Влияние температуры и концентрации фаз компонентов на обратный магнитоэлектрический эффект в слоистых композитах tdf – pzt

Е.С. Григорьев, аспирант, В.С. Беляева, студент гр. МТЭ(ТФ)-081

Кафедра физики твёрдого тела

Обратный магнитоэлектрический (МЭ) эффект заключается в появлении макроскопической намагниченности магнетоэлектрика М под действием электрического поля Е. Для его характеристики используют коэффициент обратного магнитоэлектрического преобразования

, (1)

где В – магнитная индукция; Е – напряжённость внешнего электрического поля; U_ind – наведённое в намотанной на образец катушке индуктивности напряжение; N – число витков катушки индуктивности; S_FM – площадь поперечного сечения ферромагнитного слоя композита; f – частота приложенного к пьезоэлектрической фазе композита электрического поля; U – переменное напряжение, прикладываемое к образцу; b_FE – толщина пьезоэлектрического слоя.

Магнитоэлектрические измерения проводили на резонансных частотах изгибных колебаний по толщине двухслойных композитов на основе ферромагнетика Tb_0,12Dy_0,2Fe_0,68 (TDF) размерами 6 × 6 × d мм³ (d = 0,3; 0,9; 1,5; 2,1) и пьезокерамики PbZr_0,53Ti_0,47O₃ (PZT) размерами 8 × 6 × 0,3 мм³. Резонансную частоту изгибных колебаний композитов TDF – PZT определяли по формуле

Зависимости коэффициентов обратного МЭ преобразования при разных температурах от толщины слоя TDF на резонансных частотах изгибных колебаний по толщине композитов в продольном магнитном поле 1,5 кЭ.

, (2) где h – толщина; L – длина; ρL – средняя плотность; sL – средняя упругая податливость; μ – коэффициент Пуассона; А – коэффициент, зависящий от числа узлов гармоники (А = 2,25 для первой гармоники). При комнатной температуре в продольном поле Н= = 1,5 кЭ с увеличением d резонансная частота смещается с 51,6 до 79,8 кГц, что согласуется с (2), при этом величина αB уменьшается от 1,61·10-3 до 0,19·10-3 Гс·см/В (рисунок). В соответствии с методом эффективных параметров гетерогенной среды, можно сделать вывод, что пик на αB(d) расположен в области d ≤ 0,3 мм, когда объёмная доля PZT превышает

объёмную долю TDF.

На зависимости α_B(Т) при Т = (77 – 293) К наблюдается пик, приходящийся на 253 К, который, как и в случае прямого МЭ эффекта [1], можно связать с особенностями изменения магнитострикции с температурой ферромагнетика TDF [2], входящего в состав композита.

Литература

1. S.A. Gridnev, Yu.E. Kalinin, A.V. Kalgin, E.S. Grigorjev // The Seventh International Seminar on Ferroelastic Physics: Abstract Book. – 2012. – P. 36.

2. Г.А. Политова, И.С. Терешина, С.А. Никитин, Т.Г. Соченкова, В.Н. Вербецкий, А.А. Саламова, М.В. Макарова // ФТТ. – 2005. – Т. 47. – Вып. 10. – С. 1834.

УДК 538.9

Механические свойства наноструктурных покрытий Coх(Al2o3)100-х, Coх(SiO2)100-х, и Coх(CaF2)100-X

И.М. Трегубов, О.В. Стогней

Кафедра физики твердого тела

Проведено исследование микротвердости тонкопленочных нанокомпозиционных покрытий Co_х(Al₂O₃)_100-х, Co_х(SiO₂)_100-х, и Co_х(CaF₂)_100-x в широком интервале концентраций металлической фазы (30  х ат. %  95).

Образцы нанокомпозитных покрытий были получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней. Совместное осаждение компонент материала производилось на ситалловые (СТ-50) подложки, на поверхности которых, в результате процессов самоорганизации, происходило формирование двухфазной структуры. Химический состав образцов контролировался рентгеновским электронно-зондовым микроанализом. Толщина полученных покрытий составляла ~ 6 ÷ 8 мкм. Исследование структуры композитов производилось на более тонких образцах (600 – 800 А), напыленных на монокристаллы NaCl, с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 20F S TWIN. Измерение микротвердости нанокомпозитов нанесенных на ситалловые подложки осуществлялось на приборе ПМТ-3М при нагрузке 0,245 Н и 0,49 Н с использованием индентора Кнупа.

В соответствии с ПЭМ все композиты на основе кобальта были наногранулированными с небольшими отличиями друг от друга. Сравнительное изучение структуры массивных образцов композитов, утонченных в поперечном направлении и тонких образцов для ПЭМ в планарном направлении, имеющих одинаковые концентрации металлической фазы показало, что нанокомпозит имеет изотропную гранулированную структуру. Анализ электронограмм показывает, что в композитах присутствуют две фазы: кобальт и диэлектрик. Фаза кобальта во всех случаях кристаллическая. Структуры оксидных фаз являются аморфными, а структура диэлектрика CaF₂ - кристаллической - на электронограмме присутствуют четкие дифракционные кольца от фазы CaF₂.

Концентрационная зависимость микротвердости нанокомпозитов Coх(Al2O3)100-х, Coх(SiO2)100-х, Coх(CaF2)100-х в единицах Кнупа при нагрузке на индентор 0,294Н; ■ – значение микротвердости пленки, напыленной из чистого Со

Установлено, что в данных нанокомпозитах качественно выполняется «закон смесей»: микротвердость в системах Co_x(SiO₂)_100-x, и Co_x(CaF₂)_100-x увеличивается с ростом концентрации кобальта, в то время как в композитах Co_x(Al₂O₃)_100-x микротвердость практически не меняется. Установлено, что максимум микротвердости в области 75 – 85 ат.% металлической фазы, обнаруженный в системах на основе железа, имеет место в композитах Co_x(SiO₂)_100-x и Co_x(CaF₂)_100-x и отсутствует в Co_x(Al₂O₃)_100-x, хотя морфологически системы Fe_х(Al₂O₃)_100-х и Co_x(Al₂O₃)_100-x практически идентичны. Было предположено, что упрочняющие свойства диэлектрической фазы оптимальны в том случае, когда её состав соответствует стехиометрии. Известно, что при напылении оксидных (фторидных) диэлектриков в чистом аргоне формируются нестехиометричные по кислороду (фтору) соединения. Предполагается, что, если избыточный элемент диэлектрика (в нашем случае Si, Al или Ca) может растворяться в металлической фазе композита и диэлектрическая фаза становиться стехиометричной, должен наблюдаться упрочняющий эффект. Анализ бинарных фазовых диаграмм показал, что в тех системах, где наблюдается эффект упрочнения, растворимость избыточного элемента диэлектрика в металлической фазе существует (то есть Si и Ca растворяются в Co). При этом растворимость Al в Co отсутствует.

УДК 54.051