МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ НИКЕЛЬ – КВАРЦ – НИКЕЛЬ | Опубликовать статью РИНЦ

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 () и значение диэлектрической проницаемости (), 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.

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. , 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.

 

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:

   (1)

где  – среднее значение плотности структуры, и   – среднее значение тензора напряжений структуры, – толщина магнетика, пьезоэлектрика и клеевого слоев соответственно. Уравнения для тензора деформаций ПЭ фазы , МС фазы, и x–проекции вектора электрической индукции  в этом приближении имеют вид:

где  – компоненты тензора напряжений и модули Юнга ПЭ и МС фаз;  – ПЭ и пьезомагнитный коэффициенты,  – тензор диэлектрической проницаемости.

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

   (5)

где  – 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:

   (6)

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

   (7)

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

   (8)

Для постоянных интегрирования  и получим:

   (9)

где введен параметр . Выражая компоненту тензора напряжений через компоненты тензора деформаций и подставляя  выражение в уравнение для нормальной компоненты вектора электрической индукции, получим:

  (10)

Воспользуемся условием разомкнутой цепи, а именно:

   (11)

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

  (12)

где введено обозначение

   (13)

где  – квадрат коэффициента электромеханической связи.

Используя определение МЭ коэффициента, как  получим:

   (14)

Когда параметр , имеет место резонансное увеличение МЭ

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

   (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 H_bias и переменное магнитное поле H, направленные вдоль длинной стороны образца. На рис. 3 приведена частотная зависимость МЭ эффекта в области резонанса.

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.