Магниторезистивный и магнитоэлектрический эффекты в нано- и микрогетерогенных композитах Ni - PZT и TDF - PZT тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ГРАБИ Зухаир Хуссейн Джавад

МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТЫ В НАНО- И МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИТАХ

N1 - ргт и тбр - ргт

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, доктор физико-математических наук, профессор, Гриднев Станислав Александрович

Сидоркин Александр Степанович,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»;

Хоник Виталий Александрович,

доктор физико-математических наук, «Воронежский государственный педагогический университет», проректор по научной работе, профессор.

ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

Защита состоится « 07 » апреля 2015 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», www.voretu.ru.

Автореферат разослан « 10 » февраля 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Горлов Митрофан Иванович

российская ГОСУДАРС7 ВГИНАЯ БИБЛИОТЕКА ^

го!5 О

БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мультиферроидные магнитоэлектрические материалы, которые одновременно обладают сегнетоэлектрическими и ферромагнитными свойствами, в последние годы стимулировали резкое увеличение количества исследований, что обусловлено как научным интересом к ним, так и многообещающими применениями в новых многофункциональных устройствах. Природные мультиферроидные однофазные составы встречаются сравнительно редко, а их магнитоэлектрический (МЭ) отклик или мал, или происходит при температурах слишком низких для практических применений. Поэтому более привлекательными выглядят МЭ композиты, которые включают в себя пьезоэлектрическую и ферри-/ферромагнитную фазы и которые по сравнению с однофазными мультиферроидными средами характеризуются большими величинами МЭ отклика при температурах значительно выше комнатной.

Поскольку МЭ эффект в композитах обусловлен цепочкой связей магнитострикция - упругая деформация - пьезоэлектрический эффект, каждая из которых зависит от внутренних и внешних параметров (объемной доли фаз, магнитострикции магнитного материала и пьезоэффекта пьезоэлектрического материала, температуры, частоты и напряжённости магнитного и электрического полей и др.), то величина МЭ отклика композитов зависит от изменения этих параметров. Однако, несмотря на многочисленные поиски и выполненные исследования МЭ композитов, мало внимания уделялось оптимизации составов композитов, выбору типов колебаний, изучению нелинейных и размерных эффектов, кроме того остаются и другие вопросы, не решенные до сих пор, что ограничивает возможности практического использования композитов.

Поэтому настоящая диссертация направлена на изучение особенностей магниторезистивного эффекта и механизмов электропроводности в тонкопленочных наногетерогенных композитах N1 - РЬ(гг0,5э'По,47)Оэ (N1 - РгТ), а также прямого и обратного МЭ эффектов в двухслойных микрокомпозитах ТЬо,|:Оуо,2рео68-РЬ(гго,5зТ1о.47)Оз(ТОР - РгТ) в широком интервале температур.

Тематика диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации», утвержденному Указом Президента РФ от 07.07.2011 (раздел 2 - Индустрия наносистем). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твёрдого тела ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану госбюджетной темы ГБ 2010.23 «Синтез и физические свойства новых материалов твердотельной электроники».

Целью работы являлось выявление закономерностей и анализ особенностей поведения транспортных свойств тонкопленочных нанокомпози-тов (х)№ - (1-х)Р2Т и магнитоэлектрических (МЭ) свойств двухслойных микрокомпозитов ТЭГ - PZT в зависимости от объёмной доли фаз композитов, частоты и напряжённости переменного магнитного и электрического полей, напряженности постоянного магнитного поля в широком интервале температур.

Для реализации цели были сформулированы следующие основные

задачи:

1. Получение тонкопленочных наногетерогенных композитов N1 -Р£Г с разной концентрацией а также двухслойных керамических композитов ТОР - PZT с различной толщиной ферромагнитного слоя, проведение комплексного исследования их физических свойств.

2. Определение порога перколяции в нанокомпозитах (х)№ - (1-х)РгТ и исследование закономерностей проявления транспортных свойств (электропроводности и магниторезистивного эффекта) в доперколяционных составах.

3. Идентификация типов резонансных колебаний в двухслойных микрокомпозитах ЮЯ - PZ^ и определение оптимальных условий для получения наибольшего МЭ отклика.

4. Изучение прямого и обратного МЭ эффектов в двухслойных микрокомпозитах ТОР - PZT в зависимости от напряжённости постоянного магнитного поля, переменного электрического поля, частоты, температуры, относительного объема фаз и размера гранул в магнитном слое.

Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные нанокомпозиты (х)1чМ - (1-х)РгТ с различной концентрацией N1, полученные методом ионно-лучевого распыления мишени на ситалловую подложку, и двухслойные композиты ТОР - PZT, изготовленные по керамической технологии с различной толщиной магнитного слоя.

Причины выбора для исследования композиционных материалов заключаются в следующем: 1) гетерогенные мультиферроики обладают как магнитострикционными, так и пьезоэлектрическими свойствами и поэтому являются удобными объектами для МЭ исследований, так как МЭ отклик в них существует не только при низких температурах, как в большинстве гомогенных мультиферроиков, но и при температурах существенно более высоких, чем комнатная температура; 2) в качестве пьезоэлектрических (PZJ) и ферромагнитных (N1, ТОР) слоев композитов выбраны хорошо изученные высокоэффективные (модельные) материалы, что облегчает интерпретацию полученных результатов; 3) нанокомпозиты N1 - PZ1, являющиеся многофункциональными материалами, дают возможность получать и исследовать уникальные комбинации свойств, недостижимые в традиционных массивных материалах.

Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований получены автором впервые и заключаются в следующем:

1. Получены двухслойные композиты ТОР - PZT методом нанесения ферромагнитных слоев, состоящих из тщательно перемешанного ферромагнитного порошка ТОР с эпоксидным компаундом, на предварительно поляризованные в промышленных условиях пьезокерамические пластины PZT. Достоинством такого подхода является получение механически более прочных ферромагнитных слоев с меньшими потерями на вихревые токи по сравнению с хрупким чистым сплавом ТОР.

2. Из анализа температурных зависимостей удельного электрического сопротивления образцов нанокомпозитов (х)№ - (1-х)РгТ определена зависимость температуры кристаллизации аморфного состояния PZT от содержания N1 в составах композита. Понижение температуры кристаллизации с ростом концентрации N1 связывается с увеличением объемной доли кристаллического вещества.

3. В тонкопленочных наногранулированных композитах (дс)1М1 - (1-лс) PZT с составами ниже порога перколяции (хс = 35 ат.%) обнаружена последовательная смена механизмов электропроводности с ростом температуры: прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка по Мотгу - неупругое резонансное туннелирование - прыжковая проводимость по ближайшим локализованным состояниям - тепловая генерация электронов с примесных уровней.

4. В тонкопленочных нанокомпозитах (х)М - (1-х)РгТ экспериментально установлено, что величина магнитосопротивления в зависимости от содержания N1 проходит через максимум при концентрации, близкой к порогу перколяции, и существенно увеличивается при понижении температуры. Установленные особенности объясняются в рамках модели спин-зависимого туннелирования поляризованных элеюгронов через диэлектрическую прослойку PZT между соседними ферромагнитными наногранулами N1.

5. Сопоставление рассчитанных и экспериментальных зависимостей резонансных частот колебаний образцов двухслойных композитов ТОР - PZT от толщины ферромагнитного слоя позволило идентифицировать основные типы резонансов при изгибных и продольных колебаниях по длине, ширине и толщине образца, а также высшие гармоники колебаний.

6. Выявлены особенности прямого и обратного МЭ эффектов в зависимости от напряженности магнитного и электрического поля, частоты, температуры и объемной доли фаз композитов ТОР - PZJ, которые достаточно хорошо описываются в рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды.

Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты углубляют представления о механизмах электропроводности и магнито-сопротивления в тонкопленочных наногетерогенных композитах (х)№ - (I-х)Р2Т, а также об общих закономерностях влияния внешних и внутренних параметров на прямой и обратный МЭ отклик в двухслойных микрокомпозитах ТОР - PZT. Установленные в работе зависимости и закономерности могут найти применения в лабораториях и научных центрах, занимающихся разработками и исследованиями свойств новых гомогенных и гетерогенных мультиферроиков. Данные о влиянии постоянного и переменного магнитных полей, а также переменного электрического поля на МЭ взаимодействия в композитах могут быть использованы для разработки датчиков слабых магнитных полей, неразрушаемой памяти, резонаторов, генераторов, фильтров, фазосдвигающих цепей и других устройств электронной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. В тонкопленочных наногетерогенных композитах (х)М - (1-х)Ргт экспериментально установлена последовательная смена механизмов электропроводности при изменении температуры от 77 до 375 К: прыжковый механизм Мотта - резонансное туннелирование электронов - прыжки носителей заряда по ближайшим соседям - делокапизация электронов с примесных уровней.

2. Экспериментально обнаруженные особенности отрицательного магниторезистивного эффекта в тонкопленочных композитах (х)1ЧН - (I-х)Р2Т доперколяционного состава объясняются спин-зависимым туннелиро-ванием поляризованных электронов через диэлектрическую прослойку PZT между соседними ферромагнитными наногранулами N1.

3. Влияние внутренних (относительный объем фаз и размер гранул в магнитном слое) и внешних (постоянное магнитное поле, переменное электрическое поле, частота и температура) на прямой и обратный МЭ эффекты в двухслойных микрокомпозитах ТОР - PZT объясняется в рамках модели эффективных параметров гетерогенных сред.

4. Из сопоставления рассчитанных и экспериментальных зависимостей резонансных частот колебаний образцов двухслойных микрокомпозитов ТОР - PZT определенной геометрии от толщины ферромагнитного слоя определены основные типы резонансов при изгибных и продольных колебаниях по длине и ширине образца, а также некоторые высшие гармоники колебаний.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением поверенных и калиброванных средств измерений, методик измерений, надежной статистикой экспериментов, применением современных методов обработки экспериментальных данных, непротиворечивостью полученных

результатов известным физическим представлениям и теориям, а также согласием с результатами других исследователей.

Апробация результатов. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Vil International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2012); IV Международной научной конференции (Минск, 2014) XX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Красноярск, 2014); 52-й отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2012); 53-й отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2013) и 54-й отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2014).

Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ и в 8 тезисах докладов на Международной, Всероссийской и вузовских конференциях. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат приготовление образцов, подготовка и проведение эксперимента, получение и анализ экспериментальных данных. Выбор направления исследований, обсуждение полученных результатов, формулировка задач и подготовка работ к печати проводились с научным руководителем профессором С.А. Гридневым и канд. физ.-мат. наук A.B. Калгиным. Синтез двухслойных микрокомпозитов, исследование прямого и обратного МЭ отклика на разных частотах и в разных магнитных и электрических полях, анализ и обработка результатов проводились автором лично и совместно с канд. физ.-мат. наук Е.С. Григорьевым Получение нано-композитов и изучение транспортных свойств и магниторезистивного эффекта проводились совместно с инженером М.А. Кашириным

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 185 наименований. Основная часть работы изложена на 125 страницах и содержит 32 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определены объекты исследования; показана научная новизна полученных результатов, их практическая и научная значимость; представлены основные положения, выносимые на защиту и приведены сведения об апробации работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе сделан краткий литературный обзор по теме диссертации, который включает в себя информацию об истории и современном состоянии исследований магниторезистивного и магнитоэлектрического эффектов в композитах, обсуждение моделей для объяснения магниторезистивного и магнитоэлектрического эффектов в композитах, а также рекомендации для развития магнитоэлектрических композитов. Обзор заканчивается перспективами применения магниторезистивного и магнитоэлектрического эффектов в различных устройствах электроники нового поколения.

Во второй главе изложены методики приготовления образцов тонкопленочных наногранулированных композитов ионно-лучевым напылением и слоистых магнитоэлектрических композитов по керамической технологии. Здесь же дается краткое описание установок для измерения магнитосопро-тивления, электрического сопротивления, намагниченности и магнитоэлектрического эффекта.

В третьей главе сообщается об измерениях транспортных свойств тонкопленочных наногранулированных композитов (x)Ni - (l-x)PZT в интервале температур от 77 до 375 К.

Определение порога перколяиии в нанокомпозитах. Для композитов (jt)Ni - (l-jr)PZT порог перколяции хс в работе был найден из концентрационной зависимости электрического сопротивления R и составляет 0,35. Найденная величина дсс подтверждается результатами измерения R как функции температуры Т, откуда можно увидеть переход от диэлектрического типа проводимости для композита 0,33N¡ - 0.67PZT к металлическому типу проводимости для композита 0,37Ni - 0,63PZT.

Последовательная стена механизмов электропроводности в нанокомпозитах (x)Ni - (l-x)PZT при изменении температуры. Для выявления механизмов электропроводности композитов (jr)Ni - (l-jr)PZT доперколяционного состава в интервале температур от 77 до 375 К были изучены температурные зависимости электропроводности на постоянном токе <rdc, построенные в координатах ln(<Tdc/odc0) - (1/7)' ", ln(íxdc/adcn) - 1п7"и ln(<rdc/adc0) - (1/7) (рис. 1), соответствующих различным законам электропереноса в композитах. Установлено, что в интервале температур 77 - 375 К работают четыре последовательно сменяющих друг друга механизма проводимости. При температурах от 77 до 188 К осуществляется прыжковая проводимость электронов по локализованным состояниям с переменной длиной прыжка (закон сгос ехрС-Г""4)); при температурах от 188 до 287 К - неупругое резонансное туннелирование электронов по диэлектрической прослойке между соседними наногранулами (закон о- ос Ту" ); при температурах от 287 до 299 К -прыжковая проводимость, обусловленная термоактивируемыми прыжками носителей заряда между соседними локализованными состояниями (закон сг ос ехр(-Г')); при температурах от 314 до 375 К - проводимость, связан-

ная с делокализацией носителей заряда и последующим тепловым возбуждением электронов с примесных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости (закон а ос ехр(-Г ') )• В работе произведена оценка параметров электронного транспорта в композитах (лг)Тч!1 - (\-х)РХТ для всего изучаемого интервала температур.

т. к

0003U 000Ш QC0340 000344 000344

т\ К'

0 0026 0 002» 00030 0.0032 0 0034 т". КГ'

Температурные зависимости электропроводности в координатах liWOdco) - (I//)"4 (О). ln(ffd</adco) - InГ(б), ln(<Tdc/odc0) - ( 1/7) (в) и lnl^/o^o) - ( 1/7) (г) для композитов (.ï)Ni - (l-x)PZ\ в интервалах температур 77 - 188 К (а), 188 -287 К (б). 287 - 299 К (в) и 314 - 375 К (г) при различных л, ат.% : 1 - 15,2-24 и 329. Здесь fldco- электропроводность <rdc при 287 К. имеющая разную величину в образцах с различными х

Четвертая глава посвящена изучению магнитосопротивления в на-нокомпозитах (x)Ni - (l-x)PZT при температурах 77 и 287 К.

Экспериментальное изучение магнитосопротивления композитов состояло в регистрации электрического сопротивления на постоянном токе при внесении образцов в постоянное магнитное поле. Электрический ток был ориентирован в плоскости образца композита параллельно направлению постоянного магнитного поля.

Величина магнитосопротивления рассчитывалась по формуле:

дя )-К(0>

Л(0)

■100%,

(1)

0.04

ООО

-0.04

-0.08

•0,12

Рис. 2. Зависимости ДД/Л(0) от Я, для композитов (л) N1 - (1-х) (V I при 287 К.

где И(Н ) и Л(0) - электрическое сопротивление композита в присутствии и отсутствии постоянного магнитного поля соответственно.

Влияние магнитного поля на величину магнитосопротивлення.

Полевые зависимости маг-нитосопротивления для образцов композитов (д-)!^ - (1-х)РгТ с дг от

23 до 35 ат.%, помещенных в постоянное магнитное поле с напряженностью И,, изменяющейся от

24 до 8000 Э продемонстрированы на рис. 2.

Поскольку, как показано в главе 3, при 287 К перенос заряда в композитах осуществляется в результате туннелирования электронов из одной гранулы в другую через диэлектрические барьеры, то для объяснения зависимости Д/?//?(0) от Я. может быть привлечена модель туннельного магнитосопротивлення Согласно модели, изменение электрического сопротивления композитов ММ - (1-д-)РгТ доперколя-ционного состава в постоянном магнитном поле связано с спин-зависимым туннелированием поляризованных электронов через диэлектрическую прослойку Р2Т между соседними ферромагнитными наногранулами Причем вероятность туннелирования электронов между гранулами, чьи магнитные моменты параллельны, значительно выше вероятности туннелирования электронов при антипараллельной ориентации магнитных моментов гранул. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к ориентации магнитных моментов в направлении поля большего числа ферромагнитных гранул, что по модели равносильно росту туннельного тока через композит. Это соответствует снижению сопротивления композита и, как следствие, возрастанию величины его магнитосопротивлення.

Влияние состава композита на величину магнитосопротивления. Вероятность туннелирования электронов зависит от толщины диэлектрического барьера и сначала возрастает с х в композитах - (1-лг)Р2Т из-за уменьшения расстояния между гранулами, становится максимальной мри х -31 ат. % (то есть когда толщина барьера минимальна), а затем уменьшается при х > 31 ат.%, так как гранулы начинают механически контактировать друг

с другом и в композитах наблюдается смена механизма проводимости от диэлектрического типа к металлическому типу. Таким образом, на зависимости ДЛ//?(0) от х наблюдается максимум.

Влияние температуры на величину магнитосопротивления. Установлен заметный рост магнитосопротивления композитов при уменьшении температуры от 287 до 77 К (в 6 раз для композита 0,3- 0,69РгТ в постоянном магнитном поле напряженностью 8000 Э). Наблюдаемый с уменьшением температуры рост магнитосопротивления композитов - (|-д-)РгТ доперколяционного состава объясняется уменьшением разориентирующего действия на магнитные моменты гранул тепловой энергии кТ, которая снижает значение намагниченности и, следовательно, значения магнитосопротивления композитов.

Из всех изученных композитов (дг>N1 - (1-х)РгТ наибольшей величиной магнитосопротивления 0,8 % обладает композит 0,311Ч[| - 0,69РгТ, имеющий состав, близкий к порогу перколяции хс = 35 ат.%, при напряженности постоянного магнитного поля 8000 Э и температуре 77 К.

В пятой главе показаны результаты измерения прямого и обратного магнитоэлектрического эффектов в слоистых композитах ТОР - PZT.

Зависимости прямого магнитоэлектрического коэффициента по напряжению от условий проведения эксперимента. Экспериментальное исследование прямого МЭ эффекта осуществлялось путем регистрации переменного электрического напряжения и, возникающего на обкладках пьезоэлектрического слоя композита ТОР - Р2Т при помещении образца в переменное и постоянное магнитные поля. В работе изучался поперечный МЭ эффект, когда вектор намагниченности в слое ТОР перпендикулярен вектору поляризации в слое PZT.

Для характеристики величины поперечного МЭ эффекта использовался МЭ коэффициент по напряжению, рассчитываемый по формуле

а3, = (ШтретИ!///-) [мВ/(см Э)], (2)

где ИГ7Т - толщина пьезоэлектрического слоя образца композита ТОР - PZT, Н - напряженность переменного магнитного поля.

Результаты изучения поперечного МЭ эффекта в двухслойном композите О.бТОР - 0,4РгТ при Н« = 720 Э и //_ = 5 Э в интервале частот переменного магнитного поляу^ от 10,1 до 253 кГц показаны на рис. 3.

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Г кГц

Рис. 3. Частотная зависимость «31 при комнатной температуре для образца композита О.бГПР - 0,ЗР/Т.

Подобные кривые были обнаружены для образцов композитов 0,ЗТОР -0,ЗР2Т; 0,9ТОР - 0,ЗР2Т; 1,2ТОР -0,3 ргт и 1,5 ТОЯ - 0,ЗРгТ. Выявлено, что на зависимостях «з|(/м) для всех образцов композитов наблюдаются три пика (1-3) при частотах/мр,, /мР2 и /мр3, которые соответствуют резонансной частоте при первой гармонике изгибных колебаний по длине образцов, резонансной частоте при первой гармонике изгибных колебаний по ширине образцов и резонансной частоте при первой гармонике продольных колебаний по длине образцов соответственно.

Зависимость аъ\ от толщины ферромагнитного слоя [)[ на частотах /мРь /мР2 и /мр3, построенная по результатам частотных зависимостей а}, для различных образцов композитов, имеет максимум, приходящийся на композит 0,9ТОР - 0,ЗРгТ. Обнаруженный максимум находится в хорошем согласии с моделью эффективных параметров гетерогенной среды.

На рис. 4 показана полевая зависимость ац для образца композита 0,6ТЭР - 0,3РгТ при Н = 5 Э, комнатной температуре и частотах /мр1 = 15,5 (1),/„Р2=51,1 (2)и/мр3= 139,7 кГц(3).

Зависимости, подобные зависимости на рис. 4, наблюдались также для образцов композитов 0,ЗТОР - 0,ЗРгТ; ОДШР - 0,ЗР2Т; 1,2ТОР - о,зргт и 1,5ТОР - 0,3 РСТ на частотах/мр|,/мр2

и/„рз.

Установлены следующие особенности прямого МЭ эффекта в изучаемых композитах, которым даны непротиворечивые объяснения:

1) зависимости а3|(//=) на всех частотах/мр имеют максимумы при ~ 720 Э;

2) при изменении направления постоянного магнитного поля на зависимо-

-3000

Рис. 4. Зависимость ац от Н„ для образца композита 0,6 ТОР - 0,3 Р2Т.

сти а3|(// ) появляется гистерезис;

3) максимальная величина а3! в пике на кривой уменьшается, когда

резонансная частота изменяется от/мр1 до/мр3;

4) ширина МЭ петли гистерезиса увеличивается с ростом толщины ферромагнитного слоя образцов композитов ТОР - PZT при фиксированной частоте /мр.

Как следует из рис. 5, вид температурных зависимостей а31 для композитов 0,6ТОР - 0,ЗР2Т (1); 0.9ТОР -0,3 PZT (2) и 1,2ТОР -0,ЗРгТ (3) качественно совпадает с видом температурной зависимости коэффициента продольной магнитострикцни ТОР, что дает основание связать природу обнаруженного пика ац(Г) при 253 К с особенностями магнитострикционных свойств ТИР в композитах при изменении температуры.

Наилучшая эффективность МЭ взаимодействия, характеризуемая а3, = 33,4 мВ/(см Э), проявляется при 253 К в образце композита 0,9ТОР - 0,ЗР2Т, помещенном в постоянное магнитное поле Н = 720 Э и переменное магнитное поле А/_ = 5 Э при частоте/„^ = 15,7 кГц.

Зависимости коэффициента обратного магнитоэлектрического преобразования от условий проведения эксперимента. Эксперимент был поставлен следующим образом: образцы композитов ТОР - PZT подвергались воздействию переменного электрического поля напряженностью Е, и одновременно регистрировалось изменение амплитуды магнитной индукции Вт. Изменение Вт обнаруживалось по величине индуцируемого напряжения 11тл в катушке индуктивности длиной 5 мм и числом витков 200, внутрь которой помещался образец композита. Для характеристики величины обратного МЭ эффекта используют коэффициент обратного МЭ преобразования

ав = В^Е3 = и+ЛЬДВЭД [Гс см/В], (3)

где N — число витков в катушке, 5- площадь поперечного сечения ферромагнитного слоя,^ - частота переменного электрического поля.

Кривые ав как функции частоты при комнатной температуре для образцов композитов ТОР - PZT в электрическом поле напряженностью 133,3 В/см и постоянном магнитном поле напряженностью 2,5 кЭ обнаруживают два максимума, первый из которых отвечает резонансной частоте первой гармоники продольных колебаний по длине образца/эрЬ а второй - резонансной частоте третьей гармоники изгибных колебаний по длине образца

На частотах /,р1 и /,р2 коэффициент ап в зависимости от толщины ферромагнитного слоя Лгог проходит через пик. причем максимальное значе-

эв

32

т 2«

5 24

т 20

£

V !в

12

в

4

150

200 Т. К

зоо

Рис. 5. Зависимости коэффициента а,| от Г приУмр) Для различных образцов композитов.

ние «ц приходится на образец 0,9ТОР - 0,ЗРгТ. Наличие пика объясняется в рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды.

С ростом Еъ происходит увеличение Вт тем больше, чем меньше толщина ферромагнитного слоя образца композита (рис. 6). По всей вероятности, это обусловлено тем, что в тонком ферромагнитном слое общая площадь поверхности гранул ТОР меньше, чем в толстом слое, тогда на поверхности гранул будет меньше дефектов, которые являются стопорами при движении магнитных доменных стенок. В таком случае при одной величине Ет изменения намагниченности и, соответственно, величины Вт в тонком ферромагнитном слое должны быть больше, чем в толстом ферромагнитном слое.

В интервале температур 158290 К для всех образцов композитов коэффициент ац при 253 К проходит через пик, который связан с особенностями изменения с температурой маг-нитострикционных свойств ферромагнитной компоненты композитов.

Среди всех композитов ТОР -Р2Т наибольшим коэффициентом ав = 11,410"' Гссм/В обладает композит 0,9ТЭР - О.ЗРгТ со средним размером гранул ТОР в ферромагнитном слое 54 мкм в постоянном магнитном поле напряженностью 2,5 кЭ, электрическом поле напряженностью 133,3 В/см, на резонансной частоте 124,4 кГц и при температуре 253 К.

0.7 j .1

0.6- • 0.5•

о

V'-

ш о.з- . . 3

02J

»

. . • *

°1' „ - -- *

• ' 5

0.0 ... , -4—*-т t-t , t." ,

О 50 100 150 200 250 300 Еа. В/см

Рис. 6. Зависимости Вт(Е}) при комнатной температуре для образцов композитов 0,3TDF - 0.3PZT (1); 0.6TDF - 0,3PZT (2); 0,9TDF -0,3PZT (3); 1.2TDF - 0,3PZT (4) и 1,5TDF - 0,3PZT (5).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ

1. Тонкопленочные нанокомпозиты - (\-x)PZ7 были получены ионно-лучевым распылением составной мишени на сигалловую подложку, а двухслойные композиты ТОР - PZT создавались путем нанесения ферромагнитных слоев разной толщины, состоящих из тщательно перемешанного ферромагнитного порошка ТОР с эпоксидным компаундом, на предварительно поляризованные в промышленных условиях пьезокерамические пластины PZT. Достоинством образцов, полученных вторым методом, является получение более прочных ферромагнитных слоев с меньшими потерями на вихре-

вые токи по сравнению с чистым сплавом TDF, не требующими склейки с пластинами PZT.

2. Обнаружено, что в тонкопленочных наногранулированных композитах (jr)Ni - (l-jr)PZT с составами ниже порога перколяции (хс = 35 ат.%) происходит последовательная смена механизмов электропроводности при изменении температуры: прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка по Мотту в интервале температур от 77 до 188 К сменяется неупругим резонансным туннелированием электронов между соседними нанограну-лами в интервале температур от 188 до 287 К, далее при температурах от 287 до 299 К происходит прыжковая проводимость электронов между соседними локализованными состояниями и в интервале температур от 299 до 375 К -зонная проводимость, обусловленная тепловой генерацией электронов с примесных уровней в зону проводимости. В отличие от нанокомпозитов в двухслойных микрокомпозитах TDF - PZT в широком интервале выше комнатной температуры осуществляется примесная электронная проводимость.

3. Экспериментально установлено, что тонкопленочные композиты (x)Ni - (l-jr)PZT доперколяционных составов обладают отрицательным маг-нитосопротивлением в постоянном магнитном поле, изменяющимся от 24 до 8000 Э. Величина магнитосопротивления в зависимости от содержания Ni проходит через максимум при концентрации, близкой к порогу перколяции, и существенно увеличивается при понижении температуры. Установленные особенности изменения электрического сопротивления в постоянном магнитном поле объясняются в рамках модели спин-зависимого туннелирования поляризованных электронов через диэлектрическую прослойку PZT между соседними ферромагнитными наногранулами Ni.

4. На полевых зависимостях поперечного МЭ коэффициента по напряжению я3| для двухслойных композитов TDF - PZT при напряженности постоянного магнитного поля Н, = 720 Э обнаружен максимум, который объясняется видом зависимости коэффициента продольной магнитострикции Ли от /У для TDF. Кривые а3|(/У«), снятые при увеличении Н, от нуля до максимального значения и при последующем уменьшении поля до нуля, не совпадают. Наблюдаемый МЭ гистерезис связан с наличием в слое TDF дефектов структуры и их взаимодействием с доменными границами.

5. Для определения типа колебаний, возбуждаемых в образцах композитов TDF - PZT на резонансных частотах при прямом и обратном МЭ эффекте, был проведен расчет резонансных частот при изгибных и продольных колебаниях. Сопоставление рассчитанных и экспериментальных зависимостей резонансных частот колебаний образцов от толщины ферромагнитного слоя позволило идентифицировать основные типы резонансов при изгибных и продольных колебаниях по длине и ширине образца, а также некоторые высшие гармоники колебаний.

6. Экспериментально обнаружено, что величина обратного МЭ коэффициента «в я композитах ТОР - PZT зависит от размера гранул ТЭР в ферромагнитном слое и принимает максимальное значение 10,610° Гссм/В при комнатной температуре в образце композита 0,9ТйР - 0,ЗРгТ с самым малым средним размером гранул 54 мкм. Это обстоятельство связано с более эффективной передачей деформаций через эпоксидный компаунд в ферромагнитном слое, так как при этом увеличивается общая площадь соприкосновения гранул с компаундом. Установлено, что средний размер гранул ТОР не оказывает влияния на положение пика на зависимости ац(//ТОр).

7. Установлено, что при изменении частоты и напряженности переменного электрического поля £3 изменение напряжения, наводимого в катушке индуктивности, намотанной вокруг образца композита ТОР - PZT, обусловлено изменением намагниченности ТОР в результате эффекта Вилла-ри, а не изменением амплитуды и/или частоты колебаний образца в катушке индуктивности. Для всех композитов ТОР - PZT при различных величинах напряженности электрического поля £3 коэффициент обратного МЭ преобразования ав достигает максимальных значений при значениях Нпревышающих значение магнитного поля насыщения. Вместе с этим, величина МЭ отклика тем больше, чем больше величина Е3. Полученные результаты объясняются на основе представлений о воздействии механических деформаций, создаваемых слоем PZT, на доменную структуру ферромагнитного слоя.

8. Коэффициенты а3) и ав зависят от толщины ферромагнитного слоя образцов композитов ТОР - PZT и принимают максимальные значения на частотах электромеханического резонанса для образца композита 0,9ТОР -0,3 PZT. При комнатной температуре для образца 0,9ТОР - 0,ЗР2Т коэффициент а31 = 23,3 мВ/(см Э) при Н-. = 5 Э, Н= = 720 Э и частоте изгибных колебаний по длине образца /мр1 = 15,7 кГц, в то время как коэффициент аа составляет 10,6-10"3 Гс см/В при Ез = 133,3 В/см, //= = 2,5 кЭ и частоте продольных колебаний по длине образца/эр1 = 124,4 кГц. Установленные закономерности обсуждаются в рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды.

9. Максимальные величины а3| и ав в интервале температур от 79 до 290 К для всех композитов ТОР - PZ^ обнаружены при температуре 253 К, соответствующей максимуму на температурной зависимости продольной магнитострикции ТОР. Наилучшим образом прямой МЭ эффект с а3! = 33,3 мВ/(см Э) проявляется при 253 К для образца композита 0.9ТОР - 0,ЗРгТ в постоянном магнитном поле напряженностью 720 Э, переменном магнитном поле напряженностью 5 Э и на частоте/мр| = 15,7 кГц, а обратный МЭ эффект с ав = 11,4-10° Гс см/В - при 253 К для образца композита 0,9ТОР - 0,ЗРгТ в электрическом поле напряженностью 133,3 В/см, постоянном магнитном поле напряженностью 2,5 кЭ и на частоте/эр1 = 124,4 кГц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Калгин, A.B. Особенности обратного магнитоэлектрического эффекта в двухслойных композитах ТЬ0.12Dyo.2Fe0.6e - PbZr0 53Т|0 470з [Текст] / A.B. Калгин, С.А. Гриднев, Z.H. Gribe // Физика твердого тела. - 2014. - Т.56. -Вып. 7.-С. 1278- 1283.

2 Калгин, A.B. Прямой магнитоэлектрический эффект в двухслойных композитных структурах ТЬ0.12Dyo.2Feo.68 - PbZr0 sjTi0 47O3 при изгибных и продольных колебаниях [Текст] / A.B. Калгин, С.А. Гриднев, Z.H. Gribe // Физика твердого тела. - 2014. - Т.56. - Вып. 11. - С. 2111 - 2114.

3 Калгин, A.B. Магнитоэлектрический эффект: история, современное состояние исследований и перспективы применения [Текст] / A.B. Калгин, Е.С. Григорьев, З.Х. Граби // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. -№3.-4.2.-С. 49-63.

4 Последовательная смена механизмов электропроводности в нано-гранулированных композитах (jr)Ni - (l-x)PZT при изменении температуры [Текст] / A.B. Калгин, С.А. Гриднев, М.А. Каширин, З.Х. Граби // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 5.-С. 71 -75.

5 Kaigin A.V. Magnetoelectric Properties of Two-Layered Composites Tboi2Dyo:Feo6e - PbZr053TÍ0 47O3 [Text] / A.V. Kalgin, S.A. Gridnev, Z.H. Gribe // Ferroelectrics. - 2013. - V. 444. - P. 40 - 46.

Статьи и материалы конференций

6 Григорьев, Е.С. Прямой магнитоэлектрический эффект в двухслойных композитах TDF - PZT в диапазоне температур 77 - 500 К [Текст] / Е.С. Григорьев, З.Х. Граби, A.B. Калгин // 52 Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твердого тела»: тез. докл. - Воронеж: ГО-УВПО «Воронежский государственный технический университет». - 2012. -С. 6.

7 Gridnev, S.A. Two-Layered Magnetoelectric Composites TDF - PZT: New Approach to Preparation and Properties [Text] / S.A. Gridnev, Z.H. Gribe, A.V. Kalgin // Abstract book of the VII International Seminar on Ferroelastic Physics, September 10-13, 2012, Voronezh, Russia. - P. 42.

8 Калгин, A.B. Инверсный магнитоэлектрический эффект в двухслойных композитах TDF - PZT [Текст] / A.B. Калгин, З.Х. Граби // 53 Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твердого тела»: тез. докл. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». - 2013. - С. 12.

9 Магнитосопротивление тонкопленочных нанокомпозитов на основе ферромагнетика и пьезоэлектрика [Текст] / З.Х. Граби, С.А. Гриднев,

М.А. Каширин, A.B. Калгин // 54 Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твердого тела»: тез. докл. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». - 2014. - С. 11.

10 Механизмы электропроводности в аморфных тонкопленочных наногранулированных композитах (x)Ni - (l-x)PZT [Текст] / З.Х. Граби, С.А. Гриднев, М.А. Каширин, A.B. Калгин // 54 Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твердого тела»: тез. докл. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». -2014. - С. 12.

11 Определение порога перколяции в аморфных тонкопленочных нанокомпозитах (x)Ni - (l-x)PZT [Текст] / З.Х. Граби, С.А. Гриднев, М.А. Каширин, A.B. Калгин // 54 Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секция «Физика твердого тела»: тез. докл. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». 2014. - С. 13.

12 Магниторезистивные свойства аморфных тонкопленочных нано-композитов (x)Ni - (l-x)PZT [Текст] / A.B. Калгин, М.А. Каширин, С.А. Гриднев, З.Х. Граби, A.B. Ситников // XX Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков: тез. докл. - Красноярск: ИФ СО РАН, августа. 2014.-С. 91 -92.

13 Магнитосопротвление свойства тонкопленочных наногранулированных композитов (x)Ni - (l-x)PZT [Текст] / A.B. Калгин, С.А. Гриднев, М.А. Каширин, З.Х. Граби // Наноструктурные Материалы - 2014: Беларусь - Россия - Украина: материалы IV Междунар. науч. конф. - Минск: Белару-ская навука, 2014.-С. 171.

14 Кристаллизация аморфной фазы в тонкопленочных нанокомпозитах (jf)Ni - (l-x)PZT [Текст] / A.B. Калгин, С.А. Гриднев, М.А. Каширин, З.Х. Граби // Наука и образование в XXI веке: сб. науч. Тр. по материалам Междунар. науч. - практ. Конф.: в 17ч.- Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. - Ч.З. - С. 89-90.

Подписано в печать 28.01.2015г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 311

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственеый технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

15--150Г

2014251035

2014251035