Магнитоэлектрический эффект в области магнитоакустического резонанса в структуре ижг-цтс

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 537. 9
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ОБЛАСТИ МАГНИТОАКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА
В СТРУКТУРЕ ИЖГ-ЦТС
Р. В. Петров, В. М. Петров, М.И. Бичурин
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Mirza. Bichurin@novsu. ru
Получено выражение для МЭ-коэффициента по напряжению в области совпадения частот электромеханического и магнитного резонансов для двухслойной феррит-пьезоэлектрической структуры на диэлектрической подложке. Приведена зависимость МЭ-коэффициента по напряжению от частоты, подмагничивающего поля, а также объемной доли ЦТС для двухслойной структуры ИЖГ-ЦТС на подложке из ГГГ. В области магнитоакустического резонанса при совпадении частот электромеханического резонанса и однородной прецессии намагниченности ферритовой фазы наблюдается существенное увеличение МЭ-коэффициента по напряжению, до значения аЕ = 0,38 в/(см-Э) на 14 МГц, коэффициент отражения сдвигался по частоте на 3 кГц. Измерения, приведенные на МЭ элементе в области совпадения ЭМР и ФМР, хорошо согласуются с теоретическими данными.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект (МЭ), явление резонанса
The expression for ME-coefficient by the voltage in the region of frequency coalescence of electromechanic and magnetic resonances for ferrite-piezoelectric structure on a dielectric substrate is derived. The dependence of ME-coefficient on the frequency, magnetic bias field and volume ratio of PZT for two-layer structure YIG-PZT on GGG substrate is presented. In the region of magnetoacoustic resonance when electromechanic frequencies match the uniform precession of ferrite phase magnetization one can observe a significant increase in ME-coefficient up to ^=0,38 V/(smOe) at 14 MHz. The reflection coefficient changed by 3 kHz. The measurements carried out on ME-element in the region of EMR and FMR matching correspond well with theoretical data.
Keywords: magnitoelectric effect (ME), resonace phenomena
Введение
Магнитоакустический резонанс (МАР) позволяет преобразовать распространяемую в магнитоупорядоченном кристалле магнитную составляющую электромагнитного сигнала в звуковой, а звуковой сигнал в свою очередь — в магнитную составляющую электромагнитного. Становится возможна разработка приборов, использующих явление МАР. Одним из основных элементов этих приборов будет магнитоэлектрический элемент, в котором электромагнитные волны преобразуются в звуковые, а звуковые — в электромагнитные. В монокристаллах магнетиков хорошего качества степень магнитного упорядочения может быть достаточно высока, и в материалах такого типа становится возможным четкое наблюдение ряда интересных эффектов магнитоупругого взаимодействия [1]. Магнитоакустический резонанс был предсказан в середине 50-х годов прошлого века [2]. Он проявляется в резком увеличении поглощения акустической волны по достижении резонансных условий со спиновой волной (при совпадении их частот и волновых векторов). Теория этого явления была рассмотрена в работе [3]. Дальнейшее развитие теоретических исследований МАР в связи с магнитоэлектрическими (МЭ) явлениями проведено в работе [4], где рассмотрен магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектричес-кой пленочной структуре на диэлектрической подложке в области МАР. В области совпадения частот электромеханического резонанса (ЭМР) и однородной прецессии намагниченности, при соответствующих значениях параметров компонент полей, имеет место гигантское увеличение МЭ-коэффициента по напряжению. Целью данной работы является получение экспериментальных данных, подтверждающих теоретические расчеты, и дальнейшая отработка методики экспериментальных исследований МАР.
Моделирование
Проведем моделирование МЭ взаимодействия в структуре, изображенной на рис. 1. Структура представляет собой композиционный материал, состоящий из пленки иттрий-железистого граната (ИЖГ) толщиной 6,4 мкм на подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) толщиной 450 мкм и соединенного с помощью клеевого соединения с пленкой ИЖГ пьезоэлектрика ЦТС-19 толщиной 200 мкм и диаметром 10 мм. Пьезоэлектрическая компонента полагается поляризованной перпендикулярно плоскости образца. Внешнее подмагничивающее поле Н0 направлено параллельно поляризации пьезоэлектрика и перпендикулярно плоскости образца.
Но Н Е.
t
Рис. 1. МЭ структура
В качестве исходных используются уравнения движения намагниченности, уравнения движения ферритовой и пьезоэлектрической фаз, а также материальные соотношения для пьезоэлектрической фазы. Система уравнений движения для магнитной и пьезоэлектрической фаз и подложки имеет вид
трд2(пщ)/д12 = дтЩ/(д хстБ1) + д2(тЩ/(д у6) +
+ д2(тШ)/(д zдпS5), трд1(ти2)/дг2 = д1(тЖ)/(д хсГБ6) + д2(тЖ)/(д усГБ2) +
+ д2(тШ)/(д zдmS4), (1)
ррд1(рщ)/д12 = д (рТ1)/дх + д (рТ6)/ду + д (pT5)/дz, ррд1(ри2)/д12 = д (рТ6)/дх + д (рТ2)/ду + д (рТ4)/& amp-, -рд1(ущ)/д12 = д (-Т1)/дх + д (-Т6)/ду + д (-Т5)/& amp-, -рд1(-и2)/д12 = д (Т6)/дх + д (Т2)/ду + дС'-Т4)^,
где тр, рр и -р — плотности феррита, пьезоэлектрика и подложки соответственно- тщ и рщ — компоненты смещения фаз- mSi — компоненты деформации феррита- рТ1 и Т — компоненты напряжений в пьезоэлектрике и подложке- mW — плотность свободной энергии феррита, включающая зеемановскую, магнитодипольную энергию, а также упругую и магнитоупругую энергию [5].
Уравнения упругости для пьезоэлектрической фазы и подложки имеют вид
рТ4 = рС44% - %5 Е
рТ5 = рС445 — %5 Е (2)
Т 4 = С44 ^
Т 5 = С44 ^
где pSi и — компоненты деформаций- рс44 и -с44 — коэффициенты жесткости пьезоэлектрика и подложки- ре15 — пьезоэлектрический коэффициент- рЕ- - компоненты электрического поля.
Уравнение движения вектора намагниченности феррита может быть записано в виде
дЫ/дг = -у [М, Не#], (3)
где Не^ = -д (mW)/дЫ- М — намагниченность феррита- у — магнитомеханическое отношение.
Для гармонической волны, распространяющейся в направлении z, уравнения (1) и (3) с учетом (2) принимают вид
ю т+ = у (Но т+ +В2 д (ти+)д — 4 п М0 т+ - М0 Н+),
-ю2 mp mu+ = mc+44 d2(mu+)/dz2, -ю2 pp pu+ = pc44 d2(pu)/dz2, -ю2 sp su+ = sc44 d2(su+)/dz2,
(4)
где ю — частота- т — переменная намагниченность- В2 — магнитоупругая константа- т+ = т +
z
т + р + + - +
+т2, аналогично определяются и, ри, Н, и — тс+44 = тс44 + уВ22/[М0 (ю — уН0+ у4пЫ0)]. При выводе уравнений (4) полагалось, что т & lt-<- М.
Для решения системы уравнений (4) необходимо использовать граничные условия, заключающиеся в равенстве компонент смещений и механических напряжений на границах раздела ферритовой и пьезоэлектрической фаз и подложки, при этом на свободных границах механическое напряжение обращается в нуль.
Подстановка решений системы уравнений (4) в условие разомкнутой электрической цепи
|(ре15 рБ ++ р Е11 рЕ +dz)=0
рА
(рА — поперечное сечение пьезоэлектрического слоя) позволяет получить выражение для МЭ-коэффициента по напряжению:
Эксперимент
Для проведения измерений был использован стенд, изображенный на рис. 3.
Рис. 3. Измерительный стенд
аЕ
у ре15В2(Єз-Щ-1)
(ю — уЯ" + 4улМ 0)
ркрс
^
к 44
Р11 +
где Л, = (Є5Є3^€ 44 — ткте44) —
Л =(ЄбЄз^ -6564тктС44) — 6, = ^(РкРЬ) —
Q2 = яд {ркрь) — 63 = 008 (тктЬ) — 64 = яд {тктЬ) —
р т
65 = со8(Гь) — = ял^) — рк=ю — тк = ю —
«к = ю»
Р.
рС+
44
,+ = тс + УВ2____
44 44 М0(ю — уЯ0 + 4улМ0)'-
Проведем расчет МЭ коэффициента для структуры рис. 1. Результаты моделирования приведены на рис. 2. Как видим, в области совпадения частот электромеханического и магнитного резонансов наблюдается гигантское увеличение МЭ-эффекта, что обусловлено связанными колебаниями механической и магнитной систем.
рг Рк
С44 к
«к"С
44
«С «к С44 к
рС Рк
С44 к
ре2
15
Резонатор (рис. 4) сконструирован следующим образом: в верхнем слое металлизации основания (2,5 м длиной, 4 см шириной и 2 мм толщиной), изготовленном из диэлектрического материала с двухсторонней металлизацией ФЛАН-5 (диэлектрическая проницаемость равна 5, tg5 = 0,0001), по центру прорезана щель длиной 2,3 м и шириной 2 мм. Основание с прорезанной щелью образует резонатор, настроенный на частоту электромагнитного поля 14 МГц, с правой круговой поляризацией. Входной разъем располагается в точке наилучшего согласования со входной линией передачи. МЭ элемент (рис. 1), с металлизированными обкладками на слое пьезоэлемента и соединенными с выходным разъемом электродами, был помещен в пучность магнитной составляющей поля, на щели.
Г. ГГц
Рис. 2. МЭ коэффициент в области МАР
Рис. 4. Резонатор
Измерения проводились следующим образом. Во-первых, были измерены резонансные частоты пьезоэлектрического слоя МЭ элемента на измерителе «0бзор-804», где измерялся коэффициент 511. Данные измерений приведены на рис. 5.
С
? МГц
? МГц
Рис. 5. Спектр колебаний диска ЦТС в области ЭМР
Затем была проведена идентификация типов колебаний и выбрана частота, на которой резонанс соответствует расчетному типу. В нашем случае резонансная частота 14 МГц соответствует толщиной моде колебаний. Данная мода возбуждает акустические колебания в пленке ИЖГ с наибольшей эффективностью. Затем была проведена настройка щелевого резонатора на частоту выбранного резонанса МЭ элемента методом подстройки длины щели. Наконец, МЭ элемент был установлен на щель в точке наилучшего взаимодействия с электромагнитным полем в области с правой круговой поляризацией поля по максимуму изменения линии ФМР. При этом прикладывалось необходимое подмагничи-вающее поле Н0. В нашем случае поле составило 180 Э. Далее, при приложении к МЭ элементу напряжения порядка 300 В происходил сдвиг линии ФМР. Фиксировались значения коэффициентов 511, 521 и 522 при разных значениях управляющего напряжения, и затем делался вывод о протекающих в образце процессах и магнитоакустическом взаимодействии. Данные измерений коэффициентов 511, 521 и 522 при подмагничивающем поле 180 Э без приложения управляющего напряжения приведены на рис. 6.
0,00
-10,00
-20,00
¦А
ч
,-30,00
о о о о о о оооооо.
О О О О -Н
ж
^ Ґ& quot-1 |Г -М-|| і
I
I
¦& lt-300 000 000 000
МОГЧ-ЇШЮОгдЧ-ЮСОО
Ч. °°, гН- ** г'-- Ч, ^ Р. т Р. Р.
¦511
-522
-и.
Рис. 6. Частотный спектр в области МАР
Измерения частотного спектра коэффициента 511 приведены на рис. 7.
Рис. 7. Частотный спектр коэффициента 511
Измерения частотного спектра коэффициента 521 приведены на рис. 8.
? МГц
Рис. 8. Частотный спектр коэффициента 521
Из представленных на рис. 7 данных видно, что при приложении поперечного магнитного поля величиной около 180 Э и в дополнение к магнитному полю управляющего напряжения и0, равного 300 В, коэффициент S11 уменьшается на 5 дБ и смещается на 3 кГц. Коэффициент прохождения 521 при этом также изменяется (рис. 8), уменьшаясь на величину примерно 0,5 дБ.
Полученные данные коррелируют с результатами моделирования и подтверждают существование МЭ эффекта в области магнитоакустического резонанса в структуре ИЖГ -ЦТС на подложке ГГГ.
Заключение
Получено выражение для МЭ-коэффициента по напряжению в области совпадения частот электромеханического и магнитного резонансов для двухслойной феррит-пьезоэлектрической структуры на диэлектрической подложке. Приведена зависимость МЭ-коэффициента по напряжению от частоты, под-магничивающего поля, а также объемной доли ЦТС для двухслойной структуры ИЖГ-ЦТС на подложке из ГГГ. В области магнитоакустического резонанса при совпадении частот ЭМР и однородной прецессии намагниченности ферритовой фазы наблюдается существенное увеличение МЭ-коэффициента по напря-
жению. Измерения, проведенные на МЭ элементе в области совпадения ЭМР и ФМР, хорошо согласуются с теоретическими данными.
Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009−2013 годы.
1. Беляева О. Ю., Зарембо Л. К., Карпачев C.H. Магнитоаку-стика ферритов и магнитоакустический резонанс // УФН. 1992. Т. 162. № 2. С. 107−138.
2. Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В. Связанные магнитоупругие волны в ферромагнетиках и фер-роакустический резонанс // ЖЭТФ. 1958. Т. 35. Вып.7. С. 228−239.
3. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Физическая акустика / Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1968. Т. ІІІ, ч.Б. С. 156.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M., Ryabkov O.V., Averkin S.V., Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at magneto-
acoustic resonance in single-crystal ferromagnetic-ferroelectric heterostructures // Phys. Rev. 2005. B72. P. 6 0408R.
5. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Указ. соч. T. III, ч. Б: Динамика решетки. 392 с.
Bibliography (Transliterated)
1. Beljaeva O. Ju., Zarembo L.K., Karpachev C.H. Magnitoa-kustika ferritov i magnitoakusticheskij rezonans // UFN. 1992. T. 162. № 2. S. 107−138.
2. Ahiezer A.I., Bar'-jahtar V.G., Peletminskij S.V. Svjazannye magnitouprugie volny v ferromagnetikah i ferroakusticheskij rezonans // ZhJeTF. 1958. T. 35. Vyp.7. S. 228−239.
3. Le-Krou R., Komstok R. Fizicheskaja akustika / Pod red. U. Mjezona. M.: Mir, 1968. T. III, ch.B. S. 156.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M., Ryabkov O.V., Averkin S.V., Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at magneto-acoustic resonance in single-crystal ferromagnetic-ferroelectric heterostructures // Phys. Rev. 2005. B72. P. 6 0408R.
5. Le-Krou R., Komstok R. Ukaz. soch. T. III, ch. B: Dinamika reshetki. 392 s.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой