Pages Navigation Menu

ISSN 2227-6017 (ONLINE), ISSN 2303-9868 (PRINT), DOI: 10.18454/IRJ.2227-6017
ПИ № ФС 77 - 51217, 16+

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.82.4.005

Скачать PDF ( ) Страницы: 27-32 Выпуск: № 4 (82) Часть 1 () Искать в Google Scholar
Цитировать

Цитировать

Электронная ссылка | Печатная ссылка

Скопируйте отформатированную библиографическую ссылку через буфер обмена или перейдите по одной из ссылок для импорта в Менеджер библиографий.
Маничева И. Н. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ НИКЕЛЬ – КВАРЦ – НИКЕЛЬ / И. Н. Маничева, Д. А. Филиппов, В. М. Лалетин // Международный научно-исследовательский журнал. — 2019. — № 4 (82) Часть 1. — С. 27—32. — URL: https://research-journal.org/physics-mathematics/magnitoelektricheskij-effekt-v-trexslojnoj-strukture-nikel-kvarc-nikel/ (дата обращения: 17.08.2019. ). doi: 10.23670/IRJ.2019.82.4.005
Маничева И. Н. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ НИКЕЛЬ – КВАРЦ – НИКЕЛЬ / И. Н. Маничева, Д. А. Филиппов, В. М. Лалетин // Международный научно-исследовательский журнал. — 2019. — № 4 (82) Часть 1. — С. 27—32. doi: 10.23670/IRJ.2019.82.4.005

Импортировать


МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ НИКЕЛЬ – КВАРЦ – НИКЕЛЬ

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ НИКЕЛЬ – КВАРЦ – НИКЕЛЬ

Научная статья

Маничева И.Н.1, Филиппов Д.А.2, *, Лалетин В.М.3,

1 ORCID: 0000-0002-5282-2263;

2 ORCID: 0000-0002-4359-7770;

3 ORCID: 0000-0002-3531-0629;

1, 2 Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Великий Новгород, Россия;

3 Институт технической акустики, Витебск, Беларусь

* Корреспондирующий автор (Dmitry.Filippov[at]novsu.ru)

Аннотация

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований магнитоэлектрического эффекта в композитных трехслойных структурах никель – кварц – никель. Образцы в форме пластинки были изготовлены методом склеивания. Установлено, что в области электромеханического резонанса величина магнитоэлектрического коэффициента по напряжению составляла α =84,7 V / сm Oe, при добротности Q = 93. Применение кварца в качестве пьезоэлектрического слоя позволяет получать величину магнитоэлектрического эффекта в композиционных структурах, сравнимую с лучшими образцами на основе цирконата-титаната свинца.

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

MAGNETOELECTRIC EFFECT IN THREE LAYER NICKEL – QUARTZ – NICKEL STRUCTURE

Research article

Manicheva I.N.1, Filippov D.A.2, *, Laletin V.M.3

1 ORCID: 0000-0002-5282-2263;

2 ORCID: 0000-0002-4359-7770;

3 ORCID: 0000-0002-3531-0629;

1, 2 Yaroslav-the-Wise Novgorod State University; Veliky Novgorod, Russia;

3 Institute of Technical Acoustics; Vitebsk, Belarus

* Corresponding author (Dmitry.Filippov[at]novsu.ru)

Abstract

The results of theoretical and experimental studies of the magnetoelectric effect in composite three – layer structures of nickel – quartz-nickel are presented. Samples in the form of plates were made by gluing. At the electromechanical resonance region the value of the magnetoelectric voltage coefficient α = 84.7 V / cm Oe, with Q = 93 was observed. Using the quartz as a piezoelectric layer allows to obtain the magnitude of the magnetoelectric effect in composite structures, comparable to the best samples based on lead zirconate-titanate.

Keywords: magnetoelectric effect, magnetostriction, piezoelectricity quartz, electromechanical resonance.

Введение

Интенсивное исследование перекрестных эффектов в композитных структурах, обусловленных механическим взаимодействием фаз, входящих в состав композита, привело к созданию нового направления в физике конденсированного состояния – стрейнтроники, в основе которого лежат методы деформационной инженерии [1, C. 1288]. Магнитоэлектрический (МЭ) эффект относится к одному из таких перекрестных эффектов и связывает между собой магнитные и электрические характеристики вещества. Он представляет особый интерес ввиду его перспективного использования при создании приборов твердотельной электроники, таких как гираторы [2, P. 015004], управляемые электрическим полем катушки индуктивности [3, P. 113502], датчики магнитного поля, чувствительность которых превосходит чувствительность датчиков Холла [4, P. 244]. МЭ эффект в композитах возникает в результате механического взаимодействия магнитострикционной (МС) и пьезоэлектрической (ПЭ) фаз. Механические деформации, вызываемые в МС фазе переменным магнитным полем передаются через границу раздела в ПЭ фазу, приводя к изменению поляризации и возникновению электрического напряжения. МЭ композиты делят на объемные и слоистые. Объемные композитные структуры, полученные по керамической технологии методом спекания смесей порошков МС и ПЭ компонентов, достаточно просты в изготовлении, обладают хорошими механическими свойствами [5, С. 47]. Слоистые композиты, состоящие из чередующихся слоев МС и ПЭ фаз, имеют ряд преимуществ по сравнению с объемными МЭ композитами: легко поляризуются, обладают малыми токами утечки [6, С. 214408]. В качестве МС фазы можно применять материалы с большим коэффициентом магнитострикции (никель, пермендюр аморфные и редкоземельные сплавы) [7, С. 2076], [8, С.123918], [9, С. 497]. В качестве пьезоэлектрика используют материалы, обладающие высоким значением пьезомодуля (цирконат-титанат свинца – PZT, кристаллы лангатата, ниобата лития и т.д.) [10, С. 224]. Выбор никеля в качестве материала для МС фазы обусловлен максимальной величиной коэффициента магнитострикции при малых значениях напряженности поля подмагничивания. Величина МЭ эффекта прямо пропорциональна величине пьезомодуля и обратно пропорциональна значению диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика [11, С. 2168]. Несмотря на небольшое значение пьезомодуля кварца (07-05-2019 15-24-31) и значение диэлектрической проницаемости (07-05-2019 15-24-39), его использование в качестве подложек для изготовления МЭ структур может показывать большие значения МЭ эффекта. Кроме того, кварц является монокристаллом с более стабильными свойствами, в отличие от ЦТС, исключает операцию предварительной поляризации, что значительно упрощает процесс изготовления слоистых МЭ структур.

Исследованная трехслойная структура схематически изображена на рис. 1.

07-05-2019 15-31-46

Рис.1 – Схематичное изображение структуры
1 – МС слой, 2– слой клея, 3 – ПЭ слой

В качестве пьезоэлектрика использован образец, вырезанный из пластины кварца (X-срез) в форме параллелепипеда с размерами 20 × 4.5 × 0.5 mm, длинная сторона которого совпадает с направлением <011>. Он расположен между двумя пластинами никеля толщиной по 0,25 mm, которые присоединены к кварцевой пластине при помощи эпоксидного клея. В структуре возникают планарные и толщинные колебания. Для планарных колебаний характерные резонансные частоты определяются длиной и шириной образца, для толщинных колебаний – толщиной структуры. Если считать образец длинным и узким, т.е. 07-05-2019 15-32-43, то частота резонанса для колебаний, распространяющихся по длине образца, будет много меньше частоты колебаний, распространяющихся по ширине и толщине образца и в первом приближении их можно рассматривать как независимые. При распространении колебаний по длине образца имеют место планарные колебания, которые связаны с однородной деформацией типа растяжение – сжатие, и изгибные колебания, связанные с деформациями типа изгиба. Возбуждение колебаний в структуре происходит путем их возбуждения в МС фазе и передачи посредством касательных напряжений в ПЭ слой. Поскольку рассматриваемая структура является симметричной относительно ПЭ подсистемы, то возбуждение колебаний в пьезоэлектрике будет осуществляться одновременно с обеих сторон. В симметричной структуре изгибные колебания возбуждаться не будут и можно рассматривать только планарные колебания. Поэтому исследуемый многослойный образец, можно представить в виде структуры пьезоэлектрик – соединительный слой – магнетик (рис. 2) с учетом только планарных колебаний.

 

07-05-2019 15-38-36

Рис. 2 – Схематичное изображение модели многослойной структуры

 

Для нахождения МЭ коэффициента по напряжению сэндвич структуры воспользуемся методом, разработанным ранее в работах [12, С. 1730], [13, С. 1088]. Поскольку толщина ПЭ, МС и соединительного слоя много меньше длины образца, поэтому в первом приближении можно считать, что смещения слоев одинаковы. В этом приближении уравнение движения для z- проекции вектора смещения среды имеют вид:

07-05-2019 15-39-38   (1)

где 07-05-2019 15-40-28 – среднее значение плотности структуры, и  07-05-2019 15-40-39 – среднее значение тензора напряжений структуры,07-05-2019 15-40-49 – толщина магнетика, пьезоэлектрика и клеевого слоев соответственно. Уравнения для тензора деформаций ПЭ фазы 07-05-2019 15-40-59, МС фазы07-05-2019 15-41-08, и xпроекции вектора электрической индукции 07-05-2019 15-41-18 в этом приближении имеют вид:

07-05-2019 15-47-00

где 07-05-2019 15-47-59  – компоненты тензора напряжений и модули Юнга ПЭ и МС фаз; 07-05-2019 15-48-08 – ПЭ и пьезомагнитный коэффициенты, 07-05-2019 15-48-18 – тензор диэлектрической проницаемости.

Компоненты ПЭ тензора в системе координат XYZ связаны с компонентами тензора в кристаллографической системе координат соотношением в виде:

07-05-2019 15-52-02   (5)

где 07-05-2019 15-52-38 – матрица косинусов между осью Z и осями 2 и 3 (между направлением <011> и направлениями <010> и <001>).

Решение уравнения (1) для вектора смещения среды представим в виде плоских волн, распространяющихся вдоль длины образца:

07-05-2019 15-52-47   (6)

где  и – постоянные интегрирования. Подставляя выражение (6) в уравнение (1), получим выражение для дисперсионного соотношения:

08-05-2019 15-01-15   (7)

Используя условия механического равновесия на торцах образца, в точках  получаем граничные условия:

08-05-2019 15-03-29   (8)

Для постоянных интегрирования  и получим:

08-05-2019 15-04-49   (9)

где введен параметр 08-05-2019 15-06-30. Выражая компоненту тензора напряжений через компоненты тензора деформаций и подставляя  выражение в уравнение для нормальной компоненты вектора электрической индукции, получим:

08-05-2019 15-07-20  (10)

Воспользуемся условием разомкнутой цепи, а именно:

08-05-2019 15-08-44   (11)

Подставляя выражение (10) в уравнение (11) и проинтегрировав, получим выражение для определения напряженности электрического поля:

08-05-2019 15-09-48  (12)

где введено обозначение

08-05-2019 15-09-58   (13)

где  08-05-2019 15-13-15– квадрат коэффициента электромеханической связи.

Используя определение МЭ коэффициента, как 08-05-2019 15-14-49 получим:

08-05-2019 15-15-39   (14)

Когда параметр 08-05-2019 15-16-50, имеет место резонансное увеличение МЭ

коэффициента по напряжению. Поскольку 08-05-2019 15-17-06, то резонансное увеличение МЭ эффекта происходит при значении 08-05-2019 15-17-39, что соответствует условию, когда на длинной стороне образца укладывается половина длины волны. Используя дисперсионное соотношение (7) для резонансной частоты получим:

08-05-2019 15-20-16   (15)

Выражение (15) показывает, что резонансная частота зависит от модуля Юнга, толщины каждого слоя и длины образца.

Для определения частотной и полевой зависимости МЭ эффекта использовался метод регистрации переменного электрического напряжения на образце при помещении его в постоянное подмагничивающее поле напряженностью Hbias и переменное магнитное поле H, направленные вдоль длинной стороны образца. На рис. 3 приведена частотная зависимость МЭ эффекта в области резонанса.

08-05-2019 15-21-20

Рис. 3 – Частотная зависимость МЭ коэффициента по напряжению (MEVC) в области электромеханического резонанса

 

Как видно из графика, в полном соответствие с теорией, на частоте 138 kHz наблюдается пиковое увеличение МЭ коэффициента по напряжению, обусловленное наличием электромеханического резонанса. Значения резонансной частоты, рассчитанное теоретически и полученное экспериментально, хорошо согласуются между собой. Небольшое отличие наблюдается в величине значения МЭ коэффициента по напряжению. Это отличие обусловлено тем, что амплитудное значение МЭ коэффициента по напряжению прямо пропорционально произведению пьезоэлектрического и пьезомагнитного коэффициентов. Если величина пьезоэлектрического коэффициента определяется достаточно точно, то величина пьезомагнитного коэффициента зависит от величины поля подмагничивания и определяется путем дифференцирования кривой магнитострикции, в результате чего возникает погрешность в определении его величины. Кроме того, амплитудное значение МЭ коэффициента по напряжению при резонансе очень сильно зависит от параметра затухания, который также определяется недостаточно точно. Совокупность этих факторов и приводит к различию между теорией и экспериментом.

Заключение

Таким образом, слоистая композиционная структура, где в качестве ПЭ фазы использован кварц, имеет добротность Q = 93, что превышает добротность клеевой структуры Ni – ЦТС – Ni более чем в 1,5 раза [14, С. 103]. Значение МЭ коэффициента по напряжению в области электромеханического резонанса структуры на основе кварца также превосходит величину для структуры на основе ЦТС в 15 раз, что позволяет слоистым композиционным МЭ структурам Ni – Q – Ni найти широкое применение в стрейнтронике и спинтронике [15, C. 344].

Конфликт интересов

Не указан.

Conflict of Interest

None declared.

Список литературы / References

  1. Бухараев А.А. Стрейнтроника – новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах / А.А. Бухараев, А.К. Звездин, А.П.Пятаков, Ю.К. Фетисов // УФН. – 2018. – Т. 188.- №12. – С. 1288 – 1330.
  2. Zhang Highly efficient power conversion in magnetoelectric gyrators with high quality factor / J. Zhang, W. Zhu, D.A. Filippov, W.He, D. Chen, K. Li, S. Geng, Q. Zhang, L. Jiang, L. Cao, R. Timilsina, and G. Srinivasan // Rev. Sci. Instrum. – 2019. – Vol. 90. – P. 015004.
  3. Zhang Bidirectional tunable ferrite-piezoelectric trilayer magnetoelectric inductors / J. Zhang, D. Chen, D. A. Filippov, K. Li, Q. Zhang, L. Jiang, W. Zhu, L. Cao, G. Srinivasan // Appl. Phys. Lett. – 2018. – Vol. 113. – P. 113502.
  4. Burdin D.A. High-sensitivity DC field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect / D.A. Burdin, D.V. Chashin, N.A. Ekonomov, Y.K. Fetisov, A.A. Stashkevich // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2016. – Vol. 405. – P. 244-248.
  5. Филиппов Д.А. Низкочастотный и резонансный магнитоэлектрические эффекты в объемных композиционных структурах феррит никеля – цирконат – титанат свинца / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, G. Srinivasan // Журнал технической физики. – 2012 – Т. 82 – №1 – С. 47-51.
  6. Srinivasan G. Novel magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides / G. Srinivasan, E.T. Rasmussen, J. Gallegos, R. Srinivasan, Yu. I. Bokhan, V.M. Laletin // Physical Review B. – 2001. – Vol.64. – P. 214408 (1-6).
  7. Fetisov Y.K. Inverse magnetoelectric effects in a ferromagnetic-piezoelectric layered structure / Y.K Fetisov, V.M. Petrov, G. Srinivasan // J. Mater. Res. – 2007. – Vol. 22. – P.2074-2080.
  8. Fetisov Y.K. Converse magnetoelectric effects in a galfenol and lead zirconate titanate bilayer / Y.K. Fetisov, K.E. Kamentsev, D.V. Chashin, L.Y. Fetisov, Srinivasan // Journal of Applied Physics. – 2009. – Т.105. – №12. – С.123918.
  9. Филиппов Д.А. Магнитоэлектрический эффект в слоистых дискообразных магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах: теория и эксперимент / Д.А. Филиппов, Г.С. Радченко, В.М. Лалетин // ФТТ. – 2016 – Т. 58 – №3. – С. 495-501.
  10. Vopson M. Fundamentals of Multiferroic Materials / M. Vopson // Critical Reviews in Solid State and Materials Science. 2015. – Vol.40. – P. 223-250.
  11. Filippov D.A. Influence of an interlayer bonding on the magnetoelectric effect in the layered magnetostrictive-piezoelectric structure / D.A. Filippov, T.A. Galichyan, V.M. Laletin // Appl. Phys. A. – 2014. – V. 116. – P. 2167-2171.
  12. Филиппов Д.А. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, T.A Galichyan // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55. – №9. – C. 1728-1733.
  13. Filippov D.A. Magnetoelectric effect in bilayer magnetostrictive – piezoelectric structure. Theory and experiment / D.A. Filippov, V.M. Laletin, T.A. Galichyan // Applied Physics A. – 2014. – Vоl. 115. – P. 1087- 1091.
  14. Филиппов Д.А. Технология изготовления и магнитоэлектрические свойства структур цирконат – титанат свинца – никель / Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова, О.В. Антоненков // Вестник Новгородского университета им. Ярослава Мудрого. – 2015. – № 6(89). – С. 100-104.
  15. Фетисов Ю.К. Спинтроника: физические основы и устройства / Ю.К. Фетисов, А.С. Сигов //Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. – 2018. – Т. 10. – № 3. – С. 343-356.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Bukharaev A. A. Strejntronika – novoe napravlenie mikro- i nanoehlektroniki i nauki o materialah [Straintronics: a new trend in micro- and nanoelectronics and materials science] / A. A. Bukharaev, A .K .Zvezdin, A. P. Pyatakov, Y. K.Fetisov // Physics – Uspekhi. – 2018. – Vol. 61(12). – P. 1175 -1212. [in Russian]
  2. Zhang Highly efficient power conversion in magnetoelectric gyrators with high quality factor / J. Zhang, W. Zhu, D.A. Filippov, W. He, D. Chen, K. Li, S. Geng, Q. Zhang, L. Jiang, L. Cao, R. Timilsina, and G. Srinivasan // Rev. Sci. Instrum. – 2019. – Vol. 90. – P. 015004.
  3. Zhang Bidirectional tunable ferrite-piezoelectric trilayer magnetoelectric inductors / J. Zhang, D. Chen, D. A. Filippov, K. Li, Q. Zhang, L. Jiang, W. Zhu, L. Cao, G. Srinivasan // Appl. Phys. Lett. – 2018. – Vol. 113. – P. 113502.
  4. Burdin D.A. High-sensitivity DC field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect / Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., Fetisov Y.K., Stashkevich A.A. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016. – Vol. 405. – P. 244-248.
  5. Filippov D.A. Nizkochastotnyj i rezonansnyj magnitoehlektricheskie ehffekty v ob”emnyh kompozicionnyh strukturah ferrit nikelya – cirkonat – titanat svinca [Low Frequency and Resonance Magnetoelectric Effects in Nickel Ferrite–PZT Bulk Composites] / D.A. Filippov, V.M. Laletin, and G. Srinivasan // Technical Physics. – 2012. – Vol. 57. – N. 1. – P. 44–47. [in Russian]
  6. Srinivasan G. Novel magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides / G. Srinivasan, E.T. Rasmussen, J. Gallegos, R. Srinivasan, Yu. I. Bokhan, V.M. Laletin // Physical Review B. – 2001. – Vol.64. – P. 214408 (1-6).
  7. Fetisov Y.K. Inverse magnetoelectric effects in a ferromagnetic-piezoelectric layered structure / Y.K Fetisov, V.M. Petrov, G. Srinivasan // J. Mater. Res. – 2007. – Vol. 22. – P.2074-2080.
  8. Fetisov Y.K. Converse magnetoelectric effects in a galfenol and lead zirconate titanate bilayer / Y.K. Fetisov, K.E. Kamentsev, D.V. Chashin, L.Y. Fetisov, Srinivasan // Journal of Applied Physics. – 2009. – Vol.105. – N.12. – P.123918.
  9. Filippov D.A. Magnitoehlektricheskij ehffekt v sloistyh diskoobraznyh magnitostrikcionno-p’ezoehlektricheskih strukturah: teoriya i ehksperiment [Magnetoelectric effect in layered disk-shaped magnetostrictive-piezoelectric structures: Theory and experiment] / D.A. Filippov, G.S. Radchenko, V.M. Laletin // Physics of the Solid State. – 2016. – Vol.58. – N. 3. – P. 508-514. [in Russian]
  10. Vopson M. Fundamentals of Multiferroic Materials / M. Vopson // Critical Reviews in Solid State and Materials Science. 2015. – Vol.40. – P. 223-250.
  11. Filippov D.A. Influence of an interlayer bonding on the magnetoelectric effect in the layered magnetostrictive-piezoelectric structure / D.A. Filippov, T.A. Galichyan, V.M. Laletin // Appl. Phys. A. – 2014. – V. 116. – P. 2167-2171.
  12. Filippov D.A. Magnitoehlektricheskij ehffekt v dvuhslojnoj magnitostrikcionno-p’ezoehlektricheskoj strukture [Magnetoelectric Effect in a Magnetostrictive–Piezoelectric Bilayer Structure] / D. A. Filippov, V.M. Laletin, T.A. Galichyan // Physics of the Solid State. – 2013. – Vol. 55. – N. 9. – P. 1840–1845.
  13. Filippov D.A. Magnetoelectric effect in bilayer magnetostrictive-piezoelectric structure. Theory and experiment / D.A. Filippov, V.M. Laletin, T.A. Galichyan // Applied Physics A. – 2014. – Vоl. 115, – P. 1087- 1091.
  14. Filippov D.A. Technologiya isgotovleniya i magnitoelektricheskiye svoistva struktur zirkonat – titanat svinza – nikel’ [The technology of fabrication and magnetoelectric properties of the structures zirconate – lead titanate – nickel] / D.A. Filippov, V.M. Laletin, T.O. Firsova, O.V. Antonenkov // Vestnik Novgorodskogo Universiteta im. Yaroslava Mudrogo [Bulletin of Novgorod University. Yaroslav The Wise] – 2015. – № 6 (89). – P. 100-104. [in Russian]
  15. Fetisov Y.K. Spintronika: fizicheskie osnovy i ustrojstva [Spintronics: physical foundations and devices] / K. Fetisov, A.S. Sigov // RadioElectronics. NanoSystems. Information Technologies. – 2018. – Vol. 10. – N3. – P. 343-356

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.