Инверсный магнитоэлектрический эффект в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах

Галкина, Таисия Андреевна

Инверсный магнитоэлектрический эффект в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Галкина, Таисия Андреевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Великий Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Инверсный магнитоэлектрический эффект в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах»

Автореферат диссертации на тему "Инверсный магнитоэлектрический эффект в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах"

005009024

На правах рукописи

ГАЛКИНА ТАИСИЯ АНДРЕЕВНА

ИНВЕРСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ОБЪЕМНЫХ ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ

Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Великий Новгород-2011

2 0ЕЭ 2С;2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор, Филиппов Дмитрий Александрович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, Фетисов Юрий Константинович Кандидат физико-математических наук, доцент, Пятаков Александр Павлович

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «22. » февраля 2012 года в Л5.00 На заседании диссертационного совета Д 212.168.11 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», по адресу: 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, д. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого.

Автореферат разослан « -49 » ЛИЬЛЦ 2012 года

Ученый секретарь I

диссертационного советаД 212.168.11 Ск_С> Коваленко Д.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Магнитоэлектрический (МЭ) эффект заключается в изменении поляризации вещества при помещении его в магнитное поле или изменении намагниченности вещества при помещении его в электрическое поле. В первом случае говорят о прямом МЭ эффекте, во втором - об инверсном или обратном эффекте. МЭ эффект относится к перекрестным эффектам, поскольку связывает между собой величины, имеющие разные тензорные размерности - поляризацию (полярный вектор) с напряженностью магнитного поля (аксиальный вектор), и, наоборот, намагниченность (аксиальный вектор) с напряженностью электрического поля (полярный вектор). Этот эффект представляет интерес, как с научной, так и с прикладной точки зрения, поскольку позволяет создать на его основе принципиально новые устройства твердотельной электроники.

В монокристаллах МЭ эффект тесно связан с симметрией кристалла. Величина МЭ эффекта в монокристаллах незначительна, а его возникновение обусловлено совместным действием спин-орбитального взаимодействия, нечетной части потенциала внутрикристаллического поля и внешнего электрического поля. В феррит-пьезоэлектрических композитах величина МЭ эффекта значительно больше, чем в монокристаллах. По отдельности МЭ эффект отсутствует и в ферритовой фазе, и в пьезоэлектрической. Его возникновение обусловлено механическим взаимодействием магнитострикционной и пьезоэлектрической подсистем. В случае прямого МЭ эффекта в ферритовой компоненте во внешнем магнитном поле, вследствие магнитострикции, возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, где, вследствие пьезоэффекта, происходит изменение поляризации. И, наоборот, при инверсном эффекте под действием электрического поля в пьезоэлектрической компоненте возникают механические напряжения, которые передаются в

магнитострикционную фазу, вследствие чего происходит изменение намагниченности вещества.

По сравнению с большим объемом исследований прямого МЭ эффекта, число работ, посвященных исследованию инверсного МЭ эффекта, значительно меньше и отсутствуют детальные теоретические и экспериментальные данные об инверсном МЭ эффекте в объемных композитах. Вместе с тем, исследование инверсного МЭ эффекта в композиционных материалах позволяет установить взаимосвязь упругих, электрических и магнитных свойств материала, что является актуальной задачей. Установление таких взаимосвязей позволяет выработать рекомендации по синтезу композитов с максимальной величиной МЭ эффекта и разработать на их основе принципиально новые устройства твердотельной электроники, например, такие как МЭ преобразователь напряжения, имеющий, в отличии от классического, всего одну обмотку. Все это позволяет считать изучение инверсного эффекта весьма актуальной задачей.

Цели и задачи

Целью диссертационного исследования являлось получение новых знаний в области инверсного магнитоэлектрического эффекта для установления взаимосвязи электрических, магнитных и упругих свойств феррит-пьезоэлектрических композитов и построение физических основ для создания принципиально новых устройств твердотельной электроники.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1 Разработать модель и методику расчета инверсного МЭ эффекта в объемных феррит-пьезоэлектрических композитах.

2 Получить выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования при продольной и поперечной ориентации полей для образцов различной геометрической формы.

3 Рассчитать частотную зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования для образцов из объемных феррит-пьезоэлектрических материалов различной геометрической формы, выявить особенности частотных характеристик.

4 Исследовать взаимосвязь величины эффекта с магнитными, электрическими и упругими параметрами материалов и геометрическими размерами образцов.

5 Разработать конструкции устройств твердотельной электроники на основе инверсного МЭ эффекта.

Объекты исследования

В качестве объектов исследования были выбраны образцы из объемных композиционных материалов состава феррит-никелевая шпинель - цирконат-титанат свинца.

Методологическая и теоретическая основа исследования

В качестве методов исследования были использованы методы теоретической физики и физики конденсированных сред. В частности, при исследовании инверсного МЭ эффекта был использован метод, основанный на совместном решении уравнения движения среды с использованием обобщенного закона Гука, уравнений электростатики и магнитостатики.

При расчетах численных значений параметров был использован математический пакет Maple (версия 12.0).

Информационная база исследования

В числе информационных источников диссертации использованы:

а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров;

б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научная новизна работы

1 Дано подробное теоретическое описание инверсного МЭ эффекта в образцах из феррит-пьезоэлектрических композитов.

2 Получены выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования при продольной и поперечной ориентации полей для образцов в форме пластинки и в форме диска.

3 Представлены результаты расчетов частотной зависимости коэффициента инверсного МЭ преобразования. Показано, что в области низких частот коэффициент инверсного МЭ преобразования практически не зависит от частоты, а при приближении к резонансу наблюдается пиковое увеличение коэффициента, причем резонансные частоты для прямого и инверсного эффектов имеют хотя и близкие, но экспериментально различимые значения.

4 Показано, что зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования от процентного содержания феррита имеет максимум.

5 Рассмотрено практическое применение инверсного МЭ эффекта. Предложены конструкции принципиально новых устройств твердотельной электроники: МЭ преобразователя напряжения и узкополосного МЭ трансформатора.

Практическая значимость работы

1 Полученные выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования позволяют рассчитывать частотную зависимость величины коэффициента для образцов из объемных композитов различных геометрических форм, что позволяет подобрать геометрические размеры образца для конкретного частотного диапазона.

2 Полученные выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования позволяют выработать рекомендации для синтеза структур с наибольшим значением эффекта.

3 Предложено несколько конструкций принципиально новых устройств твердотельной электроники на основе инверсного МЭ эффекта, которые могут быть использованы в радиотехнике для преобразования переменного напряжения звукового диапазона частот.

Научные положения, выносимые на защиту

1 Величина коэффициента инверсного МЭ преобразования прямо пропорциональна произведению пьезоэлектрического и пьезомагнитного модулей и обратно пропорциональна модулю податливости композита.

2 Частотная зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования имеет резонансный характер. Пиковое увеличение коэффициента инверсного МЭ преобразования наблюдается на частоте электромеханического резонанса, в то время как пиковое увеличение МЭ коэффициента по напряжению наблюдается на частоте антирезонанса.

3 С увеличением процентного содержания ферритовой фазы в составе композита происходит уменьшение разности частот резонансного увеличения коэффициента инверсного МЭ преобразования и МЭ коэффициента по напряжению.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе:

• XI International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, Eragol, Altai, July, 2010r.;

• XVII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2010г.;

• 13-th International Conference Electromechanics, Electrotechnology and Electromaterial Science, Alushta, Crimea, Ukraine, Сентябрь, 2010г.;

• XI Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11), Екатеринбург, Ноябрь, 2010г.;

• IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings, MNST'2010, Novosibirsk, December, 2010r.;

• Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-17, Екатеринбург, Март, 2011г.;

• XVIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2011г.;

• 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика -2011", Москва, Апрель, 2011г.;

• VI (XXXVIII) Международная научно-практическая конференция «ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ИННОВАЦИИ - ВКЛАД МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ», Кемерово, Апрель, 2011г.;

• 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке», Харьков, Апрель, 2011г.;

• XLIX Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, Апрель, 2011г.;

• Международная молодежная научная конференция «XXXVII Гагаринские чтения», Апрель, Москва, 2011г.;

• International Conference «Functional Materials», ICFM-2011, Ukraine, Crimea, Partenit, Октябрь, 2011 г.;

• Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада, Санкт-Петербург, Октябрь, 2011г.

Внедрение результатов работы

Теоретические результаты, полученные в диссертации, являются частью НИР РФФИ грант № 11-02-98901-р_север_а и программы «Развитие научного потенциала высшей школы» проект № 2.1.1/10009.

Исследования по теме диссертационной работы неоднократно поддержаны грантами для аспирантов и молодых ученых:

• по результатам конкурса на выполнение научно-исследовательских работ студентами и аспирантами ВУЗов Новгородской области «Перспектива 2010», 2010г.;

• по результатам конкурса Администрации Новгородской области «Молодой исследователь», 2010г.;

• по результатам Восьмого конкурса грантов молодых ученых НовГУ, 2010г. Тема НИР: «Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах»;

• Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), 2011г. Тема НИР: «Разработка магнитоэлектрического трансформатора»;

• в рамках областного конкурса «Лучший молодой ученый Новгородской области», 2011г..

Публикация результатов работы

По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей (из них 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК), монография, получено 3 патента на полезные модели, опубликовано 13 тезисов докладов различных конференций и семинаров.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 125 страниц машинописного текста, в

том числе 28 рисунков. Список цитированной литературы включает 123 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулировано направление диссертационного исследования, обоснована его актуальность, приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту. Приведен перечень публикаций по теме исследования. Описано внедрение результатов и апробация работы. Дано краткое содержание работы.

В первой главе приведен обзор литературы, посвященной исследованию МЭ эффекта. Описаны условия существования магнитоэлектрического эффекта.

Рассмотрены особенности МЭ эффекта в монокристаллах и композиционных материалах.

В монокристаллах механизмом возникновения МЭ эффекта является совместное действие спин-орбитального взаимодействия и взаимодействия магнитоактивного иона с нечетной частью потенциала внутрикристаллического поля и внешним электрическим полем. А также в монокристаллах помимо МЭ эффекта возникает ряд специфических эффектов. Существование МЭ эффекта в монокристаллах напрямую связано с их симметрией. Однофазные магнитоэлектрики, в большинстве случаев, проявляют МЭ свойства только при низких температурах.

В композиционных материалах МЭ эффект является своего рода произведением двух эффектов - пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции. При этом величина эффекта в композиционных материалах значительно больше, чем в монокристаллах. Ещё одним важным преимуществом таких материалов, по сравнению с однофазными материалами, является то, что свойства композитов можно в значительной степени изменять, варьируя их состав. Приведен обзор исследований

объемных и слоистых композиционных материалов, отмечено значительное увеличение эффекта в области электромеханического резонанса.

Рассмотрены механизмы теоретического описания МЭ эффекта. Перечислены основные выражения для описания МЭ эффекта. Отмечено, что

помимо магнитоэлектрической восприимчивости для описания

прямого магнитоэлектрического эффекта также используется магнитоэлектрический коэффициент по напряжению аЕ. Подробно описана методика теоретической оценки величины магнитоэлектрического коэффициента по напряжению в композиционных материалах. Рассмотрен метод эффективных параметров и метод функции Грина. Метод эффективных параметров позволяет хорошо описать многослойный композит, для которого проблема граничных условий между фазами легко решаема. Но такая простая модель, в связи с принятыми допущениями, приводит к ряду неточностей и не может быть обобщающей для других топологий, поэтому может быть использована только для понимания проходящих физических процессов. Более точное описание МЭ эффекта в композитах можно получить, используя технику функции Грина (многократное приближение). С помощью этой техники, было предсказано, что и объемные, и слоистые композиты могут обладать гигантским МЭ эффектом.

Описана методика экспериментального исследования прямого МЭ эффекта, основанного на измерении переменного электрического напряжения, возникающего на образце, при помещении его в переменное магнитного поле.

Один из пунктов первой главы посвящен применению прямого МЭ эффекта. Обзор существующих устройств, показал, что отсутствуют детальные сведения о приборах (конструкциях) на основе инверсного магнитоэлектрического эффекта.

По результатам проведенного в первой главе обзора, сделан вывод, что прямой МЭ эффект изучен достаточно широко. Инверсный МЭ эффект изучен еще недостаточно, отсутствуют детальные теоретические и экспериментальные данные об инверсном МЭ эффекте в объемных композитах. Вместе с тем, исследование инверсного МЭ эффекта в композиционных материалах позволяет установить взаимосвязь упругих, электрических и магнитных свойств материала, что является актуальной задачей.

Во второй главе рассмотрено исследование инверсного магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрической тонкой и узкой пластинке, т.е. длина образца Ь много больше его ширины IV и толщины с/. При теоретическом описании инверсного МЭ эффекта был использован метод эффективных параметров.

При продольной ориентации полей, уравнения для интересующих нас компонент тензора деформаций и индукции магнитного поля В, примут вид:

Я1=Ч1Т1+<1ПЕ3+<]ПН3, (!)

Вг=ЦъгНг+ЧпТх, (2)

где ^ц - компоненты тензора податливости, Г] — компонента тензора напряжений, //33 — компонента тензора магнитной проницаемости, г/31, <731 - пьезоэлектрический и пьезомагнитный коэффициенты, £3(7) = Ет ■ е~'оя — переменное электрическое поле, подаваемое на обкладки образца.

Для вычисления коэффициента инверсного МЭ преобразования при продольной ориентации электрического и магнитного полей из (1) были выражены компоненты тензора напряжений через компоненты тензора деформаций и подставлены в уравнение движения среды. В результате было получено дифференциальное уравнение для х -проекции вектора смещения среды их, решение которого имеет вид:

"х(х) = \1)со&(кх) + &1п(кх) (^31^3+931^3), (3)

где параметр к = .

С учетом условия разомкнутой цепи, для индукции магнитного поля получено следующее выражение: 2

53=Азз(1 + —№+<731

1 диЛ 1

---гЧ--^31^31^3 (4)

я,, дх ) sll

Коэффициент инверсного МЭ преобразования при продольной ориентации полей был определен как:

(5з)

(5)

1 1

где среднее значение индукции магнитного поля в образце (В3) = — \ В^сЫ.

¿0

Вычисляя среднее значение индукции магнитного поля, и подставляя

получившееся выражение в определение коэффициента инверсного МЭ

преобразования (5), получим:

_ цпа3] (к) Л аВ1~---+ / , (6)

V к )

где параметр к~кИ2.

Для поперечной ориентации полей (постоянное и переменное магнитное поле с частотой а направлено перпендикулярно к направлению поляризации, вдоль оси X) имеем:

^I = «П Т1 + с131Е3+§иВ1, (7)

В1=^ИН1+дпТ1, (8)

где - податливость при постоянной индукции магнитного поля,

g¡¡ = - пьезомагнитный коэффициент.

0В1

Для коэффициента инверсного МЭ преобразования при поперечной ориентации полей получим выражение в виде:

аВ,Т-~в-('+-Л

*11-Ав к

Таким образом, во второй главе были получены выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования для случаев продольной и поперечной ориентации полей. С помощью математического пакета Марк, были построены частотные зависимости коэффициента инверсного МЭ преобразования.

Проведено сопоставление полученньгх результатов с результатами экспериментального исследования структуры состава никель - ЦТС. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Показано, что величина коэффициента инверсного МЭ преобразования, при продольной ориентации полей, прямо пропорциональна произведению пьезоэлектрического с?з; и пьезомагнитного Цц модулей и обратно пропорциональна модулю податливости композита При поперечном эффекте величина коэффициента инверсного МЭ преобразования прямо пропорциональна произведению пьезоэлектрического с1ц и пьезомагнитного <7ц модулей и обратно пропорциональна модулю

податливости /. Поскольку пьезомагнитные модули с/л и дц в общем случае неодинаковы, то, как и при прямом МЭ эффекте, величина МЭ коэффициентов при поперечной и продольной ориентациях полей различна. В области низких частот эта величина зависит от содержания ферритовой фазы в составе композита. При малых концентрациях феррита, когда отдельные зерна можно рассматривать как независимые, величина продольного эффекта больше, чем поперечного. При больших концентрациях феррита в составе композита совокупность зерен можно рассматривать как некую сплошную среду и в этом случае величина поперечного эффекта

становится больше, чем продольного, вследствие различия коэффициентов. В области электромеханического резонанса величина поперечного эффекта всегда больше, чем продольного вследствие того, что при поперечной ориентации полей значительно меньше потери, обусловленные генерацией токов Фуко.

Частотная зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования имеет резонансный характер. В области, далекой от резонанса, величина коэффициента инверсного МЭ преобразования практически не зависит от частоты, слабо увеличиваясь с ее ростом. По мере приближения к резонансу зависимость становится существенно нелинейной и когда параметр к принимает значения равные кгев = (и = 1/2)//г, наблюдается пиковое увеличение коэффициента инверсного МЭ преобразования.

Теоретически показано, что с увеличением процентного содержания феррита увеличивается величина резонансной частоты, вследствие уменьшения эффективной плотности и эффективной податливости композита.

В третьей главе построена модель инверсного магнитоэлектрического эффекта для дискообразных образцов из феррит-пьезоэлектрических композитов. Рассмотрена продольная и поперечная ориентации полей. Получены выражения для коэффициента инверсного МЭ преобразования.

Для случая, когда постоянное (подмагничивающее) магнитное поле направлено параллельно поляризации образца (продольный эффект) интересующие нас уравнения для тензора деформаций и 2-проекции вектора магнитной индукции Я3 при продольной ориентации полей имеют вид:

¿1 = ■пЛ + *12г2 + ¿з \Еъ + <?з 1-. S1=snT\+snT2+dъXEъ + qixHъ,

(Ю) (Н) (12)

Здесь Ху - эффективные податливости композита, с1у и ^ -эффективные пьезоэлектрический и пьезомагнитный модули, ¡Лц -эффективная магнитная проницаемость, Е, и Hi - проекции векторов напряженности переменных электрического и магнитного полей.

Для удобства дальнейших расчетов воспользуемся симметрией задачи и перейдём к цилиндрической системе координат:

= «12Тгг + Ч^вв + ¿31.£з + <731-Н 3. (14)

Вз^МззНз+ЯиРп+Тдд)- (I5)

Из уравнений (13, 14) были выражены компоненты тензора напряжений через компоненты деформаций, и для того чтобы получить уравнение для радиальных смещений, полученные выражения были подставлены в уравнение движения среды.

Общее решение уравнения движения среды для данного случая представляет линейную комбинацию функций Бесселя первого и второго

У{ рода:

иг =с^1(кг) + с2У1 (кг). (16)

Намагниченность, возникающую в образце вследствие мапштострикции в результате механических деформаций среды, определим из уравнения (15). Подставив выражения для компонент тензора напряжений в уравнение (15) и выполнив необходимые преобразования имеем:

931

Вз = /'зз^з +-

5П(1-У)

(1 + у)к/0(кг) _2

•(?з1Яз+йгз1£з)(17)

Для коэффициента инверсного МЭ преобразования получим выражение:

_ 2д}1<1ц аВ,Ь --

где введено обозначение:

(1 + У^1(к) }

Аг = к]0(к)-(1-у^1(к). (19)

В случае поперечного эффекта уравнения (10 - 12) для тензора деформаций и * -проекции вектора магнитной индукции В[ примут вид:

5] = 5* Г] +4 Г2 +^31£3 +£ПВЬ (20)

52 = 41212 +5ПГ2 +^31^3 +212*1, (21)

^=/¿11^+91,21+91272. (22)

Аналогично продольному эффекту, при поперечном эффекте коэффициент инверсного МЭ преобразования определяется как <В,> £3

„ _(Я11+Я12)е131

аВ,Т--

3И(1-У)ЛВ

(1 + У^,(к)+]

(23)

где Дг определяется выражением (19).

Построены частотные зависимости коэффициента инверсного МЭ преобразования.

Из выражений (18) и (23) следует, что, как и для пластинки, так и для дискообразных образцов, частотная зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования имеет резонансных характер. В области, далекой от резонанса, МЭ коэффициент практически не зависит от частоты, а на частоте, соответствующей пьезоэлектрическому резонансу, наблюдается его пиковое увеличение.

Зависимость величины коэффициента инверсного МЭ эффекта от процентного содержания феррита в композите имеет максимум. Наличие максимума обусловлено зависимостями пьезомагнитного и пьезоэлектрического модуля композита от содержания феррита. С увеличением содержания феррита величина пьезомагнитного модуля возрастает, а пьезоэлектрического уменьшается, в результате чего при определенном содержании феррита наблюдается максимум.

С увеличением процентного содержания феррита наблюдается увеличение резонансной частоты. Это объясняется тем, что с увеличением процентного содержания феррита происходит уменьшение эффективной плотности и эффективной податливости композита, что приводит к увеличению частоты резонанса.

При увеличении процентного содержания феррита вследствие уменьшения эффективного значения пьезомодуля коэффициент электромеханической связи уменьшается, в результате чего уменьшается разность частот резонанса и антирезонанса.

Проведено сопоставление полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем согласии с экспериментальными зависимостями.

Четвертая глава посвящена практическому применению инверсного МЭ эффекта. Показано, что одним из перспективных направлений технического использования инверсного МЭ эффекта является создание различных магнитоэлектрических преобразователей напряжения.

Получены выражения для коэффициентов трансформации по напряжению для предлагаемых устройств.

Для дискообразных образцов выражение для коэффициента трансформации при продольной ориентации полей имеет вид: 2

к1 =соЫ^-гаВ1 (24)

В случае поперечной ориентации полей выражение для коэффициента трансформации имеет несколько другой вид:

кт = тЫШавт, (25)

Для образца в форме пластинки соответственно имеем: ]¥Ь

к1=соЫ—аВ1. (26)

кт=(оШ -авт. (27)

Таким образом, частотная зависимость коэффициента трансформации, как и частотная зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования имеет резонансный характер. В области, далекой от резонанса, наблюдается его линейный рост с увеличением частоты, а на частоте электромеханического резонанса наблюдается его пиковое увеличение.

Коэффициент трансформации по напряжению зависит не только от коэффициента инверсного МЭ преобразования и числа витков катушки, но и от геометрических размеров образца. В частности, при продольном эффекте величина коэффициента трансформации пропорциональна площади образца и обратно пропорциональна его толщине, а при поперечном эффекте величина коэффициента трансформации не зависит от толщины образца и определяется лишь шириной пластинки или радиусом диска.

Предложены конструкции преобразователей напряжения на основе инверсного МЭ эффекта. Эти устройства позволяют упростить конструкцию прибора и улучшить его характеристики, выделить узкую полосу преобразования напряжения, уменьшить токи утечки, увеличить входное сопротивление и, тем самым, уменьшить потери энергии во входной цепи и повысить эффективность действия. Отмечено, что предложенные конструкции могут быть также использованы в качестве полосно-пропускающих фильтров.

В заключении сформулированы выводы и основные результаты работы.

Основные положения отражены в следующих публикациях

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, в. Згшуаэап // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - Вып. 21. -С. 23-28.

2 Филиппов, Д.А. Теория инверсного магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрическом диске [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, G. Srinivasan // Вестник НовГУ. Серия технические науки -2010.-№60-С. 106-109.

3 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в дискообразных образцах из ферриг-пьезоэлектрических композитов [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, G. Srinivasan // ФТТ. - 2011. - Т. 53. - Вып. 9 -С. 1737-1742.

4 Филиппов, Д.А. Преобразователь напряжения на основе инверсного магнитоэлектрического эффекта [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, В.М. Лалетин, G. Srinivasan // Письма в ЖТФ. - 2012. - Т. 38. -Вып. 2.-С. 82-86.

Монография

5 Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, В.М. Лалетин Инверсный магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах / «Печатный двор», Великий Новгород, 2011, - 112 с.

Статьи в других изданиях

6 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрического композитах [Электронный ресурс] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина. // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ». - 2010. - С. 371-380. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/032.pdf (дата обращения: 01.07.2010).

7 Galkina, Т.А. Inverse Magnetoelectric Effect in Ferrite-Piezoelectric Composites [Text] / T.A. Galkina, Т.О. Firsova // IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings. MNST'2010: papers. - Novosibirsk, 2010. - P. 17-22.

Тезисы докладов

8 Galkina, T.A. Inverse Magnetoelectric Effect in Ferrite-Piezoelectric Plate [Text] / T.A. Galkina // XI International Conference and Seminar on

Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings. - Eragol, Altai, 2010. -P. 68-70.

9 Галкина, T.A. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит - пьезоэлектрических композитах [Текст] / Т.А. Галкина, Т.О. Фирсова // Материалы семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. ВНКСФ-17. -Екатеринбург, 2011. - С. 99-100.

10 Галкина, Т.А. Узкополосный преобразователь на основе инверсного магнитоэлектрического эффекта [Текст] / Т.А. Галкина // Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей: материалы VI (XXXVIII) Международной научно-практической конференции: в 2-х т. -Кемерово, ООО «ИНТ», 2011.-Т. 2-Вып. 12-С. 414-415.

11 Галкина, Т.А. Теория инверсного магнитоэлектрического эффекта для создания устройств твердотельной электроники [Текст] / Т.А. Галкина // Материалы XLIX Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Физика. -Новосибирск, 2011. - С. 205.

12 Галкина, Т.А. Исследование обратного магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических тонкопленочных структурах [Текст] / Т.А. Галкина, Д.А. Филиппов // XVII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ: тезисы докладов аспирантов, соискателей, студентов. - В.Новгород, 2010. - С. 12-13.

13 Filippov, D.A. Inverse magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric composites [Text] / D.A. Filippov, T.A. Galkina, G. Srinivasan // 13-th International Conference Electromechanics, Electrotechnology and Electromaterial Science: abstracts. - Alushta, Crimea, Ukraine, 2010. - P. 22.

проблемам физики конденсированного состояния вещества. СПФКС-11. -Екатеринбург, 2010. - С. 126.

15 Галкина, Т.А. Магнитоэлектрический трансформатор [Текст] / Т.А. Галкина, Д.А. Филиппов // Тезисы докладов 18-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. МэИнфо-2011. - Москва, 2011. - С. 67.

16 Галкина, Т.А. Магнитоэлектрический трансформатор [Текст] / Т.А. Галкина, Д.А. Филиппов // XVIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ: тезисы докладов аспирантов, соискателей, студентов - В.Новгород, 2011. - С. 11-12.

17 Галкина, Т.А. Магнитоэлектрический преобразователь напряжения [Текст] / Т.А. Галкина // Тезисы 15-ого Юбилейного Международного молодежного форума «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке». - Харьков, 2011.-С.133-134.

18 Filippov, D.A. Inverse magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric structures [Text] / D.A. Filippov, T.A. Galkina, T.O.Firsova, V.M. Laletin, G. Srinivasan // International Conference «Functional Materials». ICFM-2011: abstracts. - Ukraine, Crimea, Partenit, 2011. - P.208.

19 Galkina, T.A. Inverse magnetoelectric effect theory for solid-state electronic devicesstructures [Text] / T.A. Galkina, D.A. Filippov, P.F. Strunkov // International Conference «Functional Materials». ICFM-2011: abstracts. -Ukraine, Crimea, Partenit, 2011. - P. 224.

20 Галкина, T.A. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрическом диске [Текст] / Т.А. Галкина, Д.А. Филиппов // Тезисы докладов Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада -2011.-С.7-8.

Патентные документы

21 Пат. 99246 Российская Федерация, МПК Н OIL 41/083, Н01 L 41/107. Магнитоэлектрический преобразователь напряжения [Текст] / Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский

государственный университет имени Ярослава Мудрого. - № 2010125360/07; заявл. 21.06.2010; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31.-3 е.: ил.

22 Пат. 104375 Российская Федерация, МПК Н 01И 19/04. Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения [Текст] / Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. -№ 2010144897/07; заявл. 02.11.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. №13. -3 е.: ил.

23 Пат. 108216 Российская Федерация, МПК Н 01 Ь 41/083, Н 01 Р 27/40. Многослойный магнитоэлектрический трансформатор [Текст] / Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. - № 2011114718/07; заявл. 14.04.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.-3 е.: ил.

Галкина Таисия Андреевна

ИНВЕРСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ОБЪЕМНЫХ ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ

Подписано к печати 20 Ч г. Формат 60x84 1/16

Гарнитура Times New Roman. Тираж 120 экз. Усл. печ. л. 1,1. Заказ № 111

Отпечатало в ЗАО «Новгородский технопарк» 173003, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская,41 Тел. (816 2)73-76-76

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Галкина, Таисия Андреевна, Великий Новгород

61 12-1/430

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ЯРОСЛАВА МУДРОГО

На правах рукописи

ГАЛКИНА ТАИСИЯ АНДРЕЕВНА

ИНВЕРСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ОБЪЕМНЫХ ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ

Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Филиппов Д. А.

Великий Новгород - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 Магнитоэлектрический эффект в монокристаллах и композитах.....20

1.1 Магнитоэлектрический эффект в монокристаллах.............................20

1.1.2 Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах.......24

1.2 Теоретическое описание магнитоэлектрического эффекта................28

1.2.1 Метод эффективных параметров..........................................................34

1.2.2 Метод функции Грина............................................................................40

1.3 Экспериментальное исследование магнитоэлектрического эффекта 42

1.4 Применение прямого магнитоэлектрического эффекта.....................45

1.5 Исследования в области инверсного магнитоэлектрического эффекта ...................................................................................................................46

Выводы по главе 1.....................................................................................................47

2 ИНВЕРСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНКЕ............................................................48

2.1 Модель. Основные уравнения...............................................................48

2.2 Продольная ориентация полей..............................................................52

2.3 Поперечная ориентация полей..............................................................56

2.4 Обсуждение результатов. Сравнение с экспериментом.....................61

Выводы по главе 2.....................................................................................................69

3 ИНВЕРСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ДИСКЕ.......................................................................71

3.1 Продольная ориентация полей..............................................................72

3.2 Поперечная ориентация полей..............................................................77

3.3 Результаты расчётов...............................................................................81

3.4 Обсуждение результатов. Сравнение с экспериментом.....................85

Выводы по главе 3.....................................................................................................93

4 УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ИНВЕРСНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА........................................................ 95

4.1 Магнитоэлектрический преобразователь напряжения.....................100

4.2 Экспериментальные данные........................... ......................................104

4.3 Многослойный магнитоэлектрический трансформатор...................106

Выводы по главе 4...................................................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................НО

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................113

ВВЕДЕНИЕ

Магнитоэлектрический (МЭ) эффект Заключается в изменении поляризации вещества при помещении его в магнитное поле или изменении намагниченности вещества при помещении его в электрическое поле. В первом случае говорят о прямом МЭ эффекте, во втором - об инверсном или обратном эффекте. МЭ эффект относится к перекрестным эффектам, поскольку связывает между собой величины, имеющие разные тензорные размерности -поляризацию (полярный вектор) с напряженностью магнитного поля (аксиальный вектор), и, наоборот, намагниченность (аксиальный вектор) с напряженностью электрического поля (полярный вектор). Этот эффект представляет интерес, как с научной, так и с прикладной точки зрения, поскольку позволяет создать на его основе принципиально новые устройства твердотельной электроники.

магнитострикционной и пьезоэлектрической подсистем. В случае прямого МЭ эффекта в ферритовой компоненте во внешнем магнитном поле, вследствие магнитострикции, возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, где, вследствие пьезоэффекта, происходит изменение поляризации. И, наоборот, при инверсном эффекте под действием электрического поля в пьезоэлектрической компоненте возникают механические напряжения, которые передаются в магнитострикционную фазу, вследствие чего происходит изменение намагниченности вещества.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

3 Рассчитать частотную зависимость коэффициента инверсного МЭ преобразования для образцов из объемных феррит-пьезоэлектрических

материалов различной геометрической формы, выявить особенности частотных характеристик.

4 Исследовать взаимосвязь величины эффекта с 5 магнитными, электрическими и упругими параметрами материалов и геометрическими размерами образцов.

5 Разработать конструкции устройств твердотельной электроники на основе инверсного МЭ эффекта.

При расчетах численных значений параметров был использован математический пакет Maple (версия 12.0).

Научная новизна работы заключается в следующем:

Практическая ценность результатов

Научные положения, выносимые на защиту

1 Величина коэффициента инверсного МЭ преобразования прямо пропорциональна' произведению пьезоэлектрического И пьезомагнитного' модулей и обратно пропорциональна модулю податливости композита.

Список публикаций по теме диссертационной работы

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А.Галкина, в. 8пшуа8ап // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - Вып. 21. -С. 23-28.

2 Филиппов, Д.А. Теория инверсного магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрическом диске [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, в. 8пшуа8ап // Вестник НовГУ. Серия технические науки -2010.-№60-С. 106-109.

3 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в дискообразных образцах из феррит-пьезоэлектрических композитов [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, в. Бпшуазап // ФТТ. - 2011. - Т. 53. - Вып. 9 -С. 1737-1742.

Монография

Статьи

7 Galkina, Т.А. Inverse Magnetoelectric Effect in Ferrite-Piezoelectric Composites диске [Text] / T.A. Galkina, Т.О. Firsova // IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings. MNST'2010: papers. - Novosibirsk, 2010. - P. 17-22.

Тезисы докладов

8 Galkina, T.A. Inverse Magnetoelectric Effect in Ferrite-Piezoelectric Plate [Text] / T.A. Galkina // XI International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings. - Eragol, Altai, 2010. -P. 68-70.

10 Галкина, Т.А. Узкополосный преобразователь на основе инверсного магнитоэлектрического эффекта [Текст] / Т.А. Галкина // Образование, наука, инновации -т вклад молодых исследователей: материалы VI (XXXVIII) Международной научно-практической конференции: в 2-х т. -Кемерово, ООО «ИНТ», 2011. - Т. 2 - Вып. 12 - С. 414-415.

14 Филиппов, Д.А. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрическом диске [Текст] / Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина // Тезисы докладов XI Всероссийской молодёжной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества. СПФКС-11. -Екатеринбург, 2010. - С. 126.

17 Галкина, Т.А. Магнитоэлектрический преобразователь напряжения [Текст] / Т.А.Галкина // Тезисы 15-ого Юбилейного Международного молодежного форума «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке». - Харьков, 2011. - С. 133 - 134.

18 Filippov, D.A. Inverse magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric structures [Text] / D.A. Filippov, T.A. Galkina, Т.О. Firsova, V.M. Laletin, G. Srinivasan // International Conference «Functional Materials». ICFM-2011: abstracts. - Ukraine, Crimea, Partenit, 2011. - P.208.

Патентные документы

21 Пат. 99246 Российская Федерация, МПК Н OIL 41/083, Н OIL 41/107. Магнитоэлектрический преобразователь напряжения [Текст] / Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. - №2010125360/07; заявл. 21.06.2010; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31.-3 е.: ил.

22 Пат. 104375 Российская Федерация, МПК Н 01 F 19/04. Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения [Текст] /

Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. - №2010144897/07; заявл.,02.11.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. №13.3 е.: ил.

23 Пат. 108216 Российская Федерация, МПК Н OIL 41/083, Н 01 F 27/40. Многослойный магнитоэлектрический трансформатор [Текст] / Филиппов Д.А., Галкина Т.А.; патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. - №2011114718/07; заявл. 14.04.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25. - 3 е.: ил.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе:

- XI International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, Eragol, Altai, July, 201 Or.;

- XVII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2010г.;

- 13-th International Conference Electromechanics, Electrotechnology and Electromaterial Science, Alushta, Crimea, Ukraine, Сентябрь, 2010г.;

- XI Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11), Екатеринбург, Ноябрь, 2010г.;

- IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings, MNST'2010, Novosibirsk, December, 2010r.;

- Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-17, Екатеринбург, Март, 2011г.;

- XVIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, В.Новгород, Апрель, 2011г.;

- 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2011", Москва, Апрель, 2011г.;

VI (XXXVIII) Международная научно-практическая конференция «ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ИННОВАЦИИ - ВКЛАД МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ», Кемерово, Апрель, 2011г.;

- 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке», Харьков, Апрель, 2011г.;

- XLIX Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Ново