Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Бичурин М И, Петров В М,
ВВЕДЕНИЕ
Материалы, в которых одновременно присутствуют ферромагнитное и сегнетоэлектрическое упорядочение в одной фазе, а также возникает между ними связь, называются магнитоэлектрическими (МЭ) мультиферроиками. Индуцированная поляризация P связана с магнитным полем H соотношением P = αH, где α – тензор МЭ восприимчивости [1, 2]. Большинство известных однофазных МЭ материалов обнаруживают слабый МЭ эффект [3–6]. Можно ожидать, что композиционный материал, состоящий из пьезомагнитной и пьезоэлектрической фаз будет иметь сравнительно большие МЭ коэффициенты, поскольку α = δP/δH является результатом пьезомагнитной деформации δz/δH и пьезоэлектрической генерации заряда δQ/δz [7-14]. Нас интересует динамический МЭ эффект. Приложение переменного магнитного поля δH к подмагниченному и поляризованному образцу приводит к индуцированию напряжения δV [15–17]. МЭ коэффициент по напряжению aE = δE/δH = δV/tδH и α = εoεrαE, где t – толщина композита, а εr – относительная диэлектрическая проницаемость. На сегодняшний день структуры ЦТС-феррит и ЦТС-Терфенол-Д являются наиболее изученными композитами [18, 19]. Наибольший МЭ коэффициент по напряжению порядка 500 В/см Э был получен для слоистой структуры на основе высокопроницаемой магнитострикционной магнитной компоненты и волокнистой пьезокерамики [19].
Наноструктуры в виде проволоки, стержней и пленок имеют большое значение для увеличения функциональности миниатюрных устройств [20]. Модели низкочастотного МЭ эффекта в наностержнях и двухслойных наноструктурах состава BaTiO3–CoFe2O4 были недавно описаны в [21]. Авторы рассматривали влияние остаточной деформации на поляризацию и вклад МЭ взаимодействия в величину индуцированной поляризации, используя теорию Ландау-Гинзбурга-Девоншира.
К настоящему времени отсутствует общая теория, учитывающая влияние размеров и формы структур на величину МЭ эффекта в композитах, включая наноструктуры. Изучение МЭ свойств наноструктурных композитов будет способствовать миниатюризации новых МЭ устройств.
В этой работе мы концентрируем внимание на теоретическом описании МЭ эффектов в слоистых наноструктурах в диапазоне низких частот и электромеханического резонанса (ЭМР). Основные особенности нашего подхода следующие: (1) Выражения для МЭ коэффициентов получены путем решения уравнений эластостатики/эластодинамики, электростатики и магнитостатики при использовании материальных параметров объемных компонентов (пьезоэлектрические коэффициенты, константы магнитострикции, модули упругости и др.). (2) Обобщенные выражения для МЭ коэффициентов учитывают эффект зажатия подложки. (3) Построена теоретическая модель МЭ взаимодействия в области изгибных мод наноструктуры. (4) Получена оценка влияния несоответствия кристаллических решеток фаз композита и подложки на материальные параметры структуры. (5) Теоретическая модель возрастания МЭ эффекта в области ЭМР получена на основе уравнений эластодинамики. (6) Показано, что использование изгибных колебаний позволяет получить гигантский МЭ эффект в области ЭМР при низких значениях резонансных частот.
В феррит-пьезоэлектрических композитах наблюдаются два важных взаимодействия в диапазоне СВЧ:
1) связь между СВЧ магнитным полем и постоянным электрическим полем;
2) связь между СВЧ магнитным и электрическим полями. Первое взаимодействие проявляется в виде влияния электрического поля на магнитную восприимчивость, тогда как последнее описывает СВЧ МЭ восприимчивость. Исследование имеет важное значение для анализа высокочастотных MЭ свойств и для практического использования композитов в устройствах электроники.
В данной работе разработано несколько теоретических моделей для многослойных MЭ композитов в СВЧ диапазоне. Предоставлена общая теория высокочастотной восприимчивости композита. Основными задачами этого исследования являются:
1) моделирование влияния постоянного электрического поля на магнитную восприимчивость композита, содержащего ферромагнитную составляющую;
2) получение общего вида MЭ тензора восприимчивости и определение выражений компонент;
3) оценка компонентов MЭ тензора восприимчивости на основе экспериментальных данных;
4) теоретическое моделирование MЭ эффекта при совпадении ферромагнитного и электромеханического резонансов.
Теория предсказывает резонансную зависимость магнитной восприимчивости от электрического поля. Предлагается методика вычисления МЭ коэффициентов с учетом влияния зажатия подложки и изгибных деформаций образца. Рассматривается также высокочастотная MЭ восприимчивость феррит-пьезоэлектрических композитов. Приведены оценки MЭ восприимчивости для конкретных образцов в зависимости от приложенных электрического и магнитного полей. MЭ восприимчивость является ключевым параметром для проектирования устройств СВЧ на основе МЭ эффекта. Теория предсказывает гигантский МЭ эффект в монокристаллической феррит-пьезоэлектрической двухслойной структуре в области магнитоакустического резонанса (МАР).