Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Сдвиг линии магнитного

Сдвиг линии магнитного резонанса в двухслойных композиционных феррит-пьезоэлектрических структурах на основе железо-иттриевого граната - цирконата-титаната свинца

Антоненков О.В. (fdma@novsu.ac.ru), Бичурин М.И., Филиппов Д.А. Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Введение

В связи с широким развитием современной техники и все возрастающими требованиями к ней встает вопрос о возможности получения и использования материалов с широким диапазоном физических свойств. Появляется возможность создания и исследования материалов, в которых можно комбинировать традиционные свойства: магнитные и сегнетоэлектрические, магнитные и полупроводниковые и т. д. К таким материалам в частности относятся МЭ материалы, т.е. материалы, в которых возможно возникновение намагниченности под действием электрического поля и поляризации под действием магнитного поля. МЭ материалы особенно интересны в СВЧ диапазоне, где появляется возможность наблюдения ряда новых эффектов, обусловленных МЭ взаимодействием.

В области магнитного резонанса наблюдается резонансный МЭ эффект, который представляет сдвиг резонансной линии под действием внешнего электрического поля. Его возникновение в композитах связано с механическим взаимодействием ферритовой и пьезоэлектрической подсистем. При приложении электрического поля вследствие пьезоэффекта в пьезоэлектрической фазе возникают механические напряжения, которые передаются в магнитную компоненту и за счет магнитострикции происходит изменение магнитного момента, в результате чего наблюдается сдвиг резонансной линии. В [1] представлена теория МЭ эффекта в композиционных феррит - пьезоэлектрических материалах для слоистых образцов. В этой работе рассматривается структура, состоящая из механически зажатых магнитострикционно - пьезоэлектрических дисков без учета сил трения между слоями. Однако на практике гораздо чаще используются образцы в свободном состоянии, где силы трения учитываются. В данной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование сдвига линии магнитного резонанса в двухслойных феррит-пьезоэлектрических структурах.



Модель и основные уравнения

В качестве модели рассмотрен свободный двухслойный феррит - пьезоэлектрический образец в форме диска радиуса R, состоящий из феррита с кубической (m3m) симметрией толщиной mh и пьезоэлектрика с дат симметрией относительно оси поляризации толщиной ph. Толщина диска мала по сравнению с его радиусом, т.е. mh, ph << R . На нижней и верхней поверхности образца нанесены тонкие металлические контакты, толщиной которых можно пренебречь (рис. 1). Слой пьезоэлектрика поляризован по нормали к плоскостям контактов (ось Z). Ограничимся случаем, когда ось поляризации пьезоэлектрической фазы совпадает с [111] осью магнитострикционной фазы. Постоянное (подмагничивающее) и переменное магнитные поля совпадают с направлением поляризации.


Рисунок 1 - Геометрия образца

Так как поверхности диска свободные, то, следовательно, нормальные составляющие тензора механических напряжений на них равны нулю. Для тонкого диска можно считать, что компонента тензора напряжений T3 равна нулю не только на поверхности, но и во всем объеме. Верхняя и нижняя поверхности диска представляют собой эквипотенциальные поверхности, поэтому отличной от нуля будет только z-проекция вектора напряженности электрического поля. С учетом этого уравнения для тензора деформаций магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно имеют вид:



РS2 = S12 + S22 + d31E3

где mSjj, pSjj - модули податливости магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, dj -пьезоэлектрические модули, E3 - z-проекция вектора напряженности электрического поля.

Для дальнейших расчетов удобно воспользоваться симметрией задачи и перейти к цилиндрической системе координат. На границе раздела феррит-пьезоэлектрик имеем следующие граничные условия: mSrr =kpSrr, где k =01 - коэффициент, учитывающий неидеальность контакта между фазами. Кроме того, при r = 0 смещение mw(r)=pu(r) = 0 . Из условия равновесия образца следует, что при r = R mTrr mh+pTrr ph = 0 . Выражая компоненты тензора напряжений через компоненты тензора деформаций и решая уравнение эластостатики с учетом граничных условий, для компонент тензора напряжений были получены следующие выражения [2]:

T =-k-d31E3,

rr mV ) + kr\ p511(1-pV ) 31 3

Гее mSu(1-mv) + kr, ps11(1-pV) (2)

где mv = - msi2 / sn , pv = - pS]2 Psu - коэффициенты Пуассона магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, Г = mh / ph - отношение толщины ферромагнетика

к толщине пьезоэлектрика.

Механические напряжения приводят к изменению намагниченности феррита,

вследствие чего происходит сдвиг линии магнитного резонанса. В [2] было показано, что

сдвиг линии магнитного резонанса при приложении электрического поля Е3 для случая,

когда магнитное поле H лежит в (111) плоскости образца и параллельно направлению [011],

w = (Trr +mTee К°° = i---d31E3, (3)

4M0 2M0 m511(1-mv)+kr%(1-pv) 31 3

где Mo - намагниченность насыщения, Аюо - константа магнитострикции.

Таким образом, как следует из выражения (3) величина сдвига линии магнитного резонанса зависит от параметров магнитной и пьезоэлектрической фаз, их процентного состава. Из (3) видно, что сдвиг резонансной линии линеен по электрическому полю и увеличивается при увеличении процентного содержания пьезоэлектрика в составе структуры



(при уменьшении параметра п = mh/ ph). Полученное выражение справедливо и для многослойных структур.

В качестве проверки полученных результатов были проведены экспериментальные исследования.

Экспериментальные исследования

В эксперименте использовался резонансный метод исследования МЭ эффекта [3]. Измерения проводились на частоте 9.3 ГГц на установке, включающей спектрометр ЭПА-2М с двойной магнитной модуляцией. К образцу при помощи токопроводящего клея присоединялись электроды. Образец исследуемого материала устанавливался в держатель. Держатель с образцом на несколько секунд опускался в расплавленный пицеин (смесь воска и канифоли). Таким способом устраняется возможность пробоя через воздух. Закрепленный на поворотном столике держатель с образцом опускался в центр магнитного резонатора в пучность переменного магнитного поля, и прикладывалось постоянное магнитное поле. При напряженности поля электромагнита в образце происходит резонансное поглощение энергии сверхвысокой частоты, что вызывает изменение уровня энергии, падающей на детектор (сигнал ферромагнитного резонанса). Для повышения чувствительности применена высокочастотная модуляция магнитного поля, осуществляемая с помощью витка индуктивности введённого в резонатор и питаемого от специального генератора. На электроды подавалось импульсное напряжение величиной до 5 кВ в форме прямоугольных импульсов с регулируемой частотой и скважностью для уменьшения влияния нагрева образца на результаты измерений. Сигнал высокой частоты, выделяемый в момент резонанса, усиливался и подавался на синхронный детектор, на выходе которого получалась первая производная линии поглощения. Воздействие на образец МЭ материала электрического поля приводит к смещению линии спектра магнитного резонанса. В качестве сдвига резонансного магнитного поля принималось смещение нуля производной сигнала. Первая производная линии поглощения наблюдалась на экране осциллографа.

Исследования эффекта проводились на образцах из композиционного феррит -пьезоэлектрического материала на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ) и цирконата-титаната свинца (ЦТС). Использовались образцы в виде дисков диаметром 5 мм и толщиной 0.25-Ю.80 мм. На частоте 9.3 ГГц измерялась величина постоянного магнитного поля, при котором наблюдался ферромагнитный резонанс, определялась ширина резонансной линии. Затем к образцам прикладывалось электрическое поле в форме меандра и исследовалось изменение положения линии магнитного резонанса и ее ширины.

На рисунках 2, 3 приведены результаты измерения и экстраполированные кривые




Рисунок 2 - Вид линии магнитного резонанса двухслойной структуры при нулевом электрическом поле. Структура состоит из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 750 мкм

о о

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0

...........1...............1.............1.......\

1 I \

250 252 254

о

§

0,80,60,40,20,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-


2550

Н, Э

2549

Н, Э

а) б) 1 - Е = 0 кВ/см

2 - Е = 23.33 кВ/см

а) - Вид линии магнитного резонанса при приложении импульсного электрического поля Е = 23.33 кВ/см;

б) - Экстраполированные кривые сдвига линии магнитного резонанса

К

о

о

О

о

2544

2545

2546

2547

2548

2546

2548

сдвига линии магнитного резонанса для двухслойной структуры, состоящей из ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 750 мкм.



Рисунок 3 - Вид линии и экстраполированные кривые сдвига линии магнитного резонанса для двухслойной структуры. Структура состоит из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 750 мкм. Сдвиг линии магнитного резонанса ЬИЕ = 1.1 Э

На рисунке 4 приведены результаты эксперимента и теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (3), сдвига линии магнитного резонанса для двухслойной структуры. При расчетах использовались следующие значения параметров [4]:

для ЖИГ: ms11=4.8-10~n м2/Н, ms12=-1.4 10-12 м2/Н, 4тгМ0=1750 Гс;

для ЦТС: psn=15.3-10-12 м2/Н, %2=-5-10-12 м2/Н, pdsi = -175 10-12 м/В;

для ЖИГ - ЦТС: Аюо=1.4-10-6.

<т) 1,4 1 2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2


Г

Г

Г

т

т

т

E, кВ/см

Рисунок 4 - Зависимость сдвига линии магнитного резонанса от напряженности электрического поля для образца, состоящего из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 750 мкм. Точки - эксперимент, линия - теория

На рисунках 5, 6 приведены результаты эксперимента и теоретическая зависимость, рассчитанная по формуле (3), сдвига линии магнитного резонанса для двухслойного образца, состоящего из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 500 мкм и 250 мкм, соответственно.



г) 1,6

132 1,4

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2


Т

Г

т

т

т

E, кВ/см

Рисунок 5 - Зависимость сдвига линии магнитного резонанса от напряженности электрического поля для образца, состоящего из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 500 мкм. Точки - эксперимент, линия - теория

Л 1,6

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

0 5 10 15 20 25 30

Е, кВ/см

Рисунок 6 - Зависимость сдвига линии магнитного резонанса от напряженности электрического поля для образца, состоящего из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС толщиной 250 мкм. Точки - эксперимент, линия - теория

На рисунке 7 приведена зависимость сдвига линии магнитного резонанса для двухслойной структуры, состоящей из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС переменной толщины.




0,950

0,925

0,900

0,875

0,850

0 250 500 750

Толщина ЦТС ph, мкм

Рисунок 7 - Зависимость сдвига линии магнитного резонанса от толщины пьезоэлектрического слоя для двухслойной структуры, состоящей из слоя ЖИГ толщиной 10 мкм и слоя ЦТС переменной толщиной. Напряженность электрического поля Е = 20 кВ/см. Точки - эксперимент, линия - теория

Как следует из экспериментальных исследований, наблюдается линейная зависимость сдвига линии магнитного резонанса от электрического поля. Величина эффекта возрастает при увеличении толщины пьезоэлектрика (ЦТС) в составе двухслойной структуры (рис. 7).

Заключение

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование сдвига линии магнитного резонанса в двухслойных феррит-пьезоэлектрических структурах. Величина сдвига зависит от параметров магнитной и пьезоэлектрической фаз, их процентного состава. Сдвиг резонансной линии линеен по электрическому полю и увеличивается при увеличении процентного содержания пьезоэлектрика в составе структуры. Полученные экспериментальные результаты эффекта для образцов на основе ЖИГ - ЦТС хорошо согласуются с теорией.




Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 597 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/059.pdf Литература

[1] M. I. Bichurin, I.A. Kornev, V.M. Petrov, A.S. Tatarenko, Yu.V. Kiliba, G. Srinivasan. Phys. Rev. B. - 2001. - V. 64. - P. 094409;

[2] О.В. Антоненков, М.И. Бичурин, В.М. Петров, Д.А. Филиппов, Г. Сринивасан Влияние электрического поля на сдвиг линии магнитного резонанса в феррит-пьезоэлектрических структурах Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31. - № 15. - С. 90-95;

[3] М.И. Бичурин, А.А. Браун, Ю.В. Килиба, В.М. Петров, Р.В. Петров Методы измерения магнитоэлектрической восприимчивости в композиционных материалах на СВЧ. Тезисы докладов 2 Всероссийской научно-технической конференции Методы и средства измерений физических величин , Часть 1, Нижний Новгород / НГТУ.- 1997.- С. 22- 23;

[4] S. Shastry, G. Srinivasan, M. I. Bichurin et al. Phys. Rev. B. - 2004. - V. 70. - P. 064416-1 - 064416-6.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.