Глава 1.Магнитоэлектрические явления в магнитоупорядоченных средах

1.1. Мультиферроики

В последнее десятилетие наблюдается значительный рост интереса к материалам, в которых проявляется взаимосвязь магнитных и электрических свойств [1-5]. Интерес к этим материалам связан с широкими возможностями их практического применения в различных устройствах и приборах современной техники, поскольку в них магнитными свойствами можно управлять электрическим полем и, наоборот, электрические свойства можно регулировать магнитным полем.Магнитоэлектрические композиты представляют собой среду, состоящую из двух фаз: пьезоэлектрической и магнитной. Среди разных типов МЭ систем, смесевые МЭ композиты являются наиболее простыми по получению и представляют собой керамический материал, спеченный из смеси магнитных и пьезоэлек­трических порошков. К недостаткам смесевых МЭ композитов следует отнести достаточно высокую проводи­мость, неповторяемость величины МЭ эффекта в разных образцах при одной и той же концентрации фаз, пористость. Тем не менее, благодаря простоте изготовления и низкой стоимости, смесевые керамические компо­зиты остаются перспективными материалами для технических применений.

Результаты исследований, начавшихся одновременно после открытия первых магнитоэлектриков, отражены в ранних обзорах и монографиях [2-4]. Вплоть до начала 21 века магнитоэлектрики и мультиферроики представляли интерес для сравнительно ограниченного круга специалистов, так как малые величины магнитоэлектрических (МЭ) эффектов и низкие температуры, при которых они проявлялись, не позволяли говорить о практическом применении этих эффектов. Наблюдающийся в последние годы всплеск исследовательской активности в этой области связан с открытием материалов, которые при комнатных температурах и умеренных магнитных полях проявляют МЭ-свойства. Наиболее занимательные с практической точки зрения материалы, демонстрирующие МЭ-свойства при комнатных температурах: материалы на основе феррита висмута, плёнки ферритов гранатов и др.В последние годы в передовых отечественных и зарубежных научных журналах появился целый ряд публикаций, посвященных магнитоэлектрическим материалам [6].

Вплоть до настоящего времени магнитоэлектрики и мультиферроики представляли интерес для сравнительно узкого круга исследователей специалистов, так как низкие температуры при которых они получались и малые величины магнитоэлектрических эффектов, не позволяли говорить об их применении на практике. Только сравнительно недавно появились публикации об обнаружении гигантского магнитоэлектрического эффекта и эффекта гигантской магнитоемкости, а также получении материалов, проявляющих свойства мультиферроиков при комнатных температурах.

Анализ литературы показывает, что к настоящему времени имеется не так много работ, посвященных изучению различных свойств МЭ композитов. Работы, главным образом, ограничивались измерениями МЭ эффекта в композитах пьезоэлектрик-ферромагнетик, тогда как литературные данные по исследованию диэлектрических, электрических и магнитных свойств последних в широкой области температур скудны.

По определению, в одной фазе в мультиферроидных материалах одновременно присутствуют по крайней мере две из так называемых "ferroic" свойств: сегнетоэлектричество, ферромагнетизм и ферроэластичность [1-3]. Эти свойства предполагают присутствие электрической поляризации, намагниченности или упругой деформации, которые могут быть переключены действием электрического поля, магнитного поля или механических напряжений, соответственно. В последнее время под термином мультиферроик рассматривают материалы с другими типами магнитногоупорядочения, как ферримагнетизм или антиферромагнетизм.

Магнитоэлектрические мультиферроики являются одним из самых интересных категорий сегнетомагнитных материалов. В них соединены сосуществующие свойства сегнетоэлектричества и ферромагнетизма (против ферримагнетизма и антиферромагнетизма). Эта связь, известная как магнитоэлектрического эффекта (МЭ), дает дополнительные степени свободы, которые могут позволять переключить намагниченность с помощью электрического поля и поляризацию с помощью магнитного поля (рис 1.а).

Рис. 1. (а) Схематическое изображение фазового управления в ферроиках и мультиферроиках. Электрическое поле (Е), магнитноеполе (Н) и механическое напряжение(σ) контролируют электрическую поляризацию (P), намагниченность (М) и деформацию (ε), соответственно. В магнитоэлектрическоммультиферроике магнитное поле может управлять P или электрическое поле может контролировать М.

Сосуществование сегнетоэлектричества и ферромагнетизма может, но не обязательно приводят к магнитоэлектрической связи и на самом деле только подгруппа из мультиферроика материалов выполняет эту фигуру условию (1.b). На практике магнитоэлектрическая связь может быть достигнута непосредственно или опосредованно с помощью штамма. В первом случае, приложение электрического поля изменяет локальную симметрию магнитных катионов и, следовательно, к изменению их ориентации спина. В случае косвенной связи, изменение локальной симметрии происходит за счет воздействия механических напряжений.

В мультиферроиках, помимо свойств, характерных для каждого типа упорядочения (для магнетиков - спонтанная намагниченность, магнитострикция, для сегнетоэлектриков - спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект) имеются свойства, обусловленные взаимодействием электрической и магнитной подсистем:

1. Магнитоэлектрический эффект (МЭ) (индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность).

2. Эффект магнитоэлектрического контроля (переключение спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем).

3. Магнитодиэлектрический эффект (изменение диэлектрической проницаемости под действием магнитного поля).

Характерным свойством мультиферроиков является также магнитодиэлектрический эффект, т.е. зависи­мость диэлектрической проницаемости от магнитного поля. Магнитодиэлектрический эффект также проявляется как изменение диэлектриче­ской проницаемости при установлении магнитного упор­ядочения и возникновении сегнетоэлектрической поляри­зации в мультиферроиках второго рода.

Вышеописанные МЭ-явления имеют место в статиче­ских электрических и магнитных полях, однако такие явления наблюдаются и в высокочастотном диапазоне. Открытие элементарных возбуждений нового типа — электромагнонов, которые в отличие от магнонов реагируют на электрическую, а не на магнит­ную составляющую электромагнитной волны, обещает новые нетривиальные эффекты на высоких частотах, по­скольку величина динамических МЭ-эффектов, в основе которых лежит изотропный гейзенберговский обмен, может даже превысить величину статических эффектов, вызванных спинорбитальным взаимодействием. В теоретической работепредсказывается возможность переключения электрической поляризации на пикосе­кундных временных масштабах с помощью импульсов терагерцевого излучения.

Магнитоэлектрические и сегнетоэлектрические свой­ства могут также проявляться в магнитооптических свойствах материалов. Так, линейные и квадратичные МЭ-эффекты обнаруживают себя в виде изменения угла вращения поляризации света в эффекте Фарадея (электромагнитооптический эффект)или зависимости коэффициента поглощения от взаимной ориентации волнового вектора и тороидного момента.

Известно, что возникновение ферро- или антиферромагнитного упорядочения связано с обменным взаимодействием электронов d и f орбиталей, тогда как механизмы возникновения сегнетоэлектрического упорядочения вразных мультиферроиков могут быть совершенно различны. В связи с этим можно вести речь о разных типах мультиферроиков. Существуют два основых типа мультиферроиков:

Мультиферроики I типа. Магнетизм и сегентоэлектричество возникают независимо друг от друга. В них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. Однако связь между двумя типами упорядочения слаба.

МультиферроикиII типа. Появление сегнетоэлектрического упорядочения в мультиферроикахIIтипа является следствием существования магнитного упорядочения. Для них свойственны низкие температуры упорядочения. Поскольку сегнетоэлектричествопоявлется вследствие магнитного упорядочения, температура сегнетоэлектрического перехода всегда ниже температуры магнитного перехода. Связь между двумя типами упорядочения сильная.