ОГЛАВЛЕНИЕ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 5
ГЛАВА 1. СТРУКТУ РА И СВОЙСТВА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
КОМПОЗИТОВ (обзор) 12
1.1. Магнитоэлектрический эффект гз кристаллах и композитах 12
1.2. Структура магнитоэлектрических композитов 17
1.2.1. Структура смесевых композитов 18
і •
1.2.1.1. Структура феррита Ці0>4Хп0(оГе20.| 18
1.2.1.2. Структура пьезоэлектрика РЬо^Бгод^го.бзТЦ^Оз 19
1.2.2. Структура тонкопленочных наноразмерных композитов 22
1.3. Свойства магнитоэлектрических композитов 26
1.3.1. Диэлектрические, магнитные, поляризационные и магнитоэлектрические свойства смесевых композитов 26
1.3.2. Сегнетоэлсктрические, магнитные и магнитоэлектрические свойства слоистых композитов 30
1.4. Теории магнитоэлектрического эффекта в композитах 33
1.5. Кристаллизация аморфных материалов 39
1.6. Структурная релаксация 43
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ 49
2.1. Получение образцов 49
2.1.1. Получение смесевых и многослойных магнитоэлектрических композитов (х^Іо^По^СзОд - (1 -х)РЬо.95Бго.о52го.5зТіол70з 49
2.1.2. Получение тонкопленочных нанокомпозитов 55
2.2. Обоснование выбора методик исследования 56
2.3. Установка для исследования магнитоэлектрического эффекта 58
2.4. Установка для измерения намагниченности композитов 60
2.5. Установка для исследования диэлектрических и электрических свойств композитов феррит-сегнетоэлектрик 61
2.6. Установка для измерения сегнетоэлектрических петель гистерезиса 62
2.7. Установка для измерения индуктивности 62
2.8. Установка для комплексных исследований инфранизкочастотных механических свойств твердых тел 64
2.9. Установка для проведения дифференциального термического анализа 67
2.10. Установка для исследования электропроводности при низких температурах 69
2.11. Установка для исследования ВАХ 70 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
НАНОКОМПОЗИТОВ Сох(ЫЫЬОз)100.х и Сох(ЦТС)100.х 73
3.1. Концентрационные зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости 73
3.2. Механизмы электропроводности нанокомпозитов Сох(1лЫЬОз)юо-х и
Сох(ЦТС)100.х 83
3.3. ВАХ тонкопленочных нанокомпозитов Сох(1лЫЬОз) юо-х 93 3.4..Кристаллизация аморфной фазы в нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х 99
3.4.1. Кинетика процесса кристаллизации 101
3.4.2. Влияние переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной пленки ЦТС 103
3.5. Структурная релаксация в аморфной фазе композитов Сох(ЦТС)то-х 107
3.6. Амплитудные зависимости диэлектрических потерь в нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х 115
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСЕВЫХ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ (х)ГПо,,гпо.бРе204 - (1 -X) PbZro.53Tio.47O3 123
4.1. Концентрационные зависимости диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления 123
4.2. Магнитные и сегнетоэлектрические свойства 125
4.3. Упругие и неупругие свойства 131
4.4. Диэлектрические и транспортные свойства 141
4.4.1. Диэлектрические свойства 141
4.4.2. Транспортные свойства 150
4
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ
БНоДпо.бГеЛ -РЬо.озЗго.оз^го.ззТ^^Оз 157
5.1. Магнитоэлектрический эффект в плоских слоистых композитах 158
5.1.1. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной структуре 158
5Л .2. Магнитоэлектрический эффект в трехслойной структуре 166
5.2. Магнитодиэлектрический эффект в двухслойных и трехслойных
композитах 170
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 178
ЛИТЕРАТУРА 180
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
5
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется поиску и исследованиям новых магнитоэлектрических (МЭ) материалов, поскольку в них наблюдается взаимосвязь процессов намагничивания и поляризации. Эго позволяет на основе МЭ эффекта создавать приборы функциональной электроники, в которых управление осуществляется не только магнитным, но и электрическим полем. Однако в монокристаллах величина МЭ эффекта не велика, что послужило стимулом для создания магнитоэлектрических композиционных материалов, в которых величина МЭ эффекта значительно больше, чем в монокристаллах.
Несмотря на достаточно большое число экспериментальных и теоретических исследований МЭ композитов, многие важные вопросы не ре]иены еще до сих пор. Отсутствуют надежно установленные механизмы, ответственные за магнитоэлектрический и магиитодиэлектрический эффекты, природу электрического транспорта, эффекты электрической и магнитной памяти, а также усиления магнитоэлектрических свойств в области электромеханического резонанса в гранулированных нано- и микрокомпозитах.
Не уделяется должного внимания вопросам оптимизации составов исходных компонентов, а вопросы химического межфазного взаимодействия зачастую не обсуждаются вовсе. В большинстве работ не рассматриваются упругие и неупругие, а также пьезоэлектрические свойства материалов, хотя знание их необходимо для понимания природы магнитоэлектрических взаимодействий в композитах.
Поэтому комплексное исследование физических свойств композитов ферромагнетик-сегнетоэлектрик разного типа и особенностей МЭ эффекта в феррит-пьезоэлектрических структурах, выяснение факторов, влияющих на их МЭ чувствительность представляет собой актуальную физическую проблему.
Тематика данной диссертации соответствует “Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований”, утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - “Физика конденсированного состояния вещества”). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 04.23 “Синтез и физические свойства современных материалов твердотельной электроники”, а также по грантам РФФИ № 06-02-96310 «Влияние технологии получения и обработки на кинетику полярных нанообластсй и физические свойства сегне-тоэлектрических материалов», РФФИ № 07-02-00228 «Нано- и микрогетеро-генные мультиферроичные структуры типа сегнетоэлектрик-ферромагнетик» и Американского фонда гражданских исследований и разработок (С1ШР) проект № РО 05-010-1.
Цель работы. Целыо настоящей работы являлось изучение закономерностей и особенностей поведения электрических и транспортных свойств нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х и Сох(иЫЬОз)юо-х; исследование природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в слоистых керамических композитах Ы10.42п0.бРе2О4 - PbZro.53Tio.47O3, а также изучение диэлектрических, упругих и неупругих свойств смесевых микрокомпозитов (х)ГПо.42по,бРе204 - (1 -х) РЬ7го<5з 1Ц47О3.
В соответствии с поставленной целыо были сформулированы следующие основные задачи:
1. Получение тонкопленочных нанокомпозитов СОх(ЦТС)юо-х и Сох(1лМЬОз)юо-х, керамических смесевых микрокомпозитов и слоистых композитов К10//,по,б¥г20^ - PbZio.53Tio.47O3 и проведение комплексного исследования их структуры и физических свойств.
2. Установление взаимного влияния фаз в смесевых микрокомпозитах (х)М1о^По,бРе20.1 — (1-х) РЬ2го.5з1 Ц47О3.
7
3. Изучение магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов В СЛОИСТЫХ композитах Ы1о,4^П0>бРе204 - PbZro.53Tio.47O3.
4. Сравнительное исследование диэлектрических, упругих, неупругих и транспортных свойств нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо.х» Сох(1ЛКЬОз)юо-х и сме-севых микрокомпозитов (х)Ы10,4гП0.бРе2О4 - (1-х) PbZlo.53Tio.47O3 в широком интервале температур.
5. Исследование процессов кристаллизации и структурной релаксации в аморфных тонкопленочных нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х.
() б ьскт и сел сд о ва н и й. В качестве объектов исследования были выбраны тонкопленочные нанокомпозиты Сох(ЦТС)1оо-х, Сох(1лК1ЬОз)юо-х, а также и смесевые и слоистые композиты (х)Н10,4гпо.бРе204 - (1-х) PbZro.53Tio.47O3 с концентрациями х = О, 20, 40, 60, 80, 100%. Выбор таких материалов был обусловлен следующими причинами:.
- все выбранные для изучения композиты являются магнитоэлектрическими и могут рассматриваться как модельные системы для установления основных закономерностей поведения физических свойств;
- смесевые и слоистые композиты (хЩ0'Агп0'6?е2О4 - (1-х) PbZro.53Tio.47O3 удобны для исследования, так как обладают как сегнетоэлектричсскими, так и магнитными свойствами при температурах выше комнатной;
- топкопленочные наноматериалы обладают рядом специфических свойств, значительно отличающихся от свойств массивных образцов;
- подбирая число слоев многослойного композита Ьйо^по.бРе20.; -PbZro.53Tio.47O3, можно получить оптимальную величину магнитоэлектрического эффекта.
Научная новизна. Основные результаты экспериментальных исследований керамических микрокомпозитов (х)ЬПо^По,бРе20..| - (1-х)
PbZro.53Tio.47O3 и тонкопленочных нанокомпозитов Сох(ЦТС) юо-.х и Сох(УМЬОз) 100-х получены автором впервые и заключаются в следующем:
1. На основе экспериментальных данных и компьютерного анализа доказано взаимное влияние сегнетоэлектрической и ферримагнитной фаз в смссе-вых микрокомпозитах (х^оц/шо.бРегС^ - (1-х) PbZro.53Tio.47O3, приводящее к понижению температур Кюри и Нееля.
2. Для двух- И трехслойных КОМПОЗИТОВ Ы\0^П0^С2Ол - PbZro.53Tio.47O3 установлена зависимость электрического отклика от напряженности магнитного поля. В рамках модели эффективных параметров гетерогенной среды и термодинамической теории Ландау сделаны оценки величин магнитоэлектрического коэффициента по напряжению ац, которые по порядку величины согласуются с экспериментальными значениями.
3. Обнаружен и изучен магнитодиэлектрический эффект в слоистых керамических композитах ЭД0^п0,бРе2О4 -PbZro.53Tio.47O3, который качественно объясняется на основе термодинамического подхода.
4. Определены механизмы электропроводности и температуры кроссоверов, при которых происходит смена механизмов проводимости в тонкопленочных нанокомпозитах Сох(ЦТС)юо-х» Сох(Ы\тЬОз)юо..х и керамических микрокомпозитах (х)ЬП0^по,бРе204 - (1-х) РЬ2г0. ,5зТ1о,470з.
5. Обнаружено, что структурная диэлектрическая релаксация вблизи температуры стеклования в аморфной фазе нанокомпозита Сох(ЦТС)шо-х является термически активированной, необратимой и качественно может быть описана моделью Траченко с показателем степени р=0,23-0,67 в уравнении Кольрауша.
6. В рамках механизма Колмогорова-Аврами определены основные параметры процесса кристаллизации аморфных нанокомпозитов Сох(ЦТС)юо-х Б зависимости от содержания фаз х, температуры, напряженности внешнего электрического поля и частоты.
Практическая значимость. Установленные в результате выполнения работы физические закономерности и новые результаты углубляют представления о структурных, сегнетоэлектрических и магнитных фазовых пере-
9
ходах в композитах, позволяют определить влияние состава на температуры фазовых переходов в магнитной и сегнетоэлектрической подсистемах.
Полученные экспериментальные результаты могу т найти применения в научных лабораториях и научных центрах, занимающихся проблемами ферромагнетизма и сегнетоэлектричества.
Изученные магнитоэлектрические свойства гетерогенных структур открывают возможности практического использования таких материалов в новом поколении микро- и наноэлектронных устройств, позволяющих управлять магнитными характеристиками электрическим полем и электрических характеристик магнитным полем. Данные по изучению магнитоэлектрических и магнитодиэлектрических свойств в слоистых композитах могут быть использованы при разработке высокочувствительных датчиков магнитного поля, микроволновых устройств, сенсоров и т.д., основанных на магнитоэлектрическом эффекте.
Отдельные результаты исследований могут найти применение при разработке учебных курсов по дисциплинам «Физическое материаловедение» и «Физика полярных диэлектриков» для студентов, обучающихся по направлению «Техническая физика».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Экспериментальное обнаружение и объяснение природы магнитоэлектрического и магнитодиэлектрического эффектов в двух - и трехслойных композитах ЬЙ0.4гпо.6Ре204 - PbZro.53Tio.47O3.
2. Совокупность доказательств, свидетельствующих о взаимном влиянии ферримагнитной и сегнетоэлектрической фаз в смесевых композитах (х)ЬЙ0^п0,бРе2О4 - (1-х) PbZro.53Tio.47O3, полученных по керамической технологии.
3. Экспериментальное определение механизмов проводимости в тонкопленочных магнитоэлектрических нанокомпозитах Сох(1лЬФОз)юо-х>
I
10
Сох(ЦТС)юо-х и керамических микрокомпозитах (x)Nio,.iZno,6Fe204 - (1-х)
PbZro,53Tio,4703.
4. Экспериментальные данные о структурной релаксации в нанокомпозитах Соч(ЦТС)юо.ч, и результаты исследования влияния амплитуды и частоты переменного электрического поля на процесс кристаллизации аморфной фазы в нанокомпозитах Сох(ЦТС))оо-ч-
Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 11 Международных, Всероссийских и других научных конференциях: Международной конференции “Пьезотехника - 2005” (Азов, 2005), XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005), International scientific-practical conference “Structural relaxation in solids” (Винница, 2006), VIII Russia/Cis/Baltic/Japan Symposium on Ferro-electricity (Japan, Tsukuba, 2006), 5 International Seminar on Ferroelastic Physics (Voronezh, 2006), 9-th Intern. Symp. on Ferroic Domains and Micro- to Nano-scopic Stiuctures (ISFD-9, Dresden, Germany, 2006), XI Международной конференции по взаимодействию дефектов и неупругим явлениям в твердых телах (Тула, 2007), 6-й всероссийской школе-конференции по нелинейным процессам и проблемам самоорганизации в современном материаловедении (Воронеж, 2007), Second International Symposium «Micro- and nano-scale domain structuring in ferroelectrics» (Ekaterinburg, 2007), International Meeting on Materials for Electronic Applications (IMMEA, Marrakech, Morocco, 2007), 18-ой всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление смесевых и слоистых образцов и подготовка к эксперименту, а также получение и анализ экспериментальных данных. Обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати проводились при участии д.ф.-м.н., проф. С.А. Гриднева. Обсуждение некоторых результатов проводилось совместно с д.ф.-м.н., проф. Калининым Ю.Е. Соавтором публикаций к.ф.-м.н. Ситниковым A.B.
11
были получены образцы тонкопленочных нанокомпозитов. Студенты Королевская О.Н., Самалюк Н.В. и к.ф.-м.н. Копытин М.Н. принимали участие в проведении некоторых экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и выводов, списка цитированной литературы из 121 наименований и содержит 192 страницы машинописного текста и 102 рисунка.
12
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ (обзор)
В этой главе рассматривается структура, диэлектрические, электрические, магнитные и сегнетоэлектрические свойства магнитоэлектрических нано- и микрокомпозитов. Обсуждаются процессы структурной релаксации, а также процессы кристаллизации аморфных материалов. Проанализированы причины возникновения магнитоэлектрического эффекта в разных тинах композитов.
1.1. Магнитоэлектрический эффект в кристаллах и композитах
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект был предсказан Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем в 1956 г. [1]. Заключается ом в возникновении (или изменении) намагниченности твердого тела под действием электрического поля и поляризации под действием магнитного поля. В наиболее общем определении МЭ эффект представляет собой связь между электрическими и магнитными полями в веществе. Природа магнитоэлектрического эффекта состоит в следующем: электрические и магнитные характеристики твердого тела определяются одними и теми же частицами — электронами, которые кроме электрического заряда обладают магнитным моментом (спиновым и орбитальным). Имеются взаимодействия (обменные, спин-орбитальные), связывающие пространственное движение зарядов и взаимную ориентацию их магнитных моментов. Внешние воздействия влияют на энергию взаимодействующих электрических и магнитных подсистем и их взаимодействие с окружением (например, с фононами), что и приводит к перекрестному влиянию электрических полей на магнитные, а магнитных полей на электрические характеристики твердых тел.
13
Существует несколько типов магнитоэлектрических эффектов, которые по своей физической сущности различны. В выражении для свободной энергии Р некоторых магнитоупорядоченных кристаллов
р{1й)= Г„-Р,*Е,-М?Н, -^е0е„Е,Е, -1-ц„ц„Н,И1 -а,Е,Н, -
2 2 (1-0
где Ё и Н - электрическое и магнитное поле, соответственно, могут содержаться слагаемые Р = - <ХуЕДг Тогда дифференцирование выражения (1.1) по полю £, приводит к поляризации
Р,{1я)=-~=Р^ +е„Е„£, + «,Я, +-Ц,лН1Нк+у,1кН,Е, (1.2)
Оа, А
а дифференцирование по магнитному полю Н: - к намагничиванию М,{Ё,н)=-~=М^^„Н1 + «„£, +р„кЕ,Н,+^Е,Ек , (1.3)
где Рх и Л/Л обозначают спонтанную поляризацию и намагничивание, а е и Д- тензоры электрической и магнитной проницаемостей. Тензор а соответствует индуцированию поляризации магнитным полем или намагничивания электрическим полем, что определяется как линейный МЭ эффект. Классы магнитной симметрии, для которых тензор ау * 0, были найдены И.Е. Дзя-лошинским [2]. Магнитоэлектрический эффект этого типа впервые экспериментально обнаружен в 1960 г. русским ученым Д.Н. Астровым в антифер-ромагиетике Сг203 [3,4].
Линейные магнитоэлектрические эффекты, основанные на£ = - а^Нр имеют место далеко не во всех кристаллах. В частности, они невозможны в кристаллических парамагнетиках и диамагнетиках, поскольку тензор Оу обращается в нуль в кристаллах без магнитной структуры. Вместе е тем свободная энергия пьезоэлектрических парамагнитных кристаллов содержит слагаемые Р = - и Р = - где Д,* и уик - тензоры третьего
ранга, имеющие такие же свойства симметрии, как и пьезоэлектрический тензор. При помещении таких кристаллов, например, в сильное постоянное
14
магнитное поле Нк можно с помощью поля Е) индуцировать в них намагниченность вдоль направления у или полем Ц электрическую поляризацию вдоль направления /. Такой магнитоэлектрический эффект был впервые обнаружен в кристалле МБО^бНоО. Таким образом, линейный МЭ эффект дополняется МЭ эффектами более высокого порядка (квадратичными эффектами), которые определяются тензорами р и у. Отметим, однако, что огромное большинство исследований по МЭ эффект}' посвящено линейному МЭ эффекту, поэтому при дальнейшем изложении под термином «МЭ эффект» мы будем иметь в виду линейный МЭ эффект.
Кроме магнитоэлектрических эффектов, индуцируемых внешними полями, существуют спонтанные магнитоэлектрические эффекты в однофазных кристаллах, в которых сосуществуют спонтанная поляризация и спонтанная намагниченность, т.е. в мультиферроиках. Это вносит ряд особенностей в картину сегнстоэлектрических и магнитных фазовых переходов и в реакцию системы на электрические и магнитные поля. В отечественной литературе такие кристаллы называются сегнетомагнетиками [5], а в зарубежной — ферроэлектромагнетиками [6].
При наличии в магнитоупорядоченных кристаллах макроскопической неоднородности намагниченности (например, связанной с доменными стенками), а также в модулированных магнитных структурах возможно появление неоднородного магнитоэлектрического эффекта, который может иметь место в кристаллах любой симметрии [7].
В результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований и последовательного поиска новых МЭ материалов было идентифицировано более 80 самостоятельных составов и твердых растворов, обладающих МЭ эффектом. Однако только два из них, а именно РеВ7013С1 и МПВ7О13С1, существуют как природные кристаллы.
Хотя открытие МЭ эффекта вызвало большой ажиотаж из-за очевидного потенциала для технических применений в результате установления взаимосвязи между магнитными и электрическими свойствами вещества, тем не
менее, широкого применения первых (классических) МЭ материалов не последовало, так как они обладают малой величиной коэффициента МЭ связи. Так величина магнитоэлектрического эффекта а = бЕ/с!Ы в классическом магнитоэлектрике оксиде хрома Сг2Оз составляет всего 7,52-10'“’ В/(см*Э). Однако практическому использованию МЭ монокристаллов в твердотельной электронике препятствует не только малая величина эффекта, а также то, что МЭ эффект в большинстве из них наблюдается при температурах, значительно ниже комнатной. Это связано с низкими температурами Ыееля или Кюри для этих материалов [8].
Было установлено, что магнитоэлектрический отклик ограничивается следующим соотношением
а,?<еицр (1.4)
или более строго а,/ <ХнХйт* (1 -5)
где ХпС и х/ - электрическая и магнитная восприимчивости.
Согласно уравнениям (1.4) и (1.5), МЭ эффект может быть большим только в веществах с большими е и //, то есть в сегнетоэлектрическом и ферромагнитном материалах. Совершенно очевидно, что невозможно создать такое гомогенное вещество, которое, будучи в однофазном состоянии, одновременно обладало бы большими величинами ей //..
Решением проблемы повышения магнитоэлектрического отклика а стало изготовление композиционных (гетерогенных) МЭ материалов. Для существенного повышения МЭ отклика в композитах надо, согласно (1.5), в качестве его компонентов выбирать материалы с большой диэлектрической восприимчивостью (ссгнетоэлектрики) и с большой магнитной восприимчивостью (феррохмагнетики). Физические свойства материала, который образован из двух или более однофазных компонентов, определяются как свойствами составных частей, так и взаимодействием между ними. В композиционных материалах МЭ эффект возникает как свойство изделия, со-
16
стоящего из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, т.е. такие материалы обладают всеми свойствами ферромагнетика и пьезоэлектрика и, кроме того, обладают МЭ свойствами. Свойство изделия относится к эффектам, которые присутствуют в композите (в изделии), но нет ни в одном из его составляющих компонентов. Поэтому композиты могут использоваться для создания МЭ поведения даже в таких материалах, в которых МЭ эффект запрещен симметрией. Изменяя состав ферромагнитной и пьезоэлектрической компонент, можно реализовать композиционный материал с необходимыми МЭ свойствами. Такой композиционный материал ведет себя как эффективная магнитоэлектрическая среда, в которой МЭ взаимодействие осуществляется через механическую подсистему. Возникновение МЭ эффекта в композитах связано с механическим взаимодействием ферромагнитной и пьезоэлектрической подсистем. При намагничивании композиционной структуры внешним полем И деформация магнитной фазы, обусловленная магнитострикцией, приводит к деформации механически связанной с ней пьезоэлектрической фазы. В свою очередь деформация пьезоэлектрика вызывает изменение поляризации и появление электрических зарядов на границах раздела ферромагнитной и пьезоэлектрической фаз и, как следствие, возникновение электрического напряжения и на поверхностях структуры.
В результате многочисленных экспериментов по МЭ эффекту в композитах было обнаружено, что связь между составными частями композита может быть значительно усилена при использовании многослойных композитов и что возбуждение собственных механических мод колебаний позволяет очень эффективно передавать деформации между магнитными и электрическими подсистемами [9-11]. Исследование композиционных образцов на частоте электромеханического резонанса увеличивает МЭ коэффициент но напряжению до 90 В/(см-Э), что превышает МЭ отклик однофазных составов на 3-5 порядков величины [6]. По сравнению с другими типами материалов, обладающих МЭ эффектами, МЭ композиты имеют ряд сущест-
17
венных преимуществ, к которым относятся высокие температуры фазовых переходов (высокие рабочие температуры), лучшая на сегодняшний день эффективность МЭ преобразования, технологичность, возможность целенаправленного выбора компонентов, а, следовательно, возможность изменения состава и свойств композитов в широких пределах.
В зависимости от геометрии композиционной структуры, типа связности и особенностей технологического процесса все МЭ композиты можно условно разделить на три больших класса:
1. Смесевые композиты, в основе изготовления которых лежит традиционная керамическая технология. Композиты получают из смесей предварительно обожженных при оптимальных температурах порошков ферромагнетика и сегнетоэлсктрика, взятых в заданном соотношении.
2. Слоистые композиты получают из предварительно поляризованной в оптимальных условиях промышленного пьезокерамического материала и феррита. Пластины пьезокерамики и феррита чередуя, склеивают эпоксидной смолой, с соблюдением направления поляризации.
3. Тонкопленочные нанокомпозиты получают методом ионио-лучевого распыления мишеней. При напылении используется составная мишень, состоящая из литой основы, на поверхности которой располагают керамические пластины из сегнетоэлектрика. Неравномерное расположение пластин сегне-тоэлектрика на поверхности мишени позволяет в одном технологическом процессе (одном напылительном цикле и, соответственно, при одних условиях) получить образцы, соотношение долей металлической и диэлектрической фаз которых изменяется в широких пределах.
1.2. Структура магнитоэлектрических композитов
В этом пункте главы будут рассмотрены структуры магнитоэлектрических композитов, полученные разными методами.
- Київ+380960830922