ТЕОРИЯ ЛИНЕЙНОГО И НЕЛИНЕЙНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ОБРАЗЦАХ ИЗ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МУЛЬТИФЕРРОИКОВ В ФОРМЕ ДИСКА

Филиппов Д.А.¹, Фирсова Т.О.², Радченко Г.С.³

¹ ORCID: 0000-0002-4359-7770, Доктор физико-математических наук, ² ORCID: 0000-0003-2773-607X, аспирант, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого,  ³ ORCID: 0000-0002-9535-8915, кандидат физико-математических наук, Южный федеральный университет

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания, проект № 177.

ТЕОРИЯ ЛИНЕЙНОГО И НЕЛИНЕЙНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ОБРАЗЦАХ ИЗ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МУЛЬТИФЕРРОИКОВ В ФОРМЕ ДИСКА

Аннотация

В статье представлена теория линейного и нелинейного магнитоэлектрического эффекта в слоистых пьезомагнитострикционных мультиферроиках, построенная на основе решений материальных уравнений и уравнения движения среды для пьезоэлектрической и магнитострикционной подсистем по отдельности с учетом условий на границе раздела. Показано, что в слабых полях подмагничивания величина нелинейного эффекта сравнима с линейным, причем наряду с основным резонансом, наблюдается дополнительный резонанс. Величина амплитуды этого резонанса не зависит от поля подмагничивания, а возбуждение происходит на частоте магнитного поля в два раза меньшей частоты основного резонанса.

Ключевые слова: магнитострикция, пьезоэлектричество, магнитоэлектрический эффект, электромеханический резонанс.

Filippov D.A.¹, Firsova T.O.², Radchenko G.S.³

¹ ORCID: 0000-0002-4359-7770, PhD in Physics and Mathematics, ² ORCID: 0000-0003-2773-607X, Postgraduate Student, Yharoslav-the-Wise Novgorod State University, ³ ORCID:0000-0002-9535-8915, PhD in Physics and Mathematics, South Federal University

THEORY OF LINEAR AND NONLINEAR MAGNETOELECTRIC EFFECT IN SAMPLES FROM LAMINATED COMPOSITE MULTIFERROIC DISC – SHAPED

Abstract

The article presents the theory of linear and nonlinear magnetoelectric effect in layered piezo- magnetostrictive multiferroic, built on the basis of the decisions of the constitutive equations and the equations of motion of the medium for the piezoelectric and magnetostrictive subsystems separately, taking into account the boundary conditions at the interface. It is shown that in weak bias magnetic fields, the value of the non-linear effect is comparable with linear, and along with the main resonance, there is additional resonance. The magnitude of the resonance amplitude is independent of the value bias magnetic field and is excited at the frequency of the magnetic field twice at the main resonance frequency.

Keywords: magnetostriction, piezoelectricity, magnetoelectric effect, electro-mechanical resonance.

Литература

1. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. М. ГИФМЛ. (1959). 532 с.
2. Дзялошинский И.Е. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. – 1959. – т. 37. – С. 881-882.
3. Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома // ЖЭТФ. – 1961. – т. 40. – С. 1035-1041.
4. Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr₂O₃ // Phys. Rev. Lett. – 1961. – v. 6. – № 11. – P. 607-608.
5. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // Успехи физических наук. – 2012. – т. 182 – № 6. – С. 593-620.
6. W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, G. Srinivasan. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions. – JAP – 2008 – v. 103. – P. 031101.
7. Филиппов Д.А.; Бичурин М.И.; Петров В.М.; Лалетин В.М.; Поддубная Н.Н.; Srinivasan G. Гигантский магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах в области электромеханического резонанса // Письма в ЖТФ. – 2004. – т. 30. – № 1. - С. 15-20.
8. Harshe G., Dougherty J.O., Newnham R. E. Theoretical modelling of multilayer magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromagn. Mater. – 1993. – v. – P. 145-159.
9. Bichurin M. I., Petrov V.M. Srinivasan G. Theory of Magnetoelectric Effects in Ferromagnetic Ferroelectric layer Composites // J. Appl. Phys. – 2002. – v. 92. – №.12. – P. 7681-7683.
10. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric coupling in magnetostrictive-piezoelectric bilayers // Phys. Rev. B. – 2003. – v. 68. – P. 054402 (1-13).
11. Д.А. Филиппов. Теория магнитоэлектрического эффекта в гибридных феррит-пьезоэлектрических композиционных материалах// Письма в ЖТФ. – 2004. – т. 30. – № 9. – С. 6-11
12. Д.А. Филиппов. Теория магнитоэлектрического эффекта в гетерогенных структурах на основе ферромагнетик – пьезоэлектрик // ФТТ. – 2005. – т. 47. – №6. – С.1082-1084.
13. М.И. Бичурин, В.М. Петров, С.В. Аверкин, А.В. Филиппов. Электромеханический резонанс в магнитоэлектрический слоистых структурах // ФТТ. – –  т. 52. – №10. – С. 1975 – 1980.
14. Филиппов Д.А. Лалетин В.М., Galichyan T.A. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре// ФТТ. – – т.55. – С. 1728-1733.
15. В.М. Лалетин, Д.А. Филиппов, Т.О. Фирсова. Нелинейный резонансный магнитоэлектрический эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах // ПЖТФ. – 2014. – т. 40, № 6. – с. 11-18.
16. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова. Нелинейный магнитоэлектрический эффект в композиционных мультиферроиках // ФТТ. – т. 56. – №5. – С. 944 – 948.
17. A. Burdin, D.V. Chashin, N.A. Ekonomov, L.Y. Fetisov, Y.K. Fetisov, G. Sreenivasulu, G. Srinivasan Nonlinear magneto-electric effects in ferromagnetic-piezoelectric composites // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 358-359(2014) 98–104.

References

1. D. Landau, E.M. Lifshiz. Electrodinamika sploshnikh sred. М. GIFML. (1959). 532 с.
2. Dzyaloshinsky I.E. K voprosu o magnitoelectricheskom effecte v antiferromagnetikakh// ZHETF. – 1959. – v. 37. – С. 881-882.
3. Astrov D.N. Magnitoelectricheskij effect v okisi khroma // ZHETF. – 1961. – v. 40. – P. 1035-1041.
4. Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr₂O₃ // Phys. Rev. Lett. – 1961. – v. 6. – № 11. – P. 607-608.
5. Pyatakov A. P., Zvezdin A.K. Magnitoelectricheskie materialy i multiferroici // Uspehi fizicheskih nauk. – 2012. – t. 182 – № 6. – S. 593-620..
6. W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, G. Srinivasan. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions. – JAP – 2008 – v. 103. – P. 031101.
7. Filippov D.A., Bichurin M.I., Petrov V.M., Laletin V.M., Poddubnaya N.N. Srinivasan G. Gigantskij magnitoelectricheskij effect v kompozitsionnikh materialakh v oblasti elektromekhanicheskogo rezonansa // Pis’ma v ZHTF. – 2004. – v. 30. – № 1. - 15-20.
8. Harshe G., Dougherty J.O., Newnham R. E. Theoretical modelling of multilayer magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromagn. Mater. – 1993. – v. – P. 145-159.
9. Bichurin M. I., Petrov V.M. Srinivasan G. Theory of Magnetoelectric Effects in Ferromagnetic Ferroelectric layer Composites // J. Appl. Phys. – 2002. – v. 92. – №.12. – P. 7681-7683.
10. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric coupling in magnetostrictive-piezoelectric bilayers // Phys. Rev. B. – 2003. – v. 68. – P. 054402 (1-13).
11. A. Filippov Teoriya magnitielektricheskogo effekta v gibridnikh ferrit-p’ezoelektricheskikh materialakh // Pis’ma v ZHTF. – 2004. – v. 30. – № 9. – P. 6-11
12. A. Filippov Teoriya magnitielektricheskogo effekta v geterogennikh strukturakh na osnove ferromagnetic-p’ezoelektric // FTT. – 2005. – v. 47. – №6. – С.1082-1084.
13. I. Bichurin, V.M. Petrov, S.V. Averkin, A.V. Filippov Elektromekhanicheskij rezonans v magnitoelektricheskikh sloistikh strukturakh // FTT. –  2010. –  v. 52. – №10. – P. 1975 – 1980.
14. Filippov D.A., Laletin V.M., Galichyan T.A. Magnitoelektricheskij effect v dvukhsloijnoij magnitostrikzionnoij styrukture // – 2013. – v.55. – P. 1728-1733.
15. M. Laletin, D.A. Filippov, T.O. Firsova Nelineijniy rezonansniy magnitoelektricheskij effect v magnitostrikzionno-p’ezoelektricheskikh strukturakh // Pis’ma v ZHTF. – 2014. – v. 40, № 6. –  P. 11-18.
16. A. Filippov, V.M. Laletin, T.O. Firsova Nelineijniy magnitoelektricheskij effect v kompozitsionnikh mul’tiferroikakh // FTT. – v. 56. – №5. – P. 944 – 948.
17. A. Burdin, D.V. Chashin, N.A. Ekonomov, L.Y. Fetisov, Y.K. Fetisov, G. Sreenivasulu, G. Srinivasan Nonlinear magneto-electric effects in ferromagnetic-piezoelectric composites // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 358-359(2014) 98–104.