для четырех — 26,3 кГц, для шести — 26,4 кГц.
Асимметричные структуры. Структура 1-п
слоев.
На рис.4 представлен график зависимости выходного напряжение от частоты, из которого видно, что при наращивании слоев метгласа с одной стороны, с противоположенной стороны это значение константа, смещение резонансной частоты происходит слева направо, как и в симметричных структурах. Для 3 слоев метгласа значение резонасной частоты составило 26,1 кГц, для 4 — 26,9 кГц, для 5 — 27,2 кГц, для 6 — 27,5 кГц и для 7 слоев метгласа —27,6 кГц.
14000
12000
10000
о
8000
6000
4000
2000
■1-2СЛОЯ----1-Зслоя---1-4слоя
■ 1-5 слоев----1-6слоев
Рис.4. График зависимости выходного напряжения от частоты в асимметричных структурах (1-п слоев) 16000 14000
■ 2-1 слон —*— 2-3 слоя —•— 2-4 слоя -2-5 слоев
-2-6 слоев —■—2-7 слоев —<—2-8 слоев
Рис.5. График зависимости выходного напряжения от частоты в асимметричных структурах (2-п слоев)
Асимметричные структуры. Структура 2-п
слоев.
На рис.5, приведенном выше, наблюдается аналогичное смещение резонансной частоты слева направо. Для МЭ структуры с 3 слоями метгласа значение резонансной частоты составило 26,1 кГц, для 5 — 26,6 кГц, для 6 — 26,8 кГц, для 7 — 27,2 кГц, для 8 — 27,6 кГц, для 9 — 27,9 кГц и для 10 слоев метгласа — 28,2 кГц.
Асимметричные структуры. Структура 3-п
слоев.
На рис.6 представлена частотная зависимость асимметричных МЭ структур, из которой видно, что каждая асимметричная МЭ структура имеет отличную резонансную частоту. Смещение частоты происходит также слева направо. Для 4 слоев метгласа резонансная частота составила 26,9 кГц, для 5 — 26,6 кГц, для 7 — 27 кГц, для 8 — 28,1 кГц и для 9 слоев метгласа — 28,3 кГц.
Сравнение симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур
Для корректного сравнения рассмотрим МЭ структуры с одинаковым количеством слоев, в данном случае 2-2 и 1-3; 3-3, 2-4 и 1-5.
На рис.7 видно, что в асимметричной 1-3 и симметричной МЭ структурах наблюдается различная резонансная частота. В асимметричной МЭ структуре 1-3 резонансная частота составляет 26,9 кГц, а в симметричной МЭ структуре 2-2 резонансная частота составила 26,3 кГц. Аналогичная ситуация и в образцах с шестью слоями метгласа, каждый образец имеет разную частоту. Для симметричной МЭ структуры 3-3 резонансная частота составила 26,4 кГц, для ассиметричных МЭ структур 2-4 и 1-5, резонансная частота составляла 26,8 кГц и 27,5 кГц соответственно.
Для теоретических оценок, основываясь на уравнениях эластодинамики и электростатики, запишем уравнение движения среды в виде:
_д2и
д% дтТ„
1+(1-У)- 1]
дх,-
дх,-
(1)
где иг — смещение композита, р=Урр + (1-У)тр — средняя плотность вещества композита, V — объемная доля пьезоэлектрика, Рр, тр, р Т и т Т — плотности и
компоненты тензора напряжений пьезоэлектрической и ферромагнитной составляющих соответственно.
Рис.6. График зависимости выходного напряжения от частоты в асимметричных структурах (3-п слоев)
Рис.7. График зависимости выходного напряжения от частоты в МЭ структурах 2-2 и 3-1; 3-3, 2-4 и 1-5
Решение уравнения (1) с учетом закона Гука и соответствующих граничных условий позволяет найти МЭ коэффициент по напряжению [3]:
2pdзl mguVeff IV(1 - V2)
а Е, 31 -
52(pd321 -ps11 ре33)кТ -2pd321 Vm^f1 tan(kL/2)
(2)
где — коэффициенты податливости пьезоэлектри-ка при постоянном электрическом поле, тТ — напряжение в магнитной фазе, ^ — коэффициенты податливости магнитной фазы при постоянном магнитом поле, р£зз — диэлектрическая проницаемость и pd31 — пьезоэлектрический коэффициент пьезоэлек-трика, mg11 = cm'S1/дB1 — пьезомагнитный коэффициент магнитной фазы, Е3 и Н1 — напряженности электрического и магнитного полей, s2 = V^ 11 + (1 - К)р511. Эффективная проницаемость де/ определяется выражением:
„ т.Вти кТ
52 М-11кТ
(3)
С^+^ГиОкМ +2mg121mц11 %(1-К) 1ап(кТ 2)
Как видно из выражения (2), значение МЭ коэффициента по напряжению прямо пропорционально произведению пьезоэлектрического d31 и пьезомаг-нитного модулей q31 или g11. Сравнение расчетных и экспериментальных максимальных значений МЭ коэффициента по напряжению и резонансных частот продольной моды приведено в таблице.
Экспериментальное и теоретическое значение амплитуды ДА и частоты А/ исследуемых образцов
ААЭ, В ААТ, В Д/Э, кГц А/Т, кГц
2-2 10,48 10,8 26,3 26,2
1-3 10,96 11,6 26,9 26,6
3-3 11,42 11,0 26,4 27,1
2-4 11,6 10,7 26,8 27,5
1-5 10,3 10,1 27,5 27,9
— количество обкладок метгласа, в магнитоэлектрической структуре метглас—ЦТС—метглас.
Анализ таблицы показывает, что изменение амплитуды происходит вследствие изменения пьезо-магнитных модулей q31 или g11, как видно из формул 2 и 3. Резонансная частота определяется корнями знаменателя формулы 2. Сдвиг частоты определяется эффективной податливостью образца, которая, в свою очередь, определяется изменением объемной доли магнитной фазы Vй.
Заключение
В статье приведены результаты исследований симметричных и асимметричных магнитоэлектрических структур. Исследованы характеристики этих структур в области электромеханического резонанса. Исследовались МЭ элементы, состоящие из пье-
зоэлектрика ЦТС-19 с размерами 60x10x1 мм и обкладок метгласа, соответствующего размера. Проведено сравнение резонансных частот симметричных и асимметричных МЭ структур. Выяснилось, что асимметричные и симметричные магнитоэлектрические структуры при равной объемной концентрации магнитострикционной фазы имеют различную резонансную частоту. Для симметричной МЭ структуры 2-2 резонансная частота составляла 26,3 кГц, для асимметричной МЭ структуры 1-3 резонансная частота составляла 26,9 кГц. В симметричной МЭ структуре 3-3 резонансная частота составляла 26,4 кГц, в асимметричных МЭ структурах 2-4 и 1-5 резонансная частота составила 26,8 кГц и 27,5 кГц соответственно.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания и гранта РФФИ N0. #13-02-98801.
1. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Modeling of magnetoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites // Ferroelectrics. 2002. Vol.280. P.165-175.
2. 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.
3. Magnetoelectricity in Composites / Eds. M.I.Bichurin and D.Viehland. Singapore: Pan Standford Publ., 2011. 286 p.
4. 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 (дата обращения: 5.02.2015).
5. 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 (дата обращения: 5.02.2015).
References
1. M.I. Bichurin, V.M. Petrov, G. Srinivasan. Modeling of mag-netoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites. Ferroelectrics, 2002, vol. 280, pp. 165-175.
2. 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.
3. M. Bichurin, D. Viehland. Magnetoelectricity in Composites. Pan Stanford Publishing, 2011. 286 р.
4. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issledovanie magnitoelektricheskikh sensorov na os-nove p'ezokeramiki TsTS i Metglasa [Magnetoelectric microwave devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367.
5. Petrov V.M., Bichurin M.I. Magnitoelektricheskii effekt v simmetrichnykh i asimmetrichnykh magnitostriktsionno-p'ezoelektricheskikh sloistykh strukturakh [Magnetoelectric effect in symmetric and asymmetric magnetostrictive-piezo-electric layered structures]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia - Modern problems of science and education, 2013, no. 4. Available at: www.science-education.ru/110-9602.
