Нелинейные магнитоэлектрические эффекты в композитных мультиферроидных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, доктор наук Фетисов Леонид Юрьевич

• Фетисов Леонид Юрьевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Фетисов Леонид Юрьевич

Список сокращений и обозначений

Введение

Глава 1 Магнитоэлектрические эффекты и их применения

1.1 Магнитоэлектрический эффект: определения, открытие и исследования

1.2 Магнитоэлектрический эффект в однофазных материалах

1.3 Магнитоэлектрический эффект в композитах

1.3.1 "Производные" свойства и материалы

1.3.2 Магнитоэлектрические эффекты в объемных композитах

1.3.3 Магнитоэлектрические эффекты в слоистых композитах

1.4 Теоретическое описание магнитоэлектрических эффектов в композитах

1.5 Нелинейные магнитоэлектрические эффекты

1.6 Магнитоэлектрические эффекты в структурах с новыми пьезоэлектриками

1.7 Устройства на основе магнитоэлектрических эффектов

1.7.1 Датчики магнитных полей

1.7.2 Магнитоэлектрические элементы памяти

1.7.3 Устройства обработки радиосигналов

1.7.4 Автономные источники энергии

Выводы по Главе

Глава 2 Материалы композитных структур и методики измерений

2.1 Магнитные материалы композитных структур

2.1.1 Никель

2.1.2 Пермендюр

2.1.3 Галфенол

2.1.4 Аморфный сплав Metglas

2.1.5 Редкоземельный сплав Терфенол-Д

2.1.6 Никелевый и кобальтовый ферриты

2.2 Пьезоэлектрические материалы композитных структур

2.2.1 Керамика на основе цирконата-титаната свинца

2.2.2 Керамика на основе магниониобата-титаната свинца

2.2.3 Кварц

2.2.4 Монокристаллический лангатат

2.2.5 Монокристаллический катангасит

2.2.6 Пьезополимер

2.2.8 Пьезополупроводник арсенид галлия

2.3 Технологии изготовления композитных слоистых структур

2.4 Методики измерений параметров материалов

2.4.1 Измерение кривых намагничивания

2.4.2 Измерение магнитострикции и электрострикции

2.4.3 Измерение пьезоэлектрических коэффициентов

2.4.4 Измерение диэлектрических параметров

2.4.5 Измерение характеристик магнитоэлектрического эффекта методом модуляции магнитного поля

2.4.6 Импульсные измерения магнитоэлектрического эффекта

2.4.7 Температурные измерения магнитоэлектрического эффекта

Выводы по Главе

Глава 3 Линейные магнитоэлектрические эффекты в композитных структурах

3.1 Основные характеристики магнитоэлектрических эффектов

3.2 Магнитоэлектрические эффекты в структурах с разными ферромагнитными слоями

3.2.1 Магнитоэлектрический эффект в структурах с никелем

3.2.2 Магнитоэлектрический эффект в структурах с аморфным сплавом

3.2.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах с пермендюром

3.2.4 Магнитоэлектрический эффект в структурах с галфенолом

3.2.5 Магнитоэлектрический эффект в структуре с двумя ферромагнетиками . 96 Выводы по разделу

3.3 Магнитоэлектрические эффекты в структурах с разными

пьезоэлектрическими слоями

3.3.1 Магнитоэлектрический эффект в структурах с пьезокерамикой

3.3.2 Магнитоэлектрический эффект в структурах с кварцем

3.3.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах с лангататом

3.3.4 Магнитоэлектрический эффект в структурах с катангаситом

3.3.5 Магнитоэлектрический эффект в структурах с пьезополимером

3.3.6 Магнитоэлектрический эффект в структурах с полупроводником

Выводы по разделу

3.4 Влияние проводимости слоёв на магнитоэлектрический эффект

3.5 Влияние постоянного электрического поля на характеристики магнитоэлектрических эффектов

Выводы по Главе

Глава 4 Нелинейные магнитоэлектрические эффекты, обусловленные нелинейностью магнитострикции ферромагнитного слоя

4.1 Теория нелинейных эффектов, обусловленных нелинейностью магнитострикции

4.2 Статическая деформация ферромагнетика в переменном поле

4.3 Удвоение частоты в резонансном и нерезонансном режимах

4.3.1 Резонансное удвоение частоты в структуре ферромагнетик - пьезобиморф

4.3.2 Резонансное удвоение частоты в структурах с разными ферромагнетиками

4.3.3 Нерезонансное удвоение частоты в структуре ферромагнетик-пьезополимер

4.4 Смешение частот магнитных полей в резонансном режиме

4.5 Нелинейные эффекты при больших амплитудах возбуждающего поля

4.5.1 Амплитудно-частотная характеристика и спектр частот напряжения

4.5.2 Расчёт характеристик магнитоэлектрического эффекта при больших амплитудах возбуждающего поля

4.5.3 Генерация высших гармоник магнитоэлектрического напряжения

4.6 Нелинейные магнитоэлектрические эффекты при импульсном возбуждении

структур

4.7 Подавление магнитоэлектрического гистерезиса при больших полях возбуждения

Выводы по Главе

Глава 5 Нелинейные магнитоэлектрические эффекты, обусловленные эластомагнитной нелинейностью ферромагнитного слоя

5.1 Теория нелинейных магнитоэлектрических эффектов, обусловленных эластомагнитной нелинейностью

5.2 Удвоение частоты при обратном магнитоэлектрическом эффекте

5.3 Суммирование частот магнитного и электрического полей

5.4 Бистабильность в магнитоэлектрическом резонаторе

Выводы по главе

Глава 6 Нелинейные эффекты, обусловленные электрострикционной нелинейностью

6.1 Теория нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структуре с электростриктором

6.2 Характеристики электрострикционного слоя и методики измерений

6.3 Удвоение и смешение частот в структуре ферромагнетик-электростриктор .. 211 Выводы по Главе

Глава 7 Устройства на основе нелинейных магнитоэлектрических эффектов

7.1 Широкополосный датчик переменных магнитных полей

7.2 Высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей

7.3 Пороговый датчик магнитных полей

7.4 Линейный магнитоэлектрический датчик постоянных магнитных полей компенсационного типа

Выводы по Главе

Заключение

Список литературы

Список сокращений и обозначений

МЭ - Магнитоэлектрический

ФМ - Ферромагнетик

ПЭ - Пьезоэлектрик

СЭ - Сегнетоэлектрик

ЭС - Электростриктор

PZT - ЦТС- цирконат титаната свинца

LGT - Лангатат

CTGS - Катангасит

P - Пермендюр

АФС - AF - Аморфный ферромагнитный сплав

МЭМС - Микроэлектромеханические системы

ФМР - Ферромагнитный резонанс

СВЧ - Сверхвысокие частоты

АЧХ - Амплитудно - частотная характеристика

YIG - Железоиттриевый гранат

GGG - Галлий-гадолиниевый гранат

PVDF - ПВДФ - поливинилиденфторид

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные магнитоэлектрические эффекты в композитных мультиферроидных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик»

Актуальность

В последние годы проводятся интенсивные исследования магнитоэлектрических (МЭ) эффектов в мультиферроидных материалах, обладающих одновременно как ферромагнитным (ФМ), так и ферроэлектрическим (ФЭ) упорядочением. Интерес к таким исследованиям вызван богатой физикой наблюдающихся явлений и возможностью создания на их основе новых устройств микро-, наноэлектроники и микросистемной техники, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, переключаемые электрическим полем элементы магнитной памяти, управляемые устройства обработки радиосигналов и др. [1,2].

Магнитоэлектрический эффект в мультиферроидных материалах проявляется в виде изменения поляризации материала P под действием магнитного поля H (прямой эффект) или изменения намагниченности M или поля анизотропии материала под действием электрического поля E (обратный эффект). В однофазных материалах (таких как &2O3, BiFeO3 и др), эффект, как правило, мал по величине и наблюдается либо при низких температурах, либо в больших магнитных полях [3]. Значительно больший эффект обнаружен в композитных материалах, содержащих ФМ и ФЭ фазы в виде монолитной слоистой структуры либо в виде объёмной керамики из смеси порошков. Эффект возникает вследствие комбинации магнитострикции ФМ фазы и пьезоэффекта в ФЭ фазе из-за механической связи между компонентами [4]. Многослойные структуры с чередующимися ФМ и ФЭ слоями обладают, по сравнению с объёмными композитами, более высокими МЭ характеристиками, т.к. в них можно эффективно поляризовать ФЭ слои, шире возможности выбора материалов и размеров слоев структуры, ориентаций управляющих полей. Слои структур обычно изготавливают из материалов с высокой магнитострикцией (ферриты, металлы Ni, Co, сплавы FeCo, GaFe, Terfenol-D и т.д.) и большим пьезомодулем (керамика PZT, монокристаллы PMN-PT, FeGa, AlN, и т.д.). Величину прямого МЭ эффекта в композитных структурах (эффективность преобразования полей) характеризует МЭ коэффициент aE=8E / SH, где SE - электрическое поле, генерируемое под действием магнитного поля SH. Величину обратного МЭ эффекта характеризует коэффициент aH = SM / SE, где SM - изменение намагниченности структуры под действием электрического поля SE. К настоящему времени детально исследованы характеристики

7

прямого МЭ эффекта в структурах разных составов и геометрий, при различных частотах и ориентациях магнитных и электрических полей и достигнуты значения коэффициента преобразования полей аЕ ~ 0.1 - 102 В/(Эсм). Обнаружено, что при совпадении частоты возбуждающего магнитного поля с частотой какого-либо акустического резонанса структуры МЭ коэффициент может достигать значений аЕ ~ 103 -104 В/(Эсм) из-за резонансного роста деформаций [5].

К моменту начала работы над диссертацией (~2007 год) практически все исследования МЭ эффектов проводили в линейном режиме: амплитуды возбуждающих магнитного или электрического полей были много меньше, соответственно, поля насыщения магнитострикции ФМ слоя к << Н или поля переполяризации ФЭ слоя е << Еъ; отклик структур регистрировали на частоте возбуждающего поля. Вместе с тем известно, что как ферромагнитные, так ферроэлектрические материалы оби и 1 и т т

ладают высокой нелинейностью: магнитострикция А нелинейно зависит от Н, а пье-зодеформация нелинейно зависит от Е. Это должно приводить к различным нелинейным МЭ эффектам при достижимых в экспериментах амплитудах управляющих полей. Была опубликована единственная работа, где в композитной структуре никелевый феррит - цирконат титаната свинца при увеличении амплитуды магнитного поля наблюдали генерацию гармоник напряжения. Таким образом, существовала необходимость в детальном исследовании нелинейных МЭ эффектов в композитных мультиферроидных структурах, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.

Основной целью диссертации являлись поиск и исследование нелинейных МЭ эффектов в композитных мультиферроидных структурах на основе различных ферромагнитных и сегнетоэлектрических материалов, и демонстрация возможностей их применений в микро-, наноэлектронике и микросистемной технике.

Научные задачи, которые решались для достижения поставленной цели:

- Исследование линейных магнитоэлектрических эффектов в композитных структурах из различных ферромагнитных и пьезоэлектрических материалов;

- Исследование нелинейных магнитоэлектрических эффектов в композитных структурах при возбуждении переменным магнитных полем;

- Исследование нелинейных характеристик магнитоэлектрических эффектов в композитных структурах при возбуждении переменным электрическим полем;

- Разработка технологий и изготовление композитных мультиферроидных структур ферромагнетик-пьезоэлектрик различных составов;

- Демонстрация возможностей использования нелинейных магнитоэлектрических эффектов для создания устройств микроэлектроники и микросистемной техники.

Научная новизна работы

1. Впервые обнаружены и исследованы резонансные МЭ эффекты в структурах с пьезоэлектрическими слоями из монокристаллов лангатата, катангасита и кварца. Показано, что для увеличения эффективности преобразования полей в композитных структурах следует использовать пьезоматериалы с большим отношением пьезомодуля к относительной диэлектрической проницаемости.

2. Впервые обнаружены и исследованы нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты напряжения, генерации гармоник напряжения и генерации напряжения с комбинационными частотами в композитных структурах с ферромагнитными слоями из никеля, пермендюра, галфенола, аморфного сплава при их возбуждении переменными магнитными полями. Показано, что эффекты возникают из-за нелинейной зависимости магнитострикции ферромагнетика от постоянного магнитного поля.

3. Впервые обнаружены и исследованы нелинейные МЭ эффекты генерации гармоник напряжения и напряжения с комбинационными частотами в гибких структурах со слоями из аморфного сплава и полимерного пьезоэлектрика при их возбуждении переменным магнитным полем.

4. Продемонстрировано управление характеристиками прямого МЭ эффекта в композитных структурах (частотой, эффективностью преобразования полей, добротностью резонанса) с помощью постоянного электрического поля, приложенного к структуре.

5. Впервые обнаружены и исследованы нелинейные МЭ эффекты при возбуждении мультиферроидной композитной структуры импульсами магнитного поля большой амплитуды.

6. Впервые обнаружен эффект подавления гистерезиса прямого МЭ эффекта при увеличении амплитуды возбуждающего переменного магнитного поля.

7. Разработана методика расчёта характеристик нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах для произвольных амплитуд возбуждающего магнитного поля, сравнимых с полем насыщения магнитострикции ферромагнетика.

8. Исследована бистабильность в нелинейном МЭ резонаторе на основе структуры ферромагнетик-пьезоэлектрик при возбуждении переменным электрическим полем.

9. Впервые обнаружены и исследованы нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты колебаний намагниченности и генерация колебаний намагниченности с комбинационными частотами в структуре ферромагнетик-электростриктор при её возбуждении переменными электрическими полями. Показано, что эффекты возникают из-за нелинейной зависимости электрострикции от постоянного электрического поля.

10. Впервые обнаружены нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты намагниченности и генерации намагниченности с комбинационными частотами в структуре ферромагнетик-пьезоэлектрик при её возбуждении переменными магнитным и электрическим полями, обусловленные нелинейностью эластомагнитного эффекта.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для достижения высокой эффективности линейного и нелинейного магнитоэлектрических преобразований в композитных планарных структурах ферромаг-нетик-пьезоэлектрик следует использовать слои из ферромагнетиков с высокой маг-нитострикцией А, насыщающихся в малых магнитных полях (например, из аморфных сплавов) и слои из пьезоэлектриков с наибольшим отношением пьезомодуля к диэлектрической проницаемости ^/е и высокой акустической добротностью Q (например, из монокристаллов кварца, лангатата или арсенида галлия).

2. Нелинейность прямого магнитоэлектрического эффекта при возбуждении структур ферромагнетик-пьезоэлектрик переменным магнитным полем возникает из-за нелинейной зависимости магнитострикции ферромагнитного слоя структуры от магнитного поля. Нелинейность приводит к статической деформации структуры под действием переменного поля, генерации гармоник напряжения и генерации напряжения с комбиинационными частотами. Амплитуды гармоник напряжения пропорциональны производным от магнитострикции по магнитному полю и степенным образом зависят от амплитуды возбуждающего магнитного поля.

3. При прямом магнитоэлектрическом эффекте в структуре ферромагнетик-пьезоэлектрик увеличение амплитуды возбуждающего переменного магнитного поля до уровня, сравнимого с полем насыщения ферромагнитного слоя, приводит к

подавлению гистерезиса в зависимости амплитуд гармоник генерируемого напряжения от постоянного магнитного поля.

4. Нелинейность обратного магнитоэлектрического эффекта при возбуждении структур ферромагнетик-пьезоэлектрик переменным электрическим полем возникает из-за нелинейной зависимости намагниченности (индукции) магнитного слоя структуры от деформации. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и возникновению бистабильности в резонаторе. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от индукции по деформации и степенным образом зависят от амплитуды электрического поля. При возбуждении структуры одновременно электрическим и магнитным полями имеет место генерация намагниченности с комбинационными частотами. Эффективность генерации комбинационных гармоник пропорциональна пьезомагнитному модулю ферромагнитного слоя и амплитудам полей.

5. В структуре ферромагнетик-электростриктор при возбуждении обратного магнитоэлектрического эффекта переменным электрическим полем нелинейная зависимость деформации электрострикционного слоя структуры от электрического поля приводит к генерации гармоник намагниченности и генерации намагниченности с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны пьезо-магнитному коэффициенту ферромагнитного слоя, производным от деформации пьезоэлектрического слоя по электрическому полю и степенным образом зависят от амплитуды возбуждающего электрического поля. Прямой магнитоэлектрический эффект в структуре ферромагнетик-электростриктор отсутствует.

6. Разработана теория, описывающая нелинейные прямой и обратный магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик при возбуждении структур переменными электрическими и магнитными полями малой амплитуды. В теории использована нелинейная зависимость магнитострикции ферромагнитного слоя от магнитного поля и нелинейная зависимость деформации пьезоэлектрического от электрического поля. Теория описывает статическую деформацию структур в переменных полях, генерацию гармоник напряжения и намагниченности, генерацию напряжения и намагниченности с комбинационными частотами. При амплитудах возбуждающих полей, сравнимых с полями насыщения ферромагнитного и пьезоэлектрического слоёв, расчёт характеристик нелинейных магнитоэлектрических эффектов проводится численными методами.

7. На основе нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структурах фер-ромагнетик-пьезоэлектрик созданы: широкополосный датчик переменных магнитных полей; высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей (аналог flux-gate магнетометра); пороговый датчик переменных магнитных полей и датчик постоянных магнитных полей компенсационного типа с линейной характеристикой и расширенным диапазоном.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Экспериментальные исследования в работе были проведены на современном высокоточном измерительном оборудовании, в том числе с использованием разработанных в ходе выполнения работы автоматизированных установок, что обеспечило высокую воспроизводимость результатов при многократных измерениях. Данные измерений хорошо согласуются с предсказаниями теории и результатами выполненных расчетов, а также подтверждаются результатами, независимо полученными позднее другими зарубежными и российскими научными группами. Результаты диссертационной работы опубликованы в высокорейтинговых международных рецензируемых журналах и прошли апробацию на ведущих международных научных конференциях.

Практическая значимость работы

Разработанные в работе экспериментальные подходы и методы могут быть использованы для исследования МЭ эффектов в композитных структурах новых составов. Предложенная методика расчёта нелинейных характеристик МЭ эффекта при произвольно больших амплитудах возбуждающего магнитного поля найдёт применение для моделирования характеристик устройств, использующих нелинейные МЭ эффекты в композитных структурах. Предложены, изготовлены и исследованы новые типы датчиков магнитных полей на основе нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах: датчик постоянных полей на эффекте удвоения частоты, датчик постоянных полей, использующий эффект генерации гармоник, пороговый датчик магнитных полей и датчик постоянных полей компенсационного типа.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих 34-х международных и российских научных конференциях и симпозиумах: Международная конференция «Micro- and nanoelectronics», Звенигород 2007; Moscow

International Symposium on Magnetism, Москва 2008, 2011, 2014, 2017; Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Москва 2008, 2018, Астрахань 2012; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» Москва 2009; Joint European Magnetic Symposia, Dublin 2008, Mainz 2018; European Conferences on Application of Polar Dielectrics, Rome 2008, Москва 2018; International Conference on Functional Materials, Partenit, Krimea 2009, 2013; International symposium «Progress in Electromagnetic Research», Moscow 2009; 12th International Meeting on Ferroelectricity and the 16th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics, Xi'an 2009; International Conference on Magnetism, Karlsrue 2009; Beijing 2015; 4-я Байкальская международная конференция "Магнитные материалы. Новые технологии", Иркутск 2010; Международная научная конференция "Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники", Кацивели, Крым 2010; 19-я Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков, Москва 2011; European Conference on Magnetic Sensors and Actuators, Praha 2012, Vienna 2014, Torino 2016, Athens 2018; International conference «Joint ISAF-ISIF-PFM Conference», Singapore 2015; Euro-Asian Symposiums "Trends in Magnetism", Красноярск 2016; Международная конференция "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения", Москва 2016, 2018; International Baltic Conference on Magnetism, Светлогорск 2017, 2019.

Внедрение результатов работы и рекомендация по использованию

Результаты работы использованы при проведении исследований по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 11-02-12241-офи-м, 13-02-12425-офи-м, 16-29-14017-офи-м, 18-502-12037-ннио_а), Российского научного фонда (проект 17-12-01435), в ходе выполнения Госзадания от Министерства образования и науки РФ (задания 3.76.2014К и 8.1183.2017), при выполнении прикладной НИР № 14.583.21.0009 в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы". Результаты исследований (защищенные 3-мя патентами) могут быть использованы для создания датчиков постоянных и переменных магнитных полей. Результаты работы включены в новые курсы "Компоненты микросистемной техники", "Функциональные материалы микро- и наноси-

стемной техники" и "Мультиферроидные материалы и устройства", входящие в программу подготовки бакалавров и магистров по направлениям 28.03.01; 28.04.01 «Нано-технологии и микросистемная техника» и 11.03.04; 11.04.04 «Электроника и наноэлектро-ника» в РТУ МИРЭА.

Личный вклад автора состоит в формулировке задач исследований, выборе и обосновании части направлений и методов исследований, разработке теоретических моделей, проведении оценок и расчетов, интерпретации результатов проведённых исследований. Все экспериментальные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в подготовке и написании статей по теме диссертации, лично докладывал результаты на международных конференциях.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ в рецензируемых журналах, индексируемых Web of Science или Scopus и входящих в список ВАК РФ, одна монография и получено 3 патента.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 262 наименования. Объём диссертации составляет 269 страниц текста, в том числе 165 иллюстраций и 10 таблиц.

Глава 1 Магнитоэлектрические эффекты и их применения

В разделе приведен краткий обзор исследований в области магнитоэлектрических (МЭ) материалов и эффектов, включающий основные определения, историю развития исследований, экспериментальные исследования МЭ эффектов в однофазных материалах, объемных композитах и слоистых композитных структурах, теоретические описания МЭ эффектов, примеры использования МЭ эффектов для создания устройств. Рассмотрены в основном результаты, полученные до момента начала исследований по теме диссертационной работы, т.е. до 2007 года. Ввиду значительного количества публикаций по теме, в разделе приведены ссылки главным образом на приоритетные работы и обзоры.

1.1 Магнитоэлектрический эффект: определения, открытие и исследования

Магнитоэлектрический (МЭ) эффект определяют, как появление (или изменение) электрического момента вещества Р во внешнем магнитном поле Н (прямой эффект) или появление (изменение) намагниченности вещества М во внешнем электрическом поле Е. МЭ эффект наблюдается в так называемых мультиферроиках -твердых телах, которые одновременно обладают как магнитным, так и электрическим упорядочением (см. рис. 1.1).

История МЭ эффекта начинается, по-видимому, с 1894 г., когда Кюри на основании симметрийных рассмотрений высказал предположение о возможности одновременного существования в веществе как магнитного, так и электрического упорядочения [6]. Ландау и Лифшиц в 1957 г. теоретически показали, что МЭ эффекты могут существовать только в кристаллах с нарушением по отдельности простран-

▲ ц р И" ▲ И м ▲ И Е

(а) (б)

Рис. 1.1. Схема наблюдения прямого (а) и обратного (б) МЭ эффектов.

ственной и временной симметрии, но сохранением комбинированной пространственно-временной симметрии, и сформулировали термодинамическое описание МЭ эффектов [7]. Дзялошинский рассмотрел проблему более подробно и в 1959 г. предсказал существование МЭ эффекта в антиферромагнетике Cr2Oз [8]. Экспериментально обратный МЭ эффект обнаружил Астров в 1960 году в монокристаллах Cr2Oз: он зарегистрировал изменение статической намагниченности образца при помещении его в постоянное электрическое поле [9]. Годом позже Фолен и Радо обнаружили также и прямой МЭ эффект: изменение поляризации кристалла Cr2O2 во внешнем магнитном поле [10].

В монокристаллах прямой и обратный МЭ эффекты описывается с помощью тензорных соотношений [11,12]:

с 1

р = р ^^ +аиН, + - ^^ (!Л)

с 1

+М«М,Н1 ^ +-РЕ,Е + О-2)

где обозначено Р* и М* - спонтанные поляризация и намагниченность, е0 и ¡и0 - диэлектрическая и магнитная постоянные, еу и - компоненты тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости, а{ и а - компоненты тензора линейной магнитоэлектрической восприимчивости, Р и у - компоненты тензоров восприимчивости следующего порядка. Показано, что есть ограничение на величины компонентов

тензора линейной МЭ восприимчивости [13,14]

-

а- . (1.3)

Из соотношения (1.3) следует, что значительный линейный МЭ эффект может существовать только в мультиферроидных кристаллах, обладающих одновременно высокой магнитной и диэлектрической проницаемостями. Для Cr2Oз компонент тензора МЭ восприимчивости оказался небольшим и равным а ~ дР / дН « 4.1 пс/м. В качестве характеристики прямого МЭ эффекта также часто используют так называемый "МЭ коэффициент" аЕ = 5Е / дН, который в системе СИ связан с а соотношением аЕ =а/(ее). Для Cr2Oз МЭ коэффициент аЕ ~ 20 мВ/(Эсм).

Наряду с МЭ эффектом, выделяют также так называемый "флексомагнито-электрический" эффект или "неоднородный магнитоэлектрический" эффект, проявляющийся в возникновении электрической поляризации в кристаллах с пространственно-неоднородными спиновыми структурами или формировании неоднородных магнитных структур при электрической поляризации вещества [2]. Такие эффекты обнаружены в кристаллах, обладающих одновременно магнитным и сегнетоэлектри-ческим упорядочением [15].

С 1960 г. по ~1990-е годы проводились интенсивные исследования, направленные на поиск новых кристаллов, обладающих МЭ эффектом. Было организовано несколько международных конференций "Magnetoelectric interaction phenomena in crystals" (MEIPIC), посвященных исключительно этим вопросам. В 1973 г. Вуд и Остин опубликовали статью, где описали несколько десятков возможных устройств на основе МЭ эффектов [16]. Однако затраченные усилия не дали прорывных результатов. У большинства вновь обнаруженных кристаллов МЭ эффект был мал по величине, либо существовал только при низких температурах или в больших магнитных полях, что исключало его практическое использование. Интерес к исследованию МЭ эффектов вновь возродился только в начале 1990-х годов, когда были созданы различные искусственные композитные материалы, обладающие гигантским МЭ эффектом при комнатной температуре [11].

Рис. 1.2. Число статей по теме "магнитоэлектрический эффект" по данным поиска в системе "Web of Science".

На рис. 1.2 показан рост числа публикаций по теме "магнитоэлектрический эффект", начиная с 1995 года по настоящее время. Видно, что количество публикаций в год за прошедшие время росло экспоненциально, но к данному моменту скорость роста замедлилась.

1.2 Магнитоэлектрический эффект в однофазных материалах

К настоящему времени синтезированы мультиферроидные однофазные материалы (монокристаллы и керамики) более 100 различных составов, в которых обнаружен МЭ эффект. Некоторые из них перечислены в Таблице 1.1. В квадратных скобках здесь и далее даны ссылки на оригинальные исследования.

Таблица 1.1. Однофазные магнитоэлектрические мультиферроики [17].

Группа Состав

Перовскиты ЫБеОз [18]; ЫЫпОз [19]; ТЬМдОз [20]; НоМпОз [21]; УМпОз, ЬаМпОз [22]; ЫБеОз - БаТЮз; ЫодаЬао^еОз; ЬазМ2№О9 [23]

Оливины ЫСоРО4 [24]; КМРО4 [25]

Борациты М3В7О131 [26]; С03В7О13С1 [27]; СГ3В7О13С1 [28]

Фазы Ауривиллия В15Т1зБеО15 [29]; ЬаВ14ВДеО15; В1бВДе2О18 [30]; В18Т13Бе4О24

Магнетит Ре3О4 [31]

Гексаферриты (Ва, 8г)3Ме12ре24О41 [32], (Ва, 8г)2/п2ре12О22

Редкоземельные ферробораты и алюмобораты КБе3(ВО3)4 (Я = Бш, Ш) [33] [34] КЛЪ(ВО3> (Я = У1) [35]

Гематит СГ2О3 [36]

Другие ЯМП2О5 (Я = Тш, Ег, УЬ, У, Но, ТЬ) [37]; ТЬ2(МоО4)3 [38]; Оё2(МоО4)3 [39]; Я2СиО4 (Я = Оё, Бш, Ш) [40]

Большая часть однофазных мультиферроиков имеет магнитную структуру типа "слабый ферромагнетик" (например Cr2Oз), часть - ферримагнетики (например, YзFe5Ol2), и незначительная часть относится к антиферромагнетикам (например, TbPO4 [41]). Подавляющее большинство перечисленных однофазных материалов являются ферроэлектриками (сегнетоэлектриками).

Температуры фазовых магнитных и электрических переходов большинства однофазных материалов лежат ниже комнатной. Так, температура Кюри ТС магнитного перехода изменяется от Tc = 27 K для TbMnOз [20] до Tc = 1083 K для BiFeOз [18]. Температура Нееля Ты ферроэлектрического перехода изменяется от 28 K для TbMnOз [42] до 2з0 К для СиО [4з]. Магнитоэлектрический эффект в перечисленных мультиферроиках сравним с МЭ эффектом в Сг2Оз и имеет наибольшую величину аЕ ~ 1-20 В/(Эхм).

Особо следует отметить ряд однофазных мультиферроидных материалов, которые обладают МЭ эффектом при температурах близких к комнатной или выше комнатной, что крайне важно для возможных применений [44]. К ним относятся такие, как Сг2Оз (Тс = з 12 К и Ты = з07 К), феррит висмута BiFeOз [45] (Тс = 108з К и Ты = 67з К) и замещенные гексаферриты состава SrзCo2F24O4l [з2]. Объемные образцы BiFeOз имеют циклоидальную магнитную структуру, которая разрушается только в магнитных полях выше ~200 кЭ, поэтому в слабых полях МЭ эффект в них тоже мал. Однако показано [46], что в тонких пленках BiFeOз, из-за несоответствия параметров пленки и подложки, деформация трансформирует циклоидальную структуру в слабо ферромагнитную и величина МЭ эффекта возрастает до а ~ 10 пс/м, т.е. становится больше, чем в Сг2Оз. Из недавно открытых мультиферроиков наибольшим МЭ эффектом при комнатной температуре обладают тонкие пленки замещенного гексаферрита состава SrCo2Ti2Fe8Ol9 [47], которые имеют а ~ 6 пс/м.

На сегодняшний день, по-видимому, только окись хрома, феррит висмута и гексаферриты можно рассматривать как перспективные однофазные материалы для создания устройств на основе МЭ эффекта, работающих при комнатной температуре.

1.3 Магнитоэлектрический эффект в композитах

1.3.1 "Производные" свойства и материалы

Магнитоэлектрический эффект может быть реализован также в искусственно созданных композитных материалах, состоящих из двух или более однофазных материалов. Ван Зучтелен в общем виде показал [4], что композитный материал может обладать свойствами трех типов:

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Фетисов Леонид Юрьевич, 2019 год

— + -

V у

Формула (5.9) позволяет рассчитать амплитуду напряжения, генерируемого подложкой и = еа$. эффективность МЭ преобразования = е/ко при магнитном возбуждении структуры и эффективность преобразования в = е/ео при электрическом возбуждении структуры. Отметим, что соотношение (5.4) переходит в известные выражения для эффективностей МЭ преобразований в двухслойных ФМ - СЭ и трехслойных ФМ1 - СЭ - ФМ2 структурах при замене механических параметров СЭ слоя ap и на параметры второго магнитного слоя и произведения <рхе0 на произведение д"2 К, где д"2 - пьезомагнитный коэффициент второго магнитного слоя.

195

Используя формулу (5.4), измеренные значения добротностей Qз, соответствующие эксперименту размеры, механические и электрические параметры структуры, амплитуды возбуждающих полей, получаем: ит ( /3 ) = 3.34 В при магнитном возбуждении структуры полем ко = 1.8 Э и ир (/3) = 0.92 В при электрическом возбуждении структуры полем ео = 25 В/см. Рассчитанные значения напряжений примерно на порядок превышают измеренные (см. рис 5.4а и 5.5а). Различие может быть связано с уменьшением амплитуды генерируемого структурой напряжения из-за резкого падения сопротивления ^ PZT подложки структуры на частоте резонанса (см. рис. 5.3), что не учитывалось при расчете.

Приравнивание двух слагаемых в числителе формулы (5.4) позволяет сравнить эффективности возбуждения структуры на частоте /з с помощью магнитного и электрического полей. Расчёт с использованием параметров структуры даёт, что магнитное поле с амплитудой ко = 1 Э вызывает генерацию такого же напряжения в подложке, что и электрическое поле с амплитудой ео = 50 В/см. Из данных рис. 5.4а и рис. 5.5 а, следует, что действием магнитного поля ко = 1 Э эквивалентно действию электрического поля ео ~ 8 В/см. Различие между расчётом и экспериментом, опять, может быть обусловлено резким падением сопротивлений PZT пленки и PZT подложки структуры на частоте резонанса (см. рис. 5.2 и рис. 5.3), что не учитывали в теоретической модели.

Возможность возбуждения трёхслойной структуры магнитным и электрическим полем позволяет использовать её как сумматор электрических сигналов. Структуру следует поместить в переменное магнитное поле с частотой /т, к PZT плёнке приложить электрическое поле с частотой / и регистрировать напряжение и^, генерируемое на электродах PZT подложки. На рис. 5.12 приведены огибающие и спектры частот на выходе структуры для двух случаев резонансного суммирования сигналов с различными частотами.

В первом случае (см. рис. 5.12 «а» и «Ь») частоты магнитного и электрического полей выбраны близкими друг к другу и примерно равными частоте изгибных колебаний структуры /т ~/ ~ /1. Амплитуды возбуждающих к и е полей подобраны так, чтобы напряжения, генерируемые на электродах подложки при раздельном магнитном и электрическом возбуждении, были равны. Величина поля смещения Но =

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 t, мс

Рис. 5.12. Смешение сигналов с близкими (а-Ь) и различными (с-ф частотами при одновременном магнитном и электрическом возбуждении структуры.

80 Э соответствует максимальной эффективности МЭ преобразования. Сигнал с РЪТ подложки представляет собой биения с периодом Т = 1/(/ш- /р).

Во втором случае (см. рис. 5.12 «с» и «ё») частота магнитного поля выбрана равной частоте изгибных колебаний структуры /т ~ /1, а частота электрического поля совпадает с частотой планарных колебаний структуры /р ~ /3. Амплитуды возбуждающих к и е полей подобраны так, чтобы напряжения, генерируемые подложкой при раздельном магнитном и электрическом возбуждении, были равны. Величина магнитного поля смещения равна Но = 80 Э. Сигнал, генерируемый РЪТ подложкой, представляет собой суперпозицию двух синусоид с частотами /р и /т.

В обоих случаях параметры модуляции сигнала на выходе сумматора при неизменных возбуждающих полях можно регулировать, изменяя магнитное поле смещения Но или величину приложенного к подложке электрического поля Ео.

5.4 Бистабильность в магнитоэлектрическом резонаторе

Бистабильность в резонансных системах проявляется в существовании двух устойчивых состояний, отличающихся уровнем прошедшей или отражённой мощности, при одном и том же уровне падающей на систему возбуждающей мощности.

Бистабильность возникает в нелинейных системах из-за зависимости частоты резонанса системы (дисперсионная бистабильность) или коэффициента поглощения системы (абсорбционная бистабильность) от величины, падающей на неё мощности. Бистабильность наблюдали в оптических нелинейных резонаторах [238], в сверхвысокочастотных ферромагнитных резонаторах [239,240], в нелинейных магнитоаку-стических резонаторах [241]. В данном разделе описана бистабильность, обнаруженная в МЭ мультиферроидном резонаторе, содержащем ФМ и ПЭ слои. Аналогичный эффект бистабильности был обнаружен в структуре FeGa - PZT [242].

Конструкция мультиферроидного резонатора схематически показана на рис. 5.13 [243]. Резонатор представлял собой трёхслойную структуру, основой которой являлась подложка из боросиликатного стекла размерами 30 мм х 2.5 мм и толщиной a = 150 мкм. На одну сторону подложки методом магнетронного напыления была нанесена плёнка аморфного магнетика FeBSiC (Metglas) толщиной bm = 2 мкм, а на другую сторону - плёнка пьезоэлектрика AlN толщиной bp = 2 мкм [197]. Один конец структуры был жёстко закреплён на массивном основании, так что она могла совершать изгибные и продольные колебания. Длина свободной части структуры составляла 25 мм. Свободная часть структуры была помещена в электромагнитную катушку, диаметром 5 мм и длиной 20 мм, содержащую 120 витков провода. Постоянное поле H = 0 - 100 Э, параллельное продольной оси структуры, создавали с помощью катушек Гельмгольца диаметром 150 мм.

Для наблюдения обратного МЭ эффекта к ПЭ слою структуры прикладывали переменное электрическое напряжение Ucos(2nft) с частотой в диапазоне f = 1 - 200

Рис. 5.13. Схематическое изображение и поперечное сечение композитного резонатора.

Uf) ^ H Coil AlN, 2 цш

кГц и амплитудой до 10 В. Это напряжение создавало в ПЭ слое переменное электрическое поле с амплитудой до e = U/ap = 50 кВ/см. Регистрировали напряжение индукции u(f), наводимое в катушке из-за модуляции намагниченности ФМ слоя.

Для наблюдения прямого МЭ эффекта к структуре с помощью катушки прикладывали переменное магнитное поле hcos(2nft) с частотой в диапазоне f = 1 - 200 кГц и амплитудой до h = 1 Э. Регистрировали переменное электрическое напряжение u(f), генерируемое ПЭ слоем структуры вследствие МЭ эффекта.

Сначала были сняты амплитудно-частотные характеристики обратного и прямого МЭ эффектов при малых амплитудах возбуждающих полей. Вблизи частот 1.5 кГц, 4.6 кГц и 8.45 кГц наблюдали пики с добротностью Q ~ 100, соответствующие возбуждению низших мод изгибных колебаний структуры. Вблизи частоты f0 = 156.27 кГц обнаружен пик с добротностью Q ~ 170, соответствующий возбуждению второй моды продольных колебаний структуры. Оценка частоты продольных колебаний по формуле для балки с одним закреплённым и вторым свободным концом [244] с учётом размеров и механических параметров слоёв, соответствующих эксперименту, дала значение 162 кГц, хорошо совпавшее с измеренным. Максимальная величина коэффициента обратного МЭ преобразования на частоте продольных колебаний структуры составляла = Sm/ Se « 27 Э/(В/см) при постоянном магнитном поле смещения H = 2 Э. Этот резонанс имел наибольшую амплитуду и добротность и поэтому именно он был использован для исследования бистабильности в композитной структуре.

На рис. 5.14a показаны зависимости напряжения с резонатора u при постоянном магнитном поле смещения H ~ 2 Э и возбуждении переменным электрическим напряжением с амплитудами U от 0.05 В до 7 В. Для каждого U приведены характеристики при увеличении частоты f от 154 кГц до 157.3 кГц и уменьшении частоты в том же диапазоне. Видно, что с увеличением U частота fm, соответствующая максимуму кривой Um (отмечены на рисунке только для кривой № 6) сначала плавно уменьшается, затем вновь увеличивается практически до начального значения. При этом с уменьшением fm низкочастотный склон кривой становится более крутым и на нём появляется петля гистерезиса. При напряжении возбуждения U ~ 2.5 В, соответствующем минимальной частоте fm, петли гистерезиса существуют как на низкочастотном, так и на высокочастотном склонах резонансной кривой. При дальнейшем

возрастании и и увеличении частоты/т, более крутым становится высокочастотный склон кривой и на нём также видны петли гистерезиса. В диапазоне частот 8/ внутри петли гистерезиса каждой частоте соответствуют два различных значения напряжения, т.е. имеет место бистабильность.

На рис. 5.14Ь приведены зависимости напряжения и с резонатора от напряжения и при поле смещения Н ~ 2 Э и различных фиксированных частотах/возбуждающего напряжения. Если частота / лежит ниже /0, то с увеличением и выходное напряжение и вначале растёт примерно линейно, затем скачкообразно увеличивается при некотором и (отмечено только и для кривой №2) и после этого вновь плавно растёт, стремясь к насыщению. Чем ближе частота/к/о, тем при меньших значениях и происходит скачок. При уменьшении и от максимального значения вблизи значений и видна характерная для бистабильности петля гистерезиса (см. кривую №3). Внутри петли одному и тому же значению и соответствуют два различных значения и при увеличении и уменьшении возбуждающего напряжения. Если же частота возбуждающего напряжения лежит выше /о, то с увеличением и напряжение и только медленно и монотонно увеличивается. Такое поведение выходного напряжения в зависимости от амплитуды возбуждения при разных частотах характерно для биста-бильных систем.

I кГц

(а)

(Ь)

Рис. 5.14. (а) Зависимость напряжения с резонатора и от частоты/при разных амплитудах возбуждающего напряжения и, В: 1 - 0.1, 2 - 0.5, 3- 1.5, 4 - 2, 5 - 3, 6 - 6. (Ь) Зависимость напряжения с резонатора и от возбуждающего напряжения и при разных частотах возбуждающего напряжения/ кГц: 1 - 155, 2 - 155.16, 3 -155.52, 4 - 155.88, 5 - 156.4.

На рис. 5.15а приведены зависимости частоты максимума/ш и коэффициента передачи резонатора на этой частоте Тш = иш/и от амплитуды напряжения в максимуме иш, построенные по результатам измерений, аналогичным показанным рис. 5.14а. Точками обозначены данные измерений, а штриховыми кривыми - аппроксимация экспериментальных данных кубическими параболами. Как отмечалось ранее, с увеличением напряжения иш в максимуме частота максимума /ш вначале монотонно падает от 156.27 кГц до ~155.6 кГц, а затем вновь возрастает практически до первоначального значения 156.2 кГц.

При этом коэффициент передачи резонатора Тш с увеличением иш сначала растёт от 0.12 при малых напряжениях возбуждения до ~0.42 в максимуме, а затем снова падает до 0.21. Такое немонотонное поведение частоты/ш и коэффициента передачи резонатора Тш ранее в бистабильных резонансных системах не наблюдали. Аналитические выражения для полученных зависимостей будут использованы далее при моделировании бистабильного поведения резонатора.

На рис. 5.15Ь приведена зависимость ширины области бистабильности 8/ на кривой и(/) от амплитуды напряжения и, построенная с использованием данных рис. 5.14а. Видно, что при малых и больших амплитудах возбуждающего напряжения ширина петли бистабильности стремится к нулю. При и~ 2.5 - 3 В область биста-бильности существует как на низкочастотном, так и на высокочастотном склонах резонансной кривой

156,4 156,2 ;е156,0 155,8 155,6

155,4 0,0

Г т^-— о 4

/о

/* ®

т

0,5

и , В

т'

(а)

1,0

1,5

0,5

0,4 100

0,3 I— Ч-Г еО 50

К6 0,2

0,1

0,0 0

- - .............

/ • / • ( 1

Лх • • • • 1

4 и, В

(Ъ)

Рис. 5.15. (а) Зависимость частоты максимума/ш и коэффициента передачи резонатора Тш на частоте максимума от напряжения максимума иш. Точки - данные измерений, штриховые кривые - аппроксимация кубическими параболами. (Ь) Зависимость ширины петли бистабильности 8/ от амплитуды возбуждающего напряжения и. Линии соединяют экспериментальные точки для удобства.

Для расчёта бистабильных характеристик нелинейного мультиферроидного композитного резонатора используем подход, описанный в [10]. Амплитудно-частотные характеристики резонатора находятся в результате решения системы урав-

Уравнение (5.10) описывает лоренцевскую форму линии резонанса при малых уровнях возбуждения, но с частотой резонанса /т и коэффициентом передачи резонатора Тт, зависящими от амплитуды выходного напряжения. Аналитические выражения (5.11) и (5.12) для зависимости частоты/т и коэффициента передачи Тт резонатора от максимальной амплитуды выходного напряжения ит найдены путём аппроксимации показанных на рис.5.14а зависимостей кубическими параболами. При этом считали, что ширина линии резонанса Д/ в формуле (5.10) не зависит от максимальной амплитуды напряжения ит. Для наилучшего совпадения расчётов с экспериментом было взято значение Д/= 0.46 кГц, близкое к измеренному. Систему уравнений (5.10) - (5.12) решали численным методом в программе "МаШешайса".

Результаты расчёта амплитудно-частотных характеристик резонатора при различных амплитудах возбуждающего напряжения и, соответствующих измеренным кривым на рис. 5.14а, приведены на рис. 5.16а. Видно, что с увеличением и резонансная кривая искажается: максимум кривой сначала смещается в область меньших частот, а затем снова возвращается к первоначальному значению. Участки с < 0 на левом склоне каждой кривой и участки с > 0 на правом склоне каждой кривой являются неустойчивыми, что и приводит к возникновению областей биста-бильности при сканировании частоты снизу-вверх, а затем сверху-вниз. Немонотонная зависимость частоты резонанса от возбуждающего напряжения приводит к существованию на одной кривой двух областей бистабильности, что и наблюдали в эксперименте.

Сравнение измеренных бистабильных кривых на рис. 5.14 с рассчитанными кривыми на рис. 5.16 и данные измерений, приведённые на рис. 5.15, показывают, что:

нений (5.10) - (5.12)

(5.10)

/т(и) = 156.24174 - 2.38813и + 2.4598и2 - 0.58565и3 и Тт(и) = 0.13315 + 0.27963и + 0.32208и2 - 0.3053и3.

(5.11)

(5.12)

(а) (Ь)

Рис. 5.16. (а) Рассчитанные амплитудно-частотные характеристики мультиферро-

идного резонатора при различных амплитудах напряжения накачки и, В: 1 - 0.1, 2 - 0.5, 3 - 1.5, 4 - 2.5, 5 - 3, 6 - 6; (Ь) Рассчитанные зависимости выходного напряжения и резонатора от напряжения и для различных частот возбуждающего поля / кГц: 1 - 155. 2-155.16, 3-155.52, 4-155.88, 5-156.4.

- Бистабильность в мультиферроидном резонаторе носит дисперсионно-абсорбционный характер: при увеличении возбуждающего напряжения и имеет место немонотонный сдвиг частоты резонатора /т и существенно изменяется коэффициент передачи Тт на резонансной частоте.

- Использованная модель хорошо объясняет наблюдаемые явления не только качественно, но и количественно. Из-за немонотонного сдвига частоты резонатора с ростом выходного напряжения области бистабильности на зависимости и(/) могут существовать как на низкочастотном, так и на высокочастотном склонах резонансной кривой. На зависимости выходного напряжения от возбуждающего и(и) при частоте возбуждения ниже частоты резонанса/</о могут существовать две петли бистабильности, а при частоте возбуждения /> /о бистабильность отсутствует. Именно это и наблюдали в эксперименте.

- Незначительное отличие формы рассчитанных бистабильных кривых резонатора (рис. 5.16) от наблюдаемых в эксперименте (рис. 5.14) может быть обусловлено как несовершенством использованной модели, так и особенностями измерительной схемы. В расчёте не учитывали возможное изменение параметра Д/ при увеличении амплитуды и возбуждающего поля. В измерениях использовали генератор напряжения, работающий по схеме синтезатора сетки частот. При переходе от одной фикси-

рованной частоты к следующей амплитуда сигнала несколько падает, что могло приводить к преждевременному переходу резонатора из одного стабильного состояния в другое и сужению петли бистабильности.

Бистабильность в описанном мультиферроидном резонаторе может возникать из-за нелинейности ПЭ слоя, нелинейности ФМ слоя или чисто акустической нелинейности стеклянной подложки. Для выяснения причины возникновения бистабиль-ности были проведены дополнительные исследования.

Во-первых, на том же образце АШ - B-glass - Metglas была исследована эволюция формы резонансной кривой при прямом МЭ эффекте и увеличении амплитуды возбуждающего магнитного поля к в диапазоне 0 - 1 Э. На амплитудно-частотных характеристиках и(/) с ростом к наблюдали монотонное уменьшение частоты/ш, соответствующей максимуму выходного напряжения, на ~ 0.18 кГц и формирование скачка напряжения на низкочастотном склоне резонансной кривой. При этом кривые и(/), соответствующие сканированию частоты снизу-вверх и сверху-вниз, полностью накладывались друг на друга, петли бистабильности отсутствовали. Во-вторых, исследована эволюция формы резонансной кривой образца АШ - B-glass без магнитного слоя. Структуру возбуждали переменным напряжением и, приложенным к слою пьезоэлектрика. Образец на той же частоте ~156 кГц имел резонанс с добротностью Q ~ 200. При увеличении амплитуды и в интервале 0 - 10 В какого-либо сдвига резонансной частоты или искажения формы линии резонанса не наблюдали. В-третьих, были измерены зависимости резонансной частоты мультиферроидного резонатора ЛШ - В-стекло - Metgas в линейном режиме от постоянного магнитного поля Н и постоянного электрического поля Е.

На рис. 5.17 приведена зависимость /о(Н) при амплитуде возбуждающего напряжения и = 0.1 В и Е = 0. Видно, что с ростом Н частота резонанса вначале плавно уменьшается от 156.27 кГц до ~155.6 кГц, достигает минимального значения при Н ~ 2 Э, а затем вновь плавно возрастает практически до начальной величины. Это известный Д У-эффект (где У - модуль Юнга), состоящий в изменении жёсткости ФМ слоя под действием магнитного поля. Отметим, что вызванное полем Н изменение частоты резонатора примерно равно изменению частоты резонанса при его воз-

156,4 ^r 156,2 ц_о156,0 155,8 155,6 155,4

О 2 4 6 8 10 12

H, э

Рис. 5.17. Зависимость частоты композитного резонатора / от постоянного поля H при малой амплитуде возбуждающего напряжения U = 0.05 В. буждении электрическим полем большой амплитуды. Какого-либо изменения частоты резонатора при приложении к слою AlN постоянного напряжения с амплитудой до 10 В (соответствует E ~ 50 кВ/см) не обнаружено.

Результаты исследований позволяют сделать вывод, что бистабильность в мультиферроидном композитном резонаторе возникает, скорее всего, из-за нелинейности ФМ слоя структуры. При увеличении амплитуды возбуждающего напряжения U растет амплитуда переменных деформаций в ПЭ и ФМ слоях структуры. Переменные деформации ФМ слоя приводят к перестройке его доменной структуры и изменению жёсткости слоя, аналогичных изменению доменной структуры и жёсткости ФМ слоя, вызванному постоянным магнитным полем H. Как результат, при увеличении U имеет место немонотонный сдвиг частоты акустического резонанса структуры в целом, что и приводит к возникновению бистабильности.

Выводы по главе 5

Таким образом, в разделе 5 диссертационной работы построена теория нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах ФМ-ПЭ, обусловленных нелинейной зависимостью магнитной индукции B в ФМ слое от приложенного механического напряжения (или деформации слоя). Экспериментально обнаружены и исследованы нелинейные МЭ эффекты, подтверждающие предсказания теории. В частности, обнаружен эффект удвоения частоты при обратном МЭ эффекте. Показано, что амплитуда второй гармоники квадратично зависит от амплитуды возбуждающего

205

электрического поля. Экспериментально обнаружен и исследован МЭ эффект суммирования частот при одновременном воздействии на структуру гармонических магнитного и электрического полей с разными частотами. Обнаружена и объяснена бистабильность в композитном магнитоэлектрическом резонаторе. Обнаружено и исследовано параметрического усиление МЭ эффекта в композитной структуре при её возбуждении переменным электрическим полем большой амплитуды.

Результаты позволяют сформулировать научное положение, выносимое на защиту:

4. Нелинейность обратного магнитоэлектрического эффекта при возбуждении структур ферромагнетик-пьезоэлектрик переменным электрическим полем возникает из-за нелинейной зависимости намагниченности (индукции) магнитного слоя структуры от деформации. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и возникновению бистабильности в резонаторе. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от индукции по деформации и степенным образом зависят от амплитуды электрического поля. При возбуждении структуры одновременно электрическим и магнитным полями имеет место генерация намагниченности с комбинационными частотами. Эффективность генерации комбинационных гармоник пропорциональна пьезомагнитному модулю ферромагнитного слоя и амплитудам полей.

Глава 6 Нелинейные эффекты, обусловленные электрострикци-онной нелинейностью

Раздел посвящён исследованию нелинейных МЭ эффектов в структуре ферромагнетик - электростриктор (ФМ - ЭС), возникающих из-за нелинейной зависимости деформации ЭС слоя от приложенного к нему электрического поля Е [236]. В первом параграфе изложена теория нелинейных МЭ эффектов при малых амплитудах возбуждающего гармонического электрического поля, затем описаны характеристики электростриктора и методики измерений. В последнем параграфе описаны результаты экспериментальных исследований эффекта удвоения частоты и генерации напряжения с комбинационными частотами при возбуждении структуры ферромагнетик - электростриктор переменными электрическими полями.

6.1 Теория нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структуре с электростриктором

Для описания нелинейных МЭ эффектов в структурах со слоями из элек-тростриктора используем подход, развитый в работе [217]. Пусть структура расположена в плоскости "1-2" так, что ось "1" направлена вдоль длинной оси структуры, ось "3" направлена перпендикулярно плоскости структуры. Толщина ФМ слоя равна ат, а толщина ЭС слоя ар, ширина структуры Ь, длина структуры Ь. Магнитное поле Н1 в ФМ слое структуры направлено вдоль оси "1", а электрическое поле в ЭС слое Ез - вдоль оси "3". Будем считать, что длина структуры много больше толщин слоев и ширины структуры Ь >> аш, ар, Ь. Считаем также, что амплитуда генерируемого переменного магнитного поля мала и нелинейность ФМ слоя структуры не учитываем. Тогда механические деформации £, механические напряжения Т, напряженность Н и индукция В магнитного поля В в ФМ слое связаны следующими соотношениями [245,246]:

Я т = + диН 1,

^ = * РТ р + Д( Ез), (6.1)

В, + д, ,ТЬу1.

В (6.1) индексы "т" и "p" соответствуют ФМ и ЭC слоям, соответственно, в1(Е) -зависимость деформации ЭС слоя от поля Е3, дп =дЯ! дИ - пьезомагнитный коэффициент ФМ слоя, // - магнитная проницаемость, ^ и - коэффициенты податливости материалов.

Условие непрерывности деформаций на границе раздела слоёв и условие равновесия структуры вдоль оси "1" имеют вид

й1т = р и Т1 рар = Т1таш . (6.2)

Решая систему (6.1) с учетом (6.2), получаем выражение для индукции магнитного поля в ФМ слое структуры

В =

2 Л

и--;—

' т р

V 811ар — 811ат у

а,,а

И Р(Е). (6.3)

811ар 811ат

Рассмотрим случай, когда к ЭС слою структуры приложено электрическое поле вида Е(/) = Е0 + е оз%(2ф), где Е0 - постоянное электрическое поле, е - амплитуда переменного поля, причем е << Е0. Разложив деформацию в(Е) в ряд Тейлора до членов второго порядка малости вблизи Е0 и подставив в разложение гармоническое поле е(/), получаем:

где обозначено р(1) = др/дЕ, р(2) =д2р/дЕ2 - первая и вторая производные от деформации по электрическому полю при Е = Е0, соответственно.

Подставляя (6.4) в (6.3), получаем выражение для переменной части индукции магнитного поля в ФМ слое

аиа г

В„„ =

811ар 811а т V

Р(1)есоз(2^) +1 р(2)е2 соэ2^) I. (6.5)

Переменная индукция регистрируется катушкой с площадью поперечного сечения А, содержащей N витков. Тогда, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, находим окончательное выражение для напряжения с катушки

дВпп г ЧиаР

ы(/) = -Ж дВас = ЛЫ2ж[ ^ р- ртеът(2ф) +- р2)е2 зт(4#) I. (6.6)

д ^р - V

4

Из (6.6) следует, что: амплитуда генерируемого напряжения линейно растёт с увеличением частоты /; вид зависимости напряжения от поля определяется зависимостью пьезомагнитного коэффициента от поля и(Н) ~ цц(Н); амплитуда первой гармоники напряжения пропорциональна в(1) и линейно растёт с увеличением поля и\ ~ е; амплитуда второй гармоники пропорциональна в(2) и квадратично зависит от амплитуды поля и2 ~ е2. При этом амплитуда гармоник возрастает в добротность Q ~ 102 раз при совпадении частоты первой гармоники / или частоты второй гармоники 2/ с частотой акустического резонанса структуры /о.

Теперь рассмотрим возбуждение структуры двумя гармоническими электрическими полями с различными амплитудами и частотами

в(г) = е ооз(2/г) + в2 ооз(2ж/2г). (6.7)

Подставляя (6.7) в (6.5), после дифференцирования и преобразований получаем выражение для генерируемого катушкой напряжения:

и = АМ2/ т д 1 арр Г Р( 1 е зш(2/ г) +1 Р(2)в2 з1п(4/ г)] +

ар - ат У 4 )

+ АМ2/, т д11арр {ртв2 з1п(2/2г) +1Р(2)в22 з1п(4/2г) 1 + (6.8)

*11ар - *1Р1ат У 4 )

+ АМ2//1 ±/2| т д11\ Р(2)в1в2 зш[2// ±/2)г]

*11ар *11ат

Легко видеть, что первые два слагаемых в (6.8) описывают генерацию 1-ой и 2-ой гармоник напряжения с частотами /1 и /2, соответственно. Последнее слагаемое в (6.8) описывает процесс смешения частот электрических полей в композитной структуре - генерацию составляющих спектра с суммарной /1+/2 и разностной /1-/2| частотами. Амплитуды этих составляющих иь и ии пропорциональны [/1 ±/2|, вид зависимости напряжения и от магнитного поля Н определяется зависимостью пьезомагнитного коэффициента от поля и(Н) ~ цц(Н), амплитуды составляющих линейно зависят от амплитуд обеих возбуждающих полей и ~ е1е2. Амплитуды составляющих с суммарной и разностной частотами резонансно возрастают в Q ~ 102 раз при выполнении условия синхронизма

/ ±/| = /о, (6.9)

где /0 - частота акустического резонанса структуры.

6.2 Характеристики электрострикционного слоя и методики измерений

В измерениях использовали двухслойную структуру, содержащую ФМ и ЭС слои. ФМ слой структуры размерами 30 мм х 5 мм и толщиной am = 20 мкм изготовлен из аморфного ферромагнетика FeBSiC (Metglas). ЭС слой структуры размерами 30 мм х 5 мм и толщиной ap = 400 мкм изготовлен из электрострикционной керамики на основе твердого раствора системы магниониобат-титанат свинца (PMN-PT) в ЦКБ "Пьезоприбор" (Ростов-на-Дону). Керамика включала окислы РЬО, MgO, Nb2O5 и ТЮ2 и дополнительно содержала Lа2Oз для повышения электрострикции [247]. На поверхности ЭС-пластины были нанесены Ag-электроды толщиной 2 мкм. Слои структуры были соединены под прессом с помощью быстросохнущего клея Loctite. Магнитострикцию ФМ слоя и электрострикцию ЭС слоя измерили по отдельности с помощью тензодатчика, нанесенного на поверхность слоя.

На рис. 6.1а приведена измеренная зависимость деформации слоя Metglas от магнитного поля Н, приложенного в плоскости слоя вдоль его длинной оси. Деформация всегда положительна, не меняет знак при инверсии направления поля и достигает насыщения Xs ~ 21-10-6 в поле насыщения Hs ~ 100 Э. На том же рис. 6.^ изображена зависимость величины пьезомагнитного коэффициента ) = дЛ/ дИ от Н, полученная численным дифференцированием зависимости Х(Н). Видно, что пьезомагнитный коэффициент достигает максимума qm ~ 5.5-10-7 Э-1 при Hm ~ 15 Э.

На рис. 6.1Ь приведена зависимость деформации ЭС слоя от электрического поля Е, приложенного перпендикулярно к плоскости слоя. Величина деформации

электростриктора также не зависит от направления поля и пропорциональна квадрату поля ß(E) = ME2, где коэффициент электрострикции равен M - 2.65-10-16 м2/В2. Штриховая линия на рис. 6.1b - аппроксимация зависимости квадратичной функцией. На том же рис. 6.1b для сравнения приведена зависимость деформации пьезо-керамики PZT-5 от поля E. Деформация пьезокерамики линейно зависит от поля ß = äiiE (где пьезомодуль d3i = 175 пм/В) и меняет знак на противоположный при инверсии направления E. Диэлектрическая проницаемость керамики равнялась s - 6-103.

При исследовании обратного МЭ эффекта на электроды структуры подавали переменное напряжение Ucos(2nft) с амплитудой до 5 В и частотой в диапазоне f = 10 Гц - 100 кГц. Напряжение создавало в ЭС слое структуры переменное поле ecos(2nft) с максимальной амплитудой до 125 В/см. С помощью электромагнитной катушки регистрировали изменение намагниченности M структуры. Для наблюдения смешения частот электрических полей на электроды структуры подавали два переменных напряжения с различными частотами от двух генераторов.

При исследовании прямого МЭ эффекта напряжение от генератора Agilent 33210A подавали на электромагнитную катушку, которая создавала переменное магнитное поле hcos(2nft) c амплитудой до 20 Э. Генерируемое структурой напряжение u снимали с электродов ЭС пластины и подавали на вольтметр и осциллограф. Все приборы управлялись от компьютера с помощью специальной программы в среде LabView. Регистрировали зависимости амплитуды генерируемых сигналов от частоты и амплитуды возбуждающих электрического или магнитного полей и напряжённости постоянного поля смещения H.

6.3 Удвоение и смешение частот в структуре ферромагнетик-элек-тростриктор

Рассмотрим вначале обратный МЭ эффект в описанной структуре. На рис. 6.2 приведена зависимость амплитуды напряжения с катушки uf) от частоты f возбуждающего напряжения с амплитудой U = 5 В при поле смещения H = 15 Э.

На амплитудно - частотной характеристике видны два пика: первый вблизи частоты fo = 73.4 кГц высотой ui - 50 мВ с добротностью Q = 120 и второй вблизи половинной частоты fo/2 = 36.7 кГц высотой U2 = 61.5 мВ с добротностью Q2 -100.

Исследование спектра частот напряжения с помощью осциллографа показало, что в

211

обоих пиках частота генерируемого напряжения равна /о = 73.4 кГц. Эта частота, согласно оценкам по формулам [197] при размерах слоёв и значениях механических параметров, отвечающих эксперименту, соответствует частоте резонанса продольных акустических колебаний структуры. Таким образом, при возбуждении структуры напряжением с частотой 73.4 кГц генерируется сигнал с той же частотой, а при возбуждении напряжением с частотой 36.7 кГц в структуре имеет место удвоение частоты генерируемого напряжения.

На рис. 6.3 приведены зависимости высот пиков Ш1 и иг от постоянного поля Н при фиксированном и = 5 В и зависимости высот пиков от возбуждающего напряжения и при фиксированном поле Н = 15 Э. Видно (см. рис. 6.3а), что напряжения Ш1 и иг вначале растут с увеличением Н, достигают своих максимальных значений при одном и том же поле Нт ~ 15 Э, а затем монотонно стремятся к нулю при дальнейшем увеличении Н. В то же время, зависимость высот пиков от возбуждающего напряжения и различная (см. рис. 6.3Ь). С увеличением возбуждающего напряжения Ш1 растет линейно, а иг - квадратично.

Для наблюдения смешения частот электрических полей в описанной структуре на электроды ЭС слоя подавали одновременно напряжения и&оъфп/^) и игсо$(2к/г() от двух генераторов. Регистрировали зависимости напряжения с катушки и/\) от частоты /1 при фиксированной частоте /г. В качестве примера на рис. 6.4 приведены амплитудно-частотные характеристики структуры при /г = 10 кГц, 30 кГц и 500 кГц. Из рис. 6.4 (а)-(Ь) видно, что на амплитудно-частотной характеристике всегда присутствуют пики вблизи частот /о/2 и /о, так же, как и при возбуждении структуры одним напряжением (см. рис. 6.3). Кроме этого, появились два дополнительных пика

212

Рис. 6.3. Зависимость напряжений и\ и иг от: (а) магнитного поля Н при и = 5 В; (Ь) возбуждающего напряжения и при Н = 15 Э. Сплошные линии на рис. (Ь) -линейная и квадратичная аппроксимация.

высотой иь и ии вблизи частот / и /и, ниже и выше пика с частотой /о. Как будет показано, частоты этих пиков удовлетворяют условию /ЬиЦ = |/ ± /2|. Появление дополнительных пиков свидетельствует о смешении частот электрических полей в структуре. Исследование спектров сигналов показало, что в обоих дополнительных пиках частота генерируемого напряжения равна / = 73.4 кГц и соответствует частоте акустического резонанса структуры.

Из рис. 6.4 видно, что с увеличением /г дополнительные пики удаляются от центрального пика с частотой /о. При /г = /о расстояние между дополнительными пиками становится равным / - / = 2 / и остаётся постоянным при /г > /о. На рис. 6.4с показан участок характеристики структуры для /г = 500 кГц, где видны два дополнительных пика с расстоянием между ними 2/о.

Используя данные, аналогичные показанным на рис. 6.4, была построена зависимость частот дополнительных пиков / и /и от частот возбуждающих напряжений /\ и /г, показанная на рис. 6.5. Для наглядности на том же рисунке изображена амплитудно-частотная характеристика структуры для /г = 20 кГц. Положение пиков вблизи частот /о/2 и /о не зависит от /г, что отражают вертикальные штриховые линии. С увеличением /г при /г < /о дополнительные пики расходятся, а при /г > /о оба пика параллельно смещаются в область более высоких частот. При этом с увеличением частот /\ и /г высоты дополнительных пиков монотонно падали. Экспериментально наблюдали смешение электрических полей с максимальными частотами /\, /г ~ 950 кГц, когда высоты пиков становились сравнимыми с уровнем шумов ~1 мВ.

На рис. 6.6а приведена зависимость высоты пика с частотой /и от магнитного поля Н при постоянных и = иг = 5 В и/\ = 30 кГц. Зависимость имеет вид, аналогичный показанному на рис. 6.3 а. Максимум напряжения достигается при поле Нт ~ 15 Э. На рис. 6.6Ь показана зависимость высоты того же пика от напряжения и\ при фиксированном напряжении иг = 5 В. Видно, что высота пика линейно растёт с увеличением возбуждающего напряжения. Аналогичные зависимости имели место и для дополнительного пика с частотой /ь.

150

100

50

20 0

—1- J /К -1-1- Vх

«г (г F l • •г f и ж у » IJm

1 v 1 у | ч. 1 А , 1 хн*

0

V2

200

г0 100 150 f, , кГц

Рис. 6.5. Зависимости частот дополнительных пиков на амплитудно-частотной

характеристике структуры от частот возбуждающих напряжений f и fi.

Рис. 6.6. Зависимость высоты пика иа: (а) от магнитного поля Н; (Ь) от амплитуды возбуждающего напряжения и при фиксированном и = 5 В.

Прямой МЭ эффект, т.е. генерацию переменного напряжения ЭС слоем структуры при её возбуждении переменным магнитным полем катушки, экспериментально не наблюдали.

Изложенная выше теория качественно хорошо объясняет все экспериментальные результаты, в том числе существенные отличия МЭ эффекта в структуре ФМ -ЭС от МЭ эффекта в структуре ФМ - ПЭ.

Прежде всего, в структуре ФМ - ЭС отсутствует прямой МЭ эффект, т.е. генерация напряжения при возбуждении структуры переменным магнитным полем. Это связано с особенностями обратной электрострикции в диэлектриках. Действующее на ФМ - ЭС структуру гармоническое магнитное поле вызывает магнитострикцион-ную деформацию ФМ слоя, эта деформация передается ЭС слою, и он тоже деформируется. Однако деформация ЭС слоя изменяет только его диэлектрическую проницаемость е [248]. Электрострикционный слоя не поляризуется и переменное напряжение на его электродах не генерируется. Именно это и наблюдали экспериментально.

В структуре ФМ - ЭС за нелинейность обратного МЭ эффекта отвечает, как показано, квадратичная зависимость деформации ЭС слоя от электрического поля в(Е). Напомним, что в структурах ФМ - ПЭ за нелинейность отвечает нелинейная

зависимость магнитострикции ФМ слоя от магнитного поля Х(Н). В малых электрических полях деформация пьезоэлектриков линейно зависит от поля и поэтому не вносит вклада в нелинейность МЭ эффектов в структурах ФМ - ПЭ.

Для электрострикционного материала с квадратичной зависимостью деформации от поля р = кЕ2 коэффициенты разложения деформации в ряд Тейлора равны Р(1) = 2кЕ и р{2) = 2к. Из формулы (6.6) следует, что при Е = 0 в структуре ФМ - ЭС линейный МЭ эффект отсутствует и существует только нелинейный эффект удвоения частоты. Однако в эксперименте линейный эффект наблюдался (см. рис. 6.2 и 6.3, пики вблизи частоты /0). По-видимому, это связано с возможным наличием гистерезиса в зависимости в(Е), который имеет место при циклическом изменении направления электрического поля [249]. У электростриктора с гистерезисом коэффициент р(1) ф 0 при Е = 0.

Для ФМ - ЭС структуры, как видно из формул (6.5) и (6.8), вид зависимости всех генерируемых напряжений п\, «2, «ь и «и от поля Н определяется полевой зависимостью пьезомагнитного коэффициента ц(Н). Сравнение форм кривых на рис. 6.3а и рис. 6.6а с формой кривой ц(Н) на рис. 6.1а подтверждает этот вывод. Все напряжения максимальны при поле Нт ~ 15 Э, соответствующем максимуму пьезомагнитного коэффициента. Напомним, что для МЭ эффекта в структуре ФМ - ПЭ 1-я гармоника напряжения максимальна при Нт, а гармоники с удвоенной частотой и со смешанными частотами имеют максимум при Н = 0 и обращаются в ноль при Н=Нт.

Уравнение (6.6) предсказывает линейную зависимость амплитуды основной гармоники «1 и квадратичную зависимость амплитуды гармоники с удвоенной частотой «2 от возбуждающего электрического поля е. Данные на рис. 6.3Ь полностью подтверждают этот вывод. При смешении частот двух электрических полей амплитуда генерируемого напряжения должна линейно зависеть от амплитуд возбуждающих полей (см. уравнение (6.8)), что также полностью согласуется с экспериментом (см. рис. 6.6Ь).

В заключении оценим коэффициенты преобразования полей для линейного а(() =5Б /е и нелинейного а(2) =5Б / в2 МЭ эффектов в описанной структуре. Используем закон Фарадея, данные рис. 6.3 и параметры структуры: и = 60 мВ. N = 1000, А = 1.6^ 10-6 м2, /= 72 кГц. В качестве А необходимо брать поперечное сечение ФМ

слоя, а не катушки, поскольку меняется намагниченность только ФМ слоя. Наибольшее изменение магнитной индукции ФМ слоя структуры, вызванное электрическим полем, даётся формулой 5Б = и /{2жАЛЫ) ~ 12.8 Гс. Тогда коэффициент линейного МЭ преобразования равен а((} =5Б / е ~ 0.103 Гс-см/В, а коэффициент нелинейного МЭ преобразования - а(2) = и / е1 ~ 3-10-6 Гс-см2/В2. Полученные коэффициенты сравнимы с МЭ коэффициентами для обратного МЭ эффекта в структурах ферромагне-тик-пьезоэлектрик БеОа - РЪТ а(() = 0.12 Гсхм/В [176], РЪТ - N1 а(() = 0.27 Гс-см/В [250], но на порядок меньше, чем в структуре Metglas - монокристалл PMN - РТ а(1) «30 Гсхм/В [235].

Выводы по Главе 6

Таким образом, в разделе 6 диссертационной работы построена теория нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах ферромагнетик-электростриктор (ФМ - ЭС), обусловленных нелинейной зависимостью деформации ЭС слоя от электрического поля. Экспериментально обнаружено резонансное удвоения частоты при возбуждении в структуре обратного МЭ эффекта гармоническим электрическим полем. Наблюдали эффект смешения частот при возбуждении структуры двумя электрическими полями с частотами, удовлетворяющими условиям частотного синхронизма. Показано, что амплитуды генерируемых магнитных полей с суммарной и разностной частотами линейно зависит от амплитуд возбуждающих электрических полей. Прямой МЭ эффект в структурах с электрострикционными слоями отсутствует.

Полученные результаты позволяют сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

5. В структуре ферромагнетик-электростриктор при возбуждении обратного магнитоэлектрического эффекта переменным электрическим полем нелинейная зависимость деформации электрострикционного слоя структуры от электрического поля приводит к генерации гармоник намагниченности и генерации намагниченности с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны пьезо-магнитному коэффициенту ферромагнитного слоя, производным от деформации пьезоэлектрического слоя по электрическому полю и степенным образом зависят от

амплитуды возбуждающего электрического поля. Прямой магнитоэлектрический эффект в структуре ферромагнетик-электростриктор отсутствует.

6. Разработана теория, описывающая нелинейные прямой и обратный магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик при возбуждении структур переменными электрическими и магнитными полями малой амплитуды. В теории использована нелинейная зависимость магнитострикции ферромагнитного слоя от магнитного поля и нелинейная зависимость деформации пьезоэлектрического от электрического поля. Теория описывает статическую деформацию структур в переменных полях, генерацию гармоник напряжения и намагниченности, генерацию напряжения и намагниченности с комбинационными частотами. При амплитудах возбуждающих полей, сравнимых с полями насыщения ферромагнитного и пьезоэлектрического слоёв, расчёт характеристик нелинейных магнитоэлектрических эффектов проводится численными методами.

Глава 7 Устройства на основе нелинейных магнитоэлектрических эффектов

Возможности и перспективы применений МЭ эффектов в композитных структурах ФМ - ПЭ детально рассмотрены в разделе 1.5 литературного обзора. В данном разделе описаны разработанные и исследованные в ходе выполнения диссертационной работы устройства, использующие нелинейные МЭ эффекты, в том числе: широкополосный МЭ датчик переменных магнитных полей; высокочувствительный МЭ датчик постоянных магнитных полей; пороговый МЭ датчик магнитных полей и МЭ линейный датчик постоянных магнитных полей компенсационного типа. Конструкции разработанных устройств защищены патентами.

7.1 Широкополосный датчик переменных магнитных полей

В большинстве МЭ датчиков переменных магнитных полей на основе структур ФМ - ПЭ используется линейный МЭ эффект. Структуру помещают в измеряемое переменное магнитное поле h и вследствие прямого МЭ эффекта она генерирует переменное электрическое напряжение с частотой, равной частоте измеряемого поля. Амплитуда напряжения u ~ qd31h, где q(H) - пьезомагнитный коэффициент, H

- напряжённость постоянного магнитного поля, d^x - пьезомодуль ПЭ слоя. Для повышения чувствительности к структуре необходимо приложить дополнительно постоянное магнитное поле H ~ 10 - 500 Э (в зависимости от материала ФМ слоя), при котором пьезомагнитный коэффициент достигает максимального значения.

В диссертации изготовлен и исследован датчик нового типа, который использует нелинейный МЭ эффект удвоения частоты измеряемого поля, описанный в Главе 4 [251]. Конструкция чувствительного элемента датчика схематически изображена на рис. 7.1. Он содержит два ФМ слоя из магнитострикционного сплава состава FeBSiC размерами 10 мм х 40 мм и толщиной 30 мкм, между которыми расположен ПЭ слой. В качестве ПЭ слоя использовали пьезоволоконный композитный (ПВК) преобразователь (M4010-P1, Smart Materials) размерами 10 мм х 40 мм х 0.3 мм. Преобразователь содержит набор волокон из керамики PZT прямоугольного сечения, расположенный между встречно-штыревыми преобразователями с периодом

1 мм. Ёмкость и сопротивление преобразователя на частоте 1 кГц равнялись, соответственно, С = 0.96 нФ и Я = 10.8 МОм. Волокна PZT поляризованы в продольном

направлении, и при деформации ра-

Metglas

PZT-fibers Transducers

ботает пьезомодуль J33 = 460^10 12 Кл/Н. Использование ПВК позво-

лило существенно повысить величину МЭ эффекта. Слои структуры соединены с помощью клея

Excitation coil H^^

Рис. 7.1. Чувствительный элемент на основе магнитоэлектрической структуры «Loktite». Линейный и нелинейный metglas-nBK-metglas. пьезомагнитные коэффициенты ФМ

слоя, рассчитанные по измеренной зависимости X(H), имели максимумы q - 2.3 10-6 Э-1 при H - 50 Э иp - 6.410-9 Э-2 при H = 0.

Рисунок 7.2 поясняет принцип работы чувствительного элемента датчика, использующего нелинейный МЭ эффект, и его отличие от принципа работы датчиков поля, использующих линейный МЭ эффект. У датчика, работающего в линейном режиме при наличии поля смещения Ho измеряемое поле hf создает в ФМ слое переменную деформацию Sf с той же частотой, которая передается ПЭ слою и формирует выходной сигнал. Датчик, работающий в нелинейном режиме, не требует дополнительного постоянного поля смещения (Ho = 0). Измеряемое поле h(f создает в ФМ слое максимальную по величине деформацию растяжения с удвоенной частотой, которая передаётся ПЭ слою и формирует выходное одно-полярное электрическое напряжение, также с удвоенной частотой. Постоянная составляющая напря-

Рис. 7.2. Зависимость магнитострикции X ФМ слоя от постоянного поля Н, Но - постоянное магнитное поле.

жения спадает за время т = RC ~ 10-3 с и регистрируется только переменное напряжение и2 с частотой 2/.

Как было показано в Главе 4, амплитуда Ы2 пропорциональная квадрату амплитуды переменного поля. Следовательно, чувствительность предлагаемого датчика должна расти с увеличением поля как ы^к ~ к и для повышения чувствительности следует использовать ФМ слои с наибольшим пьезомагнитным коэффициентом. В разделе 2.5 показано, что этому условию удовлетворяют слои из аморфного сплава.

На рис. 7.3 приведены частотные зависимости напряжения ы с датчика для различных режимов работы. Частотная зависимость напряжения Ы2 измерена при фиксированном поле к = 3 Э. Видно, что в области частот от ~ 10 Гц до ~ 10 кГц напряжение примерно постоянно Ы2 ~ 56 мВ и чувствительность датчика составляет Ы2/к ~ 20 мВ/Э. Пик напряжения вблизи частоты/~ 22 кГц обусловлен возбуждением резонанса продольных акустических колебаний структуры на частоте / ~ 44 кГц.

Для сравнения на рис.7.3 приведена также частотная зависимость напряжения

Ы1, генерируемого структурой в условиях линейного МЭ эффекта при к = 3 Э и поле смещении Но = 50 Э. Чувствительность МЭ датчика в линейном режиме приблизительно на порядок выше, чем у датчика на основе удвоения частоты. Пик на зависимости для линейного МЭ эффекта расположен на частоте 44 кГц.

На рис. 7.3 приведена также зависимость напряжения ыз с измерительной катушки диаметром 10 мм, содержащей 125 витков провода, помещённой в такое же измеряемое переменное магнитное поле. Видно, что в области частот < 2 кГц МЭ датчик на основе нелинейного МЭ эффекта удвоения частоты более чувствителен, чем измерительная катушка.

На рис. 7.4 приведены измеренные зависимости напряжений Ы1 и Ы2 от амплитуды переменного поля к. Напряжение Ы2 с удвоенной частотой растёт квадратично в области малых полей к < 3 Э, а затем - примерно линейно с увеличением поля.

104

/; кНг

Рис. 7.3. Частотные зависимости напряжения ы с датчика: Ы1 — в линейном режиме при Н = 50 Э; Ы2 — в режиме удвоения частоты при Н = 0; ыз — напряжение с измерительной катушки.

Напряжение Ы1 при малых полях к растёт линейно с полем, а при к > 8 Э стремится к насыщению. Вследствие этого в полях к > 15 Э чувствительность МЭ датчика, использующего эффект удвоения частоты, становится сравнимой с чувствительностью датчика, использующего линейный МЭ эффект.

Таким образом, предложенный МЭ датчик, в отличие от датчиков, использующих линейный МЭ эффект, работает без дополнительного постоянного поля смещения. Чувствительность датчика в полосе частот ~ 10 Гц....20 кГц составляет ~20 мВ/Э при малых амплитудах полей, затем возрастает с увеличением поля и становится сравнимой с чувствительностью датчика на основе линейного МЭ эффекта в больших полях. Другой пример датчика переменных магнитных полей на основе многослойной структуры с двумя магнитострикционными материалами описан в работе [252]. Второй пример тонкоплёночного датчика для измерения переменных магнитных полей на основе пьезоэлектрика АШ описан в работе [249].

7.2 Высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей

В данном разделе описан высокочувствительный МЭ датчик постоянных магнитных полей, который использует эффект генерации гармоник напряжения двухслойной композитной структурой при одновременном воздействии на неё переменного магнитного поля накачки к большой амплитуды с частотой/и слабого измеряемого постоянного поля Н [253]. Принцип работы данного датчика наиболее близок к принципам работы феррозондовых (ФЗ) датчиков.

Конструкция датчика схематически изображена на рис. 7.5 а, а внешний вид макета представлен на рис. 7.5Ь. Основным компонентом датчика является чувствительный элемент, описанный в предыдущем разделе. Трёхслойная композитная ФМ

Рис. 7.4. Зависимости напряжения и с датчика от поля к: и1 — в линейном режиме; и2 — в режиме удвоения частоты. На вставке показана зависимость т(Н) в области малых полей.

- ПЭ - ФМ структура помещена в электромагнитную катушку с поперечным сечением 20 мм х 1 мм и длиной 40 мм, которая подключена к источнику тока /(/) и создаёт переменное магнитное поле накачки ксо$(2п/() достаточно большой амплитуды к с частотой / Измеряемое постоянное поле Н приложено параллельно к возбуждающему полю в плоскости структуры. Генерируемое напряжение и(/) снимается с обкладок структуры. В качестве магнитных слоёв использовали ленты аморфного сплава FeBSiC размерами 10 мм х 40 мм х 25 мкм каждая. Измерения характеристик макета МЭ датчика проводили стандартными методами.

Принцип работы датчика поясняет рис. 7.6. На рис. 7.6а изображена типичная полевая зависимость магнитострикции ФМ слоя Х(Н). Магнитострикция насыщается на уровне в поле Н§. Зависимость Х(Н) имеет симметричный относительно инверсии направления поля Н вид.

При приложении к структуре поля накачки ксо$(2п/() в ФМ слое возникает переменная однополярная деформация £(/) (рис. 7.6Ь), период которой меньше в два раза. Если дополнительно приложить к структуре слабое измеряемое постоянное поле Но, то нелинейность магнитострикции приводит к отличию величины соседних максимумов на зависимости £(/) и искажению их формы. Эта деформация передаётся ПЭ слою структуры, и он генерирует напряжение и(/) примерно такой же формы. Фурье-преобразование от функции и(/) даёт спектр частот выходного напряжения, показанный на рис. 7^. Спектр содержит низшую гармонику с частотой накачки/и амплитудой и\ и высшие гармоники с частотами 2/, 3/ 4/ и т.д. и амплитудами и2, из, и а, соответственно.

Типичные временные формы и спектры частот напряжения, генерируемого

композитной МЭ структурой при воздействии накачки к = 5 Э с частотой/= 1 кГц

без постоянного поля и в присутствии постоянного поля, показаны на рис. 7.7.

Видно, что при Н = 0 структура генерирует только чётные гармоники напряжения с

223

Рис. 7.6. Графики, поясняющие принцип работы МЭ датчика: (a) - зависимость магнитострикции ФМ слоя от поля H; (b) - поле накачки h(t) и постоянное поле Ho; (с) - зависимость деформации ФМ слоя S от времени t; (d) - спектр частот генерируемого напряжения u(f).

частотами 2/ и 4/ и амплитудами и2 и щ, соответственно. Если Н = 1 Э, форма генерируемого сигнала искажается и в спектре появляются также нечётные гармоники напряжения с частотами/ 3/и амплитудами и и из, соответственно. При малых к, Н << Н амплитуды первой и\ и третьей из гармоник линейно растут с увеличением Н, что можно использовать для измерения постоянного поля. Из рис. 7^ следует, что амплитуда 1-й гармоники на порядок больше амплитуды 3-й гармоники. Поэтому при создании магнитометра следует использовать 1-ю гармонику напряжения.

Полевые характеристики МЭ датчика, измеренные при частоте накачки / = 1 кГц, приведены на рис. 7.8. Видно (рис. 7.8а), что с увеличением Н амплитуда гармоники и1 от постоянного поля Н для различных полей накачки к (рис. 7.8а), с увеличением Н амплитуда гармоники и1 для всех к вначале линейно растёт, достигает максимума в поле Нт ~ 4 - 7 Э, а затем монотонно падает при насыщении ФМ слоя. При малых к << Н поле Нт соответствует полю максимума пьезомагнитного коэффициента ФМ слоя структуры. С ростом амплитуды накачки к величина генерируемого структурой напряжения и1 при одном и том же Н существенно возрастает. Из

рис. 7.8а видно также, что с увеличением поля накачки к диапазон рабочих полей

224

МЭ датчика, т.е. наклон зависимости £ = ы\1И в области малых полей, растёт. Очевидно, и то, что для датчика с ФМ слоями из аморфного сплава при амплитуде поля накачки к = 5 Э верхняя граница рабочего диапазона измеряемых полей составляет И* ~ 4 Э, и чувствительность датчика, определённая по наклону кривой, равняется £ ~ 0.25 - 0.28 В/Э.

На рис. 7.8Ь изображены зависимости амплитуды первой гармоники и\ от поля накачки к для различных значений постоянного поля И. Как явствует из этого рисунка, для всех И в интервале 1 - 6 Э напряжение и1 сначала линейно растёт с увеличением к, затем достигает максимума при к ~ 4 - 5 Э, а далее начинает монотонно спадать. В области полей максимума первой гармоники и1 амплитуда второй гармоники и2 обращается в нуль. При дальнейшем увеличении накачки к > 5 Э амплитуды второй и всех высших гармоник, генерируемых структурой, резко растут. Отсюда можно заключить, что существует оптимальное поле накачки, при котором чувствительность датчика максимальна. Для описанного датчика с ФМ слоями из аморфного сплава оптимальная величина поля накачки составляла кор( ~ 4 - 5 Э, а чувствительность при этом поле, как видно из рис. 7.8Ь, достигала максимума S ~ 0.25 В/Э. Величина оптимального поля накачки оказалась в несколько раз меньше поля насыщения И ФМ слоя.

i 1-Л= 0.5 0e (a) 2 - 1.5 Oe

3 - 2.5 Oe 4- 3.Ö Oe . ............5 - 5.0 Oe....................- • . •—. . il i

0 ff 10 20 30 40 H (Oe) i i i i i i

h( Oe)

Рис. 7.8. Полевые характеристики МЭ датчика:(а) - зависимость амплитуды 1-ой гармоники и\ от постоянного поля Н при различных полях накачки к, Э. (Ь) - зависимость амплитуды 1-ой гармоники и1 от поля накачки к при различных постоянных полях Н.

Частотные характеристики МЭ датчика приведены на рис. 7.9 На рис. 7.9a изображены (в логарифмическом масштабе по осям) спектры частот напряжения на выходе снятые при частоте поля накачки f = 1 кГц и различных условиях: кривая 1 (синяя) - частотная зависимость напряжения собственных шумов структуры при к = 0 и H = 0; кривая 2 (красная) - спектр частот напряжения при поле накачке к = 5 Э в отсутствие постоянного поля H = 0; кривая 3 (черная) - спектр частот напряжения при поле накачки к = 5 Э в постоянном поле H = 1 Э. Все зависимости измерялись в естественных лабораторных условиях без дополнительной магнитной экранировки. При измерениях ось структуры ориентировали перпендикулярно горизонтальной составляющей поля Земли.

Частотная зависимость напряжения шумов Unsf) является важной характеристикой МЭ датчика, поскольку именно шумы определяют величину минимального измеряемого поля. Видно (кривая 1 на рис. 7.9a), что напряжение шумов Uns(f) монотонно падает с ростом частоты: на частоте 0.1 кГц оно составляет Uns ~ 330 мкВ (что

соответствует спектральной плотности напряжения шума SPD = uns / JÂf ~ 60 мкВ^Гц, где Af - ширина полосы) на частоте 1-ой гармоники f = 1 кГц составляет Uns ~ 22 мкВ (SPD ~5 м кВ^Гц) и уменьшается до Uns ~ 4.3 мкВ (SPD ~ 0.8 м кВ^Гц) в области частот f ~ 10 кГц. Рост шумов при f > 10 кГц обусловлен наличием низкодобротного акустического резонанса структуры вблизи частоты ~22 кГц (не показан

226

Рис. 7.9. Частотные характеристики МЭ датчика: (a) - спектры частот напряжения на выходе МЭ датчика при частоте поля накачки f= 1 кГц и различных условиях: 1 - h = 0, H = 0; 2 - h = 5 Э, H = 0; 3 - h = 5 Э, H = 4 Э. (b) - зависимость напряжения шума Uns, амплитуды сигнала ui при H = 4 Э и динамического диапазона L от частоты накачки fp.

на графике). Оптимистическая оценка спектральной плотности магнитных шумов МЭ датчика вблизи частоты 10 кГц с учетом его чувствительности дает величину SPD/S ~ 3.2 мк Э^Гц, что сравнимо с лучшими данными для МЭ датчиков переменных полей.

При включении поля накачки h (кривая 2 на рис. 7.9a) в спектре появляются чётные гармоники напряжения вблизи частот 2f 4f и т.д. В области низких частотf < 1 кГц и между чётными гармониками шум остаётся примерно на прежнем уровне. Кроме того, появляются дополнительные пики вблизи частот нечётных гармоник f 3f и т.д. На вставке рис. 7.9а в более крупном масштабе показана тонкая структура пика вблизи частоты первой гармоники f измеренная с частотным разрешением Af = 3.9 Гц. Видно, что пик имеет достаточно широкий "пьедестал" и чётко выделенный сигнал на частоте первой гармоники 1 кГц с боковыми сателлитами, отстоящими на частоту ~ 50 Гц. Сигнал на частоте 1-ой гармоники и боковые сателлиты отражают присутствие неконтролируемого слабого постоянного поля и переменных полей с частотой 50 Гц, равной частоте промышленного тока.

При включении постоянного поля H = 1 Э (кривая 3 на рис. 7.9a) в спектре частот появляется основной сигнал на частоте 1-ой гармоники, амплитуда которого достигает ui ~ 249 мВ. Величина сигнала позволяет оценить чувствительность к постоянному магнитному полю S ~ 0.25 В/Э. Аналогичные измерения были выполнены для различных частот накачки в диапазоне f = 50 Гц - 10 кГц при фиксированной амплитуде поля накачки h ~ 5 Э. На рис. 7.9b показаны зависимости напряжения шума uns и напряжения сигнала u1 на частоте первой гармоники при максимальном значении измеряемого поля H = 4 Э от частоты накачкиfp. Видно, что с увеличением fp напряжение Uns магнитных шумов структуры монотонно падает. Напряжение полезного сигнала ui остаётся примерно постоянным при изменении частоты накачки и спадает только в области малых частот fp < 100 Гц из-за конечной проводимости пьезоэлектрика.

Используя частотную зависимость напряжения шума Uns(f) в отсутствие поля накачки и зная чувствительность S, можно найти величину минимального детектируемого поля Hmin = Uns/S и максимально достижимую ширину динамического диапазона L=10 1og(Hmax/Hmin) при каждой частоте накачки. Как следует из рис. 7.9b, для описанного макета при возрастании fp от 0.1 кГц до 10 кГц величина Hmin монотонно уменьшается от ~1.5 10-3 Э до ~1.7 10-5 Э, а динамический диапазон расширяется от ~33 дБ до ~53 дБ. Шумы датчика описанного типа требуют более детальных исследований.

Характеристики МЭ датчика в области слабых полей приведены на рис. 7.10. Рисунок 7.10.a демонстрирует зависимость напряжения ui от постоянного поля при H < 1.5 Э для оптимальной частоты fp = 1 кГц и амплитуды h = 5 Э поля накачки. Измерения проводились без магнитной экранировки. Для устранения влияния магнитного поля Земли при измерениях продольная ось структуры была ориентирована перпендикулярно полю Земли. Видно, что зависимость практически линейна в области слабых полей, величина сигнала не меняется при инверсии направления поля H. В пределах точности измерений при увеличении и последующем уменьшении поля H гистерезис не наблюдался. Чувствительность при данной накачке, определённая из графика, составляла S = (0.249±0.002) В/Э. Величина минимального измеряемого поля, при котором сигнал с датчика уменьшался до уровня шума, составляла Hmin ~ 1 мЭ.

Рисунок 7.10Ь демонстрирует чувствительность структуры к ориентации постоянного магнитного поля на примере поля Земли. При измерениях структуру располагали в горизонтальной плоскости в магнитном поле Земли таким образом, что угол 5 = 900 соответствовал ориентации продольной оси структуры вдоль направления горизонтальной компоненты поля Земли Из = 200 мЭ. При вращении датчика в поле Земли амплитуда первой гармоники и спадала от 49 мВ до уровня шума. Для сравнения по правой вертикальной оси графика отложена рассчитанная величина проекции поля Земли на продольную ось структуры И = ИзСо8(5). Измерения в спектральной области позволяют определить только величину проекции поля на продольную ось структуры, но не её знак. Вместе с тем, при использовании синхронного детектирования для выделения сигнала первой гармоники, фаза напряжения меняется на п при ориентациях структуры 5 = 00 и 1800. Это позволяет однозначного определять направление поля.

Таким образом, предложен аналог феррозондового датчика магнитных полей. Магнитометр на основе МЭ эффекта использует нелинейную зависимость магнито-стрикции ФМ слоя от поля А(И), в то время как ФЗ датчик использует нелинейную зависимость намагниченности ФМ слоя от поля М(И). В обоих датчиках для возбуждения используется катушка, создающая переменное магнитное поле накачки, однако в МЭ датчике для регистрации сигнала используется ПЭ слой, тогда как в ФЗ

Рис. 7.10. Характеристики МЭ датчика в области слабых полей при поле накачки = 1 кГц и к ~ 5 Э: (а) - зависимость сигнала МЭ датчика от постоянного поля И; (Ь) - зависимость горизонтальной составляющей магнитного поля Земли от направления.

датчике сигнал регистрируется с помощью объёмной катушки. Таким образом, конструкция предложенного МЭ датчика проще и легче может быть реализована методами планарной технологии. Регистрация полезного сигнала в обоих датчиках проводится в спектральной области: в МЭ датчике на 1-ой или 3-ей гармониках сигнала накачки, а в ФЗ датчике - на 2-ой гармонике сигнала накачки. Минимальные измеряемые поля для обоих датчиков лежали в области полей Ишш ~ 1 мкЭ. Величина верхней границы диапазона рабочих полей обоих датчиков примерно одинакова Ит ~ 1 - 102 Э. Чувствительности датчиков сравнимы по величине, однако чувствительность МЭ датчика может быть существенно увеличена за счёт использования акустического резонанса композитной структуры вплоть до Б ~ 102 В/Э.

Похожий датчик для измерения постоянных магнитных полей на основе нелинейного МЭ эффекта описан в работе [252].

7.3 Пороговый датчик магнитных полей

тл « «

В данном разделе описан новый тип порогового датчика магнитных полей, содержащего резонатор на основе МЭ структуры, включённый в обратную связь

усилителя [254,255]. Различные типы пороговых датчиков (магнитные, ёмкостные, электростатические, индуктивные, оптические и д.р.) получили большое распространение в автомобильной и авиационной промышленности, в автоматизированных производствах, в робототехнике и пищевой промышлен-

Рис. 7.П. Блок-схема п°р°гового датчика ности. Блок-схема датчика показана магнитных полей с мэ резонатором. на рис 7 11

Основными элементами датчика являются: широкополосный усилитель с коэффициентом усиления Ki, фазовращатель с коэффициентом передачи Кг, выходной широкополосный усилитель мощности с коэффициентом усиления Кз, МЭ резонатор с коэффициентом передачи Ко на резонансной частоте и делитель напряжения на резисторах R и Ro. Все элементы соединены последовательно в замкнутый контур.

230

В качестве широкополосного усилителя использован прецизионный инструментальный усилитель ША326. В полосе частот 80 - 90 кГц он имеет коэффициент усиления по напряжению К1 = 100, входной импеданс ~1 ГОм, выходной импеданс в несколько Ом и уровень насыщения выходного сигнала ~2 В. Фазовращатель с коэффициентом передачи по напряжению К2 = 0.33 был изготовлен на ЯС цепочке и обеспечивал опережающий сдвиг фазы 900 на частоте 86.7 кГц. Выходной операционный усилитель ОРА2314 с коэффициентом передачи по напряжению К3 = 2 и уровнем насыщения выходного сигнала 2.5 В создавал в катушке резонатора ток амплитудой до 20 мА,

В качестве резонатора в датчике использовали трёхслойную структуру, состоящую из пластины лангатата La3Ga5.5Ta0.5O14 (ПЭ) и двух слоёв из аморфного ферромагнетика (ФМ) FeBSiC, соединённых при помощи эпоксидного клея. Пластина пье-зоэлектрика имела размеры 24.7 мм х 4 мм х 0.5 мм. На поверхности пластины были нанесены серебряные электроды толщиной ~ 2 мкм. Слои аморфного сплава имели размеры 24.7 мм х 4 мм х 0.03 мм. Структура была жёстко закреплена в центральной части так, что в ней могли возбуждаться продольные акустические колебания с резонансной частотой /0 = 87.6 кГц. Резонатор помещали внутрь катушки с сопротивлением Я0 = 4.586 Ом и индуктивностью Ь = 550 мкГн, содержащей 200 витков провода диаметром 0.2 мм каждый. Катушка создавала переменное магнитное поле до к = 10 Э при токе 20 мА. Всю конструкцию располагали в катушках Гельмгольца, создававших постоянное поле Н напряженностью до 100 Э, направленное вдоль оси структуры. Переменный резистор Я в делителе напряжения позволял изменять коэффициент передачи резонатора К4 = Я0/(Я0+Я) от 1 при Я = 0 до 810-5 при Я = 60 кОм.

Принцип работы порогового датчика следующий. Напряжение и1СО8(2я/?), с амплитудой и1 и частотой/ приложенное к катушке резонатора, создает переменное магнитное поле к, направленное вдоль оси структуры. Одновременно к структуре в том же направлении прикладывается постоянное магнитное поле Н. В результате магнитострикционных деформаций ферромагнитных слоёв в структуре возбуждаются продольные акустические колебания. Поскольку пьезоэлектрическая пластина расположена симметрично между двумя магнитными слоями, изгибные колебания отсутствуют. Деформация ПЭ слоя, механически связанного с ФМ слоями, приводит к генерации пьезоэлектриком переменного напряжения с амплитудой и2 и той же

частотой /. Амплитуда генерируемого напряжения пропорциональна напряженности постоянного поля и2 ~ Н и возрастает в добротность Q раз, когда частота возбуждающего поля совпадает с частотой продольных акустических колебаний структуры. Коэффициент передачи резонатора Кэ(Н) = и2(Н)/и1 зависит от магнитного поля и может изменяться в широком интервале при изменении Н.

При выполнении условия баланса амплитуд и фаз ^ К{ > 1 и ^фф = 2лп, (где

2 2

К и щ - коэффициент передачи и фазовый сдвиг в /-ом элементе схемы, п - целое число) в замкнутом контуре возбуждаются автоколебания. Для рассматриваемой схемы частота генерации равна частоте продольных акустических колебаний структуры, а амплитуда генерируемого напряжения и3 ограничена уровнем насыщения усилителя. При изменении коэффициента К4 делителя напряжения баланс амплитуд будет выполняться для различных коэффициентов передачи резонатора К0. Таким образом, генератор может быть использован в качестве порогового датчика магнитных полей с регулируемым полем срабатывания.

Результаты исследования МЭ эффекта в использованной композитной структуре приведены на рис. 7.12. На рис. 7.12а показаны измеренные амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики МЭ резонатора. Виден резонансный пик вблизи частоты/0 = 86.7 кГц с добротностью Q ~ 1080, который соответствует возбуждению продольных акустических колебаний в структуре. На резонансной частоте фаза генерируемого напряжения на 900 отстает от фазы напряжения, приложенного к возбуждающей катушке. Фазовый сдвиг, создаваемый собственно электромагнитной катушкой, мал и может не учитываться. Для компенсации этого фазового сдвига и выполнения условий синхронизма использован фазовращатель, показанный на рис. 7.11.

На рис. 7.12Ь показана зависимость напряжения и2, генерируемого структурой на частоте резонанса, от напряжения и1, приложенного к возбуждающей катушке. Видно, что зависимость линейна во всём диапазоне напряжений. Коэффициент передачи резонатора по напряжению равен К0 = и2/и1 ~ 3.6.

1,0

0,5

0,0 85,5

50

_____ —•—•—••«•••« (а) .

/ * \ 1 • V 7 Оч^ -

-60 п го

-120 е-

-180

86,0 86,5 87,0 I кГц

87,5

88,0

аз

- 25

__л (Ь)

_____ ---- — __' ___•— у----

10

12

14

и,, В

1 __

¿Г Г \ (С)

_

-100

-50

0 Н, Э

50

100

Рис. 7.12. Характеристики МЭ резонатора: (а) зависимости амплитуды иг и фазы ф напряжения на выходе резонатора от частоты при и1 = 1 В и Н = 8 Э; (Ь) зависимость иг от и1 на частоте резонанса при Н = 7.5 Э; (с) зависимость иг от магнитного поля Н на частоте резонанса при и1 = 0.3 В.

На рис. 7.12с показана зависимость напряжения иг на резонансной частоте / от внешнего постоянного магнитного поля Н при напряжении на катушке и1 = 1 В. С увеличением магнитного поля Н напряжение иг сначала растёт, достигает максимального значения ~ 4.6 В при постоянном поле Нт ~ 7.5 Э (которое соответствует максимуму пьезомагнитного коэффициента ФМ слоя ц), а после этого снова постепенно уменьшается по мере увеличения Н. Из вида зависимости на рис. 7.12с следует, что генерация в схеме возникает внутри ограниченного диапазона постоянных магнитных полей Н1 < Н < Нг, где Н1 - поле включения генерации и Нг - поле выключения генерации.

На рис. 7.13а показана форма сигнала из(/) на выходе усилителя, измеренная при коэффициенте передачи делителя К4 ~ 1.14^ 10-4 и Я = 40 кОм. Видно, что сигнал на рис. 7.13а не гармонический. Искажение формы сигнала обусловлено насыщением усилителя на уровне из ~ 2.5 В. Зависимость из(Н), показанная на рис. 7.13Ь, измерена при скорости нарастания поля дН/д/ = 2.5 Э/с. При изменении поля генерация наблюдалась только внутри интервала полей Н1 < Н < Нг (Н1 ~1 Э и Нг ~ 31 Э

при Я = 40 кОм), где были выполнены условия амплитудного и фазового синхронизма.

На рис. 7.14 приведена зависимость полей «включения» и «выключения» генерации от сопротивления резистора делителя Я(Н), построенная с использованием кривых, аналогичных показанным на рис. 7.13Ь. Видно, что зависимость Я(Н) на рис. 7.14 качественно повторяет зависимость и2(Н) на рис. 7.12с. Однако отметим, что пик на рис. 7.14 шире по полю и сдвинут в область более высоких магнитных полей, по сравнению с пиком на рис. 7.12с. Это может быть связано с уменьшением коэффициента передачи МЭ резонатора при больших амплитудах возбуждающего магнитного поля.

Также обнаружено, что генерация в схеме возникает только при одном направлении постоянного поля Н. При обращении направления поля генерация отсутствовала для любых значений поля. Это происходит из-за изменения на 1800 фазы напряжения, генерируемого ПЭ слоем, приводящему к нарушению условий баланса фаз в контуре. Для восстановления генерации после обращения направления поля Н было необходимо ввести в цепь дополнительный сдвиг фазы напряжения на 1800. Потребляемая датчиком мощность составляла 35 мВт в отсутствие генерации и возрастала до 36-42 мВт при возбуждении генерации.

Рис. 7.13. Форма напряжения из(0, генерируемого датчиком; (Ь) зависимость напряжения из от постоянного поля Н.

Рис. 7.14. Границы магнитных полей Н и сопротивлений делителя Я существования генерации в схеме с МЭ резонатором.

Магнитные поля включения Н1 и выключения Н2 датчика можно изменять в широких пределах, изготавливая магнитные слои резонатора из различных магнито-стрикционных материалов, и регулировать в более узком интервале полей с помощью делителя напряжения. Частоту выходного сигнала датчика можно задавать в пределах от единиц кГц до сотен МГц за счет подбора размеров резонатора и выбора изгибных, планарных или толщинных мод колебаний структуры. Радиочастотный выход датчика позволяет использовать его в беспроводных системах сбора и обработки информации.

7.4 Линейный магнитоэлектрический датчик постоянных магнитных полей компенсационного типа

Как было показано ранее, амплитуда напряжения и, генерируемого МЭ структурой при её возбуждении переменным магнитным полем к, пропорциональна амплитуде этого поля и величине постоянного поля Н, приложенного к структуре, что позволяет использовать МЭ эффект для измерения постоянных магнитных полей. Созданные к настоящему времени МЭ датчики позволяют измерять постоянные магнитные поля Н величиной от ~10-3 Э до ~2...100 Э [152,256,257]. Величина минимального регистрируемого поля определяется в основном магнитными шумами ФМ-слоя [142], а верхняя граница рабочего диапазона полей датчиков ограничена полем, в котором достигается максимум пьезомагнитного коэффициента материала ФМ-слоя структуры [256]. Зависимость выходного сигнала МЭ датчиков от Н определяется видом полевой зависимости магнитострикции Х(Н) ФМ слоя и, как правило, имеет нелинейный вид [258]. В этой связи актуальной является разработка методов расширения диапазона рабочих полей МЭ датчиков и линеаризации их характеристики. В данном разделе продемонстрировано, что использование компенсационной схемы включения МЭ датчика позволяет в десятки раз расширить диапазон его рабочих полей и линеаризовать зависимость выходного напряжения от измеряемого поля.

Конструкция чувствительного элемента датчика на основе МЭ структуры схематически показана на вставке рис. 7.15. Он содержит два ФМ слоя из магнитострик-ционного аморфного сплава состава FeBSiC (Metglas 2605S3A) [259] размерами 10

мм х 40 мм и толщиной 30 мкм, между которыми расположен ПЭ слой. Магнитострикция ФМ слоев достигает насыщения As ~ 22-10-6 в поле Hs ~ 100 Э, а пьезомагнитный коэффициент, рассчитанный по измеренной зависимости A(H), имеет максимум q = дЛ/дИ ~ 3Ч0-6 Э-1 при поле Hm ~ 10.8 Э. В качестве ПЭ слоя использовали пьезоволокон-ный композит (ПВК) (M4010-P1, Smart Materials) [260] размерами 10 мм х 40 мм и толщиной 0.3 мм. ПВК содержит волокна из цирконата-ти-таната свинца (PZT-fibers), расположенные между встречно-штыревыми преобразователями с периодом 1 мм. Ёмкость и сопротивление ПВК на частоте 1 кГц равнялись 0.96 нФ и 93 кОм, соответственно. PZT-волокна поляризованы в продольном направлении и при деформации работает пьезомодуль d.33 = 460 пК/Н. Применение ПВК вместо поперечно поляризованной PZT-пластины позволяет в несколько раз повысить выходное напряжение чувствительного элемента. Слои структуры были соединены с помощью клея "Loctite". На структуру плотно намотана возбуждающая катушка сопротивлением 6.7 Ом. При пропускании через катушку переменного тока с частотой f она создает в ФМ слоях возбуждающее магнитное поле h(f) с амплитудой до 1 Э. Измеряемое постоянное магнитное поле H прикладывали вдоль продольной оси структуры. При воздействии на МЭ структуру переменного поля h(f) и постоянного поля H она, вследствие МЭ эффекта, генерирует напряжение u(f).

На рис. 7.15 приведена измеренная зависимость напряжения u, генерируемого чувствительным элементом датчика, от постоянного поля H, при возбуждающем поле с частотой f = 1 кГц и амплитудой h = 1 Э. Зависимость имеет типичный для МЭ структур вид: напряжение u вначале примерно линейно растёт с увеличением H, достигает максимума при поле H1 ~ 10 Э, соответствующем максимуму пьезомаг-

Рис. 7.15. Зависимость амплитуды напряжения, генерируемого МЭ структурой, от поля Н. На вставке показана конструкция чувствительного элемента датчика.

нитного коэффициента q = дЯ/дИ , а затем плавно стремится к нулю при насыщении магнитострикции X ФМ слоя. Из рис. 7.15 видно, что для измерения Н можно использовать только начальный участок кривой в области магнитных полей 0 < Н < Нт, где напряжение и однозначно зависит от Н. Для описанного чувствительного элемента верхний диапазон измеряемых полей не превышал Нт ~ 5 Э. При этом, даже в указанном диапазоне полей, величина и нелинейно зависит от поля Н, что требует применения корректирующих схем для линеаризации характеристик МЭ датчика.

Для линеаризации характеристики чувствительного МЭ элемента использована схема компенсационного типа [261]. Блок-схема датчика показана на рис. 7.16. Он содержит: чувствительный элемент на основе структуры Metglas - ПВК - Ме1§1а8; предварительный усилитель; синхронный детектор; генератор переменного напряжения; усилитель постоянного напряжения и компенсирующую катушку, включённые в цепь отрицательной обратной связи. Малошумящий усилитель с входным сопротивлением 1 МОм на основе интегральной микросхемы AD620 обеспечивает усиление сигнала с ПВК в К1 = 3 раза. Усиленный сигнал подаётся на синхронный детектор, разработанный на микросхеме AD630. Одновременно на синхронный детектор поступает гармонический сигнал с частотой 1 кГц от генератора на микросхеме AD8656. Генератор подключён также к возбуждающей катушке чувствительного элемента, которая создаёт возбуждающее магнитное поле. Поскольку МЭ структура работает на частоте, далекой от частоты её собственного механического резонанса, сдвиг фаз между входным и опорным сигналами синхронного детектора

Компенсирующая Чувствительный

Рис. 7.16. Блок-схема МЭ датчика постоянных полей компенсационного типа.

отсутствует. В этом случае детектор осуществляет двухполупериодное выпрямление входного сигнала. Фильтр нижних частот, стоящий на выходе синхронного детектора, выделяет постоянную составляющую сигнала и, пропорциональную амплитуде сигнала и с чувствительного элемента. Суммарный коэффициент усиления по напряжению синхронного детектора и фильтра равен К2 = 12.7.

Цепь отрицательной обратной связи датчика формируют ключ "К", усилитель постоянного напряжения и компенсирующая катушка. Усилитель на микросхеме ОРА551 повышает постоянное напряжение и ещё в Кз = 10 раз и обеспечивает ток в катушке до 200 мА. Катушка с сопротивлением Яо = 105 Ом и индуктивностью 185 мГн была включена таким образом, что создавала в месте расположения чувствительного элемента постоянное поле Не напряжённостью до ~72 Э, направленное навстречу измеряемому полю Н. Коэффициент обратной связи схемы О = Яо/(Я+Яо) регулировали в диапазоне от нуля до единицы, изменяя величину сопротивления Я, включённого последовательно с катушкой. Отрицательная обратная связь приводит к тому, что чувствительный элемент при любых значениях измеряемого поля работает в области малых полей Н - Не << Н, что и позволяет линеаризовать характеристику датчика.

На рис. 7.17 приведены измеренные зависимости напряжения и на выходе датчика от измеряемого магнитного поля Н при различных коэффициентах обратной

Рис. 7.17. Зависимость выходного напряжения и датчика компенсационного типа от магнитного поля Н при различных коэффициентах обратной связи О. Точки -данные измерений, штриховые линии - линейная аппроксимация.

связи. Кривая для G = 0 соответствует отсутствию обратной связи в схеме и полностью повторяет форму полевой зависимости напряжения u(H), генерируемого МЭ структурой (рис. 7.16). Видно, что с увеличением коэффициента обратной связи G максимум кривых сдвигается в область более высоких полей и начальный линейный участок расширяется.

Для G = 1 зависимость выходного напряжения датчика от поля H линейна во всем диапазоне магнитных полей 0 < H < 72 Э. Отклонение измеренной зависимости от линейной для G = 1 составило не более 0.3%. Наклон штриховых линий на рис. 7.17 демонстрирует чувствительность датчика S = U/Hex на линейном участке каждой кривой.

На рис. 7.18 приведена зависимость ширины линейного диапазона датчика SH и чувствительности датчика S внутри этого диапазона от величины коэффициента обратной связи G, построенная с использованием данных рис. 7.17. Видно, что SH увеличивается примерно линейно от 1.5 Э до 72 Э, т.е. в ~50, раз с увеличением G. Чувствительность датчика S примерно обратно пропорциональна коэффициенту обратной связи и уменьшается от 620 мВ/Э при G = 0 до (28.88 ± 0.08) мВ/Э при G = 1, т.е. в ~21 раз. Из данных рис. 7.18 следует соотношение между шириной линейного диапазона датчика и величиной чувствительности внутри этого диапазона для каждого G: SH-S - 2.1 V - Um.

Рис. 7.18. Измеренная зависимость ширины линейного диапазона датчика 8Н и чувствительности датчика Б внутри этого диапазона от коэффициента обратной связи О. Точки - данные измерений, штриховые линии - аппроксимация данных линейной и гиперболической функциями, соответственно.

Зависимости выходного напряжения U от внешнего измеряемого поля Hex для МЭ датчика компенсационного типа рассчитаем, используя систему уравнений:

U = F (H), (7.1a)

H = Hex -Hc. (7.1b)

Уравнение (7.1a) описывает зависимость МЭ напряжения U от магнитного поля H для МЭ датчика без обратной связи. Уравнение (7.1b) отражает уменьшение поля H в месте расположения чувствительного элемента датчика из-за поля Hc, созданного компенсирующей катушкой. Величина компенсирующего поля Hc линейно зависит от напряжения U на выходе синхронного детектора

Hc = GAU. (7.2)

где 0 < G <1 - коэффициент обратной связи компенсационной схемы, A - постоянный коэффициент.

Для численных расчётов зависимость (7.1a) была аппроксимирована аналитической функцией U(H) = BHb exp(-CHc), где коэффициенты равны: B = 0.7443016, b = 0.8702301, C = 0.1173849, с = 0.9058138. Кривая для G = 0 на рис. 7.19 демонстрирует хорошее совпадение данных измерений с аппроксимирующей функцией. Коэффициент A в (7.3) находится по данным измерений. Для каждого G на рис. 7.19 напряжение достигает максимума Um, когда результирующее поле в месте расположения чувствительного элемента равно Hm. Тогда, из уравнений (7.1b) и (7.2) получаем Hm = Hех - GAUm или после преобразования:

A = (Hx -Hm)/GUm. (7.3)

Подставляя в (7.3) соответствующие значения Hex, G и Um для трех кривых на рис. 7.19, получаем среднее значение A ~ 31.7 Э/В.

Результаты численного решения системы уравнений (7.1) представлены на рис. 7.19. Видно, что с увеличением коэффициента обратной связи G максимумы кривых действительно смещаются в область больших полей. При этом левый склон кривой становится более пологим и участок линейности расширяется, а правый склон - более крутым. При G = 1 зависимость U(Hex) приобретает практически линейный вид. Рассчитанная чувствительность датчика в области магнитных полей 0

< И < 72 Э составляет и/И = (28.82 ± 0.07) мВ/Э. Экспериментальные точки на рис. 7.19, соответствующие О = 1, демонстрируют хорошее совпадение результатов расчета с экспериментом.

Как видно из (7.2), величина коэффициента А связана с полем Не, которое может создать компенсирующая катушка. Расчеты для различных А показали, что, используя в цепи обратной связи различные катушки и усилители постоянного тока, можно изменять ширину полосы рабочих полей датчика от десятков до сотен эрстед при сохранении во всем диапазоне полей линейной зависимости выходного напряжения от измеряемого поля.

Выводы по Главе 7

Таким образом, в разделе 7 диссертационной работы продемонстрированы возможности применения нелинейных МЭ эффектов в структурах ФМ - ПЭ для создания датчиков магнитных полей новых типов. В частности, изготовлен и исследован широкополосный датчик переменных магнитных полей, использующий эффект удвоения частоты возбуждающего переменного магнитного поля и работающий без дополнительного постоянного магнитного поля смещения. Разработан и исследован

высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей, использующий эффект генерации гармоник при одновременном воздействии на ФМ - ПЭ структуру гармонического возбуждающего магнитного поля и постоянного измеряемого магнитного поля. Датчик является МЭ аналогом известных феррозондовых датчиков. Предложен пороговый датчик постоянных магнитных полей, содержащий МЭ резо-

U U С» U с»

натор с нелинейной характеристикой, включенный в цепь обратной связи широкополосного усилителя. Разработан МЭ датчик компенсационного типа для измерения постоянных магнитных полей с расширенным диапазоном измеряемых полей и линейной рабочей характеристикой.

Полученные результаты позволяют сформулировать научное положение, выносимое на защиту:

7. На основе нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структурах фер-ромагнетик-пьезоэлектрик созданы: широкополосный датчик переменных магнитных полей; высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей (аналог flux-gate магнетометра); пороговый датчик переменных магнитных полей и датчик постоянных магнитных полей компенсационного типа с линейной характеристикой и расширенным диапазоном.

Заключение

Полученные результаты вносят существенный вклад в развитие фундаментальных исследований линейных и нелинейных магнитоэлектрических эффектов и позволяют сформировать научные, технические и технологические основы разработки устройств на основе нелинейных магнитоэлектрических эффектов. Разработка макетов устройств подтверждает соответствие полученных результатов сделанным из них выводам, основными из которых являются следующие:

1. Показано, что для повышения эффективности МЭ преобразования в композитных структурах следует использовать материалы с высокой магнитострикцией насыщения и малыми полями насыщения, например, аморфные сплавы.

2. Для повышения эффективности МЭ преобразования в композитных структурах следует использовать пьезоматериалы с большим отношением пьезомодуля к диэлектрической проницаемости ^/е и высокой акустической добротностью.

3. Показано, что нелинейность прямого МЭ эффекта в композитных структурах возникает из-за нелинейной зависимости магнитострикции ФМ слоя от магнитного поля. Нелинейность приводит к статической деформации ФМ слоя в переменном поле, генерации гармоник напряжения и напряжения с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от полевых зависимостей магнитострикции по полю и соответствующей степени амплитуды возбуждающего поля.

4. Показано, что нелинейность обратного МЭ эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик возникает из-за нелинейной зависимости намагниченности (индукции) ферромагнитного слоя структуры от деформации. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и намагниченности с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от индукции по деформации и степенным образом зависят от амплитуды возбуждающего электрического поля.

5. Показано, что нелинейность обратного МЭ эффекта возникает из-за нелинейной зависимости пьезодеформации ПЭ слоя структуры от постоянного электрического поля. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и намагниченности с комбинационными частотами при возбуждении переменными электрическими полями.

6. Разработана теория нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и ферромагнетик-электростриктор, описывающая нелинейные процессы генерации гармоник напряжения и намагниченности и намагниченности и напряжения с комбинационными частотами при возбуждении переменными электрическими и магнитными полями при амплитудах возбуждающих полей, много меньших магнитных и электрических полей насыщения слоев структуры.

7. Разработан метод расчёта характеристик нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах при больших амплитудах возбуждающего магнитного или электрического полей.

8. Продемонстрировано, что увеличение амплитуды возбуждающего магнитного поля до уровня, сравнимого с полем насыщения ФМ слоя, приводит к подавлению гистерезиса в зависимости амплитуд гармоник МЭ напряжения от постоянного магнитного поля смещения. Эффект позволяет на ~2 порядка повысить точность измерении магнитных полей с помощью МЭ датчиков.

9. При увеличении амплитуды возбуждающего электрического поля в композитном МЭ резонаторе имеет место бистабильность, возникающая из-за нелинейного сдвига частоты акустического резонанса структуры.

10. Исследованы особенности нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах при их возбуждении импульсами магнитного поля миллисекундной длительности с амплитудой до десятков килоэрстед.

11. Продемонстрировано, что постоянное электрическое поле, приложенное к ПЭ слою композитной структуры, влияет на величину прямого МЭ эффекта, резонансную частоту и добротность МЭ резонатора.

12. Экспериментально продемонстрировано и объяснено влияние проводимости слоев на частотную зависимость эффективности МЭ преобразования в композитных структурах

13. Созданы макеты новых устройств на основе нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах, таких как широкополосный датчик переменных магнитных полей, высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей (аналог flux-gate магнетометра), пороговый датчик постоянных магнитных полей, принципы действия которых защищены патентами.

В результате выполнения работы получены углублённые знания о возникновении нелинейных магнитоэлектрических эффектов в слоистых композитных структурах, определены пути повышения величины магнитоэлектрического эффекта за счёт оптимального подбора свойств магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов и характеристик возбуждающих и постоянных магнитных полей. Исследованные эффекты в перспективе могут быть использованы для создания новых типов устройств микро- и наноэлектроники.

Результаты проведённых исследований опубликованы в 46 статья в ведущих высокорейтинговых международных и отечественных журналах представлены на 34 международных и российских научных конференциях, и симпозиумах и защищены 3-мя патентами.

Список литературы

1. Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // J. Appl. Phys. - 2008. - Vol. 103. - № 3. - P. 031101.

2. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182. - № 6. - С. 593-620.

3. Wang K.F., Liu J.-M., Z.F. R. Advances in Physics Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders // Adv. Phys. - 2009. - Vol. 58. - № 4. - P. 321-448.

4. Van Suchtelen J. Product properties: A New Application of Composite Materials // Philips Res. Rep. - 1972. - Vol. 27. - P. 28-37.

5. Bichurin M.I., Filippov D.A., Petrov V.M., Laletsin V.M., Paddubnaya N., Srinivasan G. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. B. - 2003. - Vol. 68. - № 13. - P. 132408.

6. Curie P. Sur la symétrie dans les phénomenes physiques, symétrie d'un champ électrique et d'un champ magnétique // J. Phys. 3 (Ser. III). - 1894. - P. 393- 415.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. ГИФМЛ. - 1959. - 532 p.

8. Дзялошинский И.Б. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. - 1959. - Т. 37. - С. 881-882.

9. Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома // ЖЭТФ. - 1961. -Т. 40. - С. 1035-1041.

10. Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr2O3 // Phys. Rev. Lett. - 1961. - Vol. 6. - № 11. - P. 607-608.

11. Fiebig M. Revival of the magnetoelectric effect // J. Phys. D. Appl. Phys. - 2005. -Vol. 38. - № 8. - P. R1-R30.

12. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature. - 2006. - Vol. 442. - № 7104. - P. 759-765.

13. O'Dell T.H. The field invariants in a magneto-electric medium // Philos. Mag. -1963. - Vol. 8. - № 87. - P. 411-418.

14. Brown F.W., Hornreich R.M., Shtrikman S. Upper bound on the magnetoelectric susceptibility // Phys. Rev. - 1967. - Vol. 168. - № 2. - P. 6-9.

15. Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнетомагнетики // УФН. - 1982. - Т. 137. - № 3. - С. 415-448.

16. Wood V.E., Austin A.E. Possible applications of magnetoelectric materials // Int. J. Magn. - 1973. - Vol. 5. - P. 303.

17. Fuentes M.E., Fuentes L., Olivera R., Garcia M. Meso- and Nano-Magnetoelectricity: A Review // Chemlnform. - 2007. - Vol. 38. - № 52.

18. Popkov A.F., Davydova M.D., Zvezdin K.A., Solov'yov S. V., Zvezdin A.K. Origin of the giant linear magnetoelectric effect in perovskitelike multiferroic BiFeO3 // Phys. Rev. B. - 2016. - Vol. 93. - № 9. - P. 094435.

19. Kimura T., Kawamoto S., Yamada I., Azuma M., Takano M., Tokura Y. Magnetocapacitance effect in multiferroic BiMnO3 // Phys. Rev. B. - 2003. - Vol. 67. - № 18. - P. 180401.

20. Ni H., Chengliang L., Zhengcai X., Rui X., Pengfei F., Jing S., Jun-Ming L. Multiferroicity and Magnetoelectric Coupling in TbMnO3 Thin Films // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2015. - Vol. 7. - № 48. - P. 26603-26607.

21. Lewtas H.J., Lancaster T., Baker P.J., Blundell S.J., Prabhakaran D., Pratt F.L. Local magnetism and magnetoelectric effect in HoMnO3 studied with muon-spin relaxation // Phys. Rev. B. - 2010. - Vol. 81. - № 1. - P. 014402.

22. Paul S., Pankaj R., Yarlagadda S., Majumdar P., Littlewood P.B. Giant magnetoelectric effect in pure manganite-manganite heterostructures // Phys. Rev. B. - 2017. - Vol. 96. - № 19. - P. 195130.

23. Dey K., Indra A., De D., Majumdar S., Giri S. Magnetoelectric Coupling, Ferroelectricity, and Magnetic Memory Effect in Double Perovskite La 3 Ni 2 NbO 9 // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. - Vol. 8. - № 20. - P. 12901-12907.

24. Khrustalyov V.M., Savytsky V.M., Kharchenko M.F. Magnetoelectric effect in antiferromagnetic LiCoPO 4 in pulsed magnetic fields // Low Temp. Phys. - 2016. -Vol. 42. - № 4. - P. 280-285.

25. Lujan M., Rivera J.-P., Kizhaev S., Schmid H., Triscone G., Muller J., Ye Z.-G., Mettout B., Bouzerar R. Magnetic measurements and magnetoelectric effect of pyroelectric KNiPO 4 single crystals // Ferroelectrics. - 1994. - Vol. 161. - № 1. - P. 77-89.

26. Clin M., Rivera J.-P., Schmid H. Reexamination of the magnetoelectric effect in

nickel-iodine boracite (NÍ3B7O13I) // Ferroelectrics. - 1990. - Vol. 108. - № 1. - P. 207-212.

27. Kumar M.S., Rivera J.-P., Ye Z.-G., Gentil S.D., Schmid H. Magnetoelectric effect in Co-Cl boracite // Ferroelectrics. - 1997. - Vol. 204. - № 1. - P. 57-71.

28. Ye Z.-G., Rivera J.-P., Schmid H., Haida M., Kohn K. Magnetoelectric effect and magnetic torque of chromium chlorine boracite Cr3B7O13Cl // Ferroelectrics. -1994. - Vol. 161. - № 1. - P. 99-110.

29. Fuentes L., García M., Bueno D., Fuentes M.E., Muñoz A. Magnetoelectric Effect in Bi5Ti3FeO15 Ceramics Obtained by Molten Salts Synthesis // Ferroelectrics. -2006. - Vol. 336. - № 1. - P. 81-89.

30. Srinivas A., Suryanarayana S.V., Kumar G.S., Mahesh Kumar M. Magnetoelectric measurements on Bi5FeTi3O15 and Bi6Fe2Ti3O18 // J. Phys. Condens. Matter. -1999. - Vol. 11. - № 16.

31. Kato K., Iida S. Magnetoelectric Effects of Fe3O4 at 4.2 K // J. Phys. Soc. Japan. -1981. - Vol. 50. - № 9. - P. 2844-2850.

32. Kitagawa Y., Hiraoka Y., Honda T., Ishikura T., Nakamura H. Low-field magnetoelectric effect at room temperature // Nat. Mater. - 2010. - Vol. 9. - № 10. -P. 797-802.

33. Звездин А.К., Воробьев Г.П., Кадомцева А.М., Попов Ю.Ф., Пятаков А.П., Безматерных Л.Н., Кувардин А.В., Попова Е.А. Магнитоэлектрические и магнитоупругие взаимодействия в мультиферроиках NdFe3(B03)4 // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 3. - № 11. - С. 600-605.