В последние годы ведутся интенсивные исследования магнитоэлектрического эффекта (МЭ) в композитных планарных структурах с механически связанными слоями из ферромагнитных магнитострикционных и сегнетоэлектрических материалов [1]. При помещении такой структуры в переменное магнитное поле dHac наблюдается прямой МЭ: поле dHac вызывает магнитострикционную деформацию ферромагнитных слоев, которая передается сегнетоэлектрическим слоям и приводит, вследствие пьезоэффекта, к генерации зарядов и возникновению электрического поля dE на поверхности структуры. Величину МЭ характеризуют магнитоэлектрическим коэффициентом по напряжению (МЭКН), который определяют как α = dE/Hac= dV /(tdHac), где dV – величина возникающего электрического напряжения, t – толщина сегнетоэлектрического слоя. В свою очередь, значение α определяется физическими характеристиками как ферромагнитных слоев, в частности пьезомагнитным коэффициентом q = dλ/dH, где λ – коэффициент магнитострикции, H – статическое магнитное поле, так и сегнетоэлектрических слоев, в частности пьезомодулем d и относительной диэлектрической проницаемостью ε.
В работах [2, 3] теоретически показано, что при использовании в МЭ структурах композитных слоев с градиентом свойств по толщине возможно увеличение значения α как за счет величины d сегнетоэлектрических слоев, так и за счет величины q ферромагнитных слоев. Экспериментально такое увеличение наблюдали в работах [4, 5] для композитных объемных структур с ферромагнитными слоями на основе тонких лент.
В качестве ферромагнитных слоев МЭ структур очень часто используются аморфные магнитострикционные сплавы типа «Метглас» (Metglas) [6], достоинствами которых являются большое значение q, малое коэрцитивное поле, большая начальная магнитная проницаемость, положительное значение λ. Для сплавов типа «Метглас» были исследованы изменения их свойств при нанесении на них тонких пленок немагнитных металлов [7] и сегнетоэлектриков [8]. Насколько известно авторам, исследований изменений свойств сплавов типа «Метглас» при нанесении на их поверхность магнитострикционных пленок не проводилось.
В настоящей работе исследовано изменение МЭКН в композитных планарных структурах на основе ферромагнитных магнитострикционных аморфных лент сплава типа «Метглас» с магнитострикционной пленкой и сегнетоэлектрических слоев.
Материалы и методы исследования
В качестве сегнетоэлектрических слоев были использованы пластины пьезокерамики PZT (#851, APC International, Pennsylvania, USA) с типичными размерами 5×5×0.3 мм3. В качестве магнитострикционного сплава типа «Метглас» были использованы аморфные ленты состава 440A [9] (компания «Гаммамет», Екатеринбург, Россия) толщиной 34 мкм без термообработок. Статические измерения магнитострикции были выполнены с использованием тензодатчика. Были измерены значения коэффициента магнитострикции насыщения при двух ориентациях магнитного поля H: вдоль (λ11 = + 20×10-6/Э) и поперек (λ12=-15×10-6/Э) направления прокатки. Из этих данных была определена величина пьезомагнитного коэффициента q = q11 + q12 = dλ11/dH + dλ12/dH. Для состава 440A было получено значение q = + 0,46×10-6/Э.
Композитную структуру магнитострикционного слоя получали нанесением на поверхность аморфной ленты состава 440A тонких пленок Fe0.72Ga0.28 методом импульсного лазерного осаждения. Известно, что для объемных материалов системы Fe1-XGaX (галфенол) максимальную величину коэффициента магнитострикции имеют сплавы с X = 0,19 или 0,28 [10]. Магнитострикция в сплавах Fe1-XGaX отрицательна. Пленки толщиной 25 нм наносили с использованием эксимерного лазера CL 7050 (компания «Оптисистемы», г. Троицк, Московская область, Россия [11]).
Были исследованы трехслойные ламинатные структуры, в которых средним сегнетоэлектрическим слоем являлась пьезоекрамика PZT. В качестве верхнего и нижнего слоев использовали либо аморфные магнитострикционные ленты состава 440A (далее – образцы 440A) либо аморфные магнитострикционные ленты состава 440A с пленкой Fe0.72Ga0.28 ((далее – образцы 440A/FeGa). Структуру формировали склеиванием слоев клеем на основе цианокрилата. Как показано в [12] в трехслойных структурах величина МЭКН больше, чем в двухслойных.
МЭ исследовали при приложении статического H и переменного Hac магнитных полей. Напряжение dV, возникающее в сегнетоэлектрическом слое, измеряли синхронным детектором. МЭКН вычисляли по формуле α = dE/Hac= dV /(tdHac), где t – толщина сегнетоэлектрического слоя. Измерения проводили α при изменении величины статического магнитного поля H и частоты f переменного магнитного поля.
Все измерения выполнены при комнатной температуре.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 приведены результаты, полученные для структуры с аморфной лентой 440A на частотах 20, 110 Гц и 10 кГц. На всех зависимостях α(H) имеется максимум при H ~ 60 Э, соответствующий максимуму полевой зависимости коэффициента q. Положение максимума не зависит от частоты, в то время величина α в максимуме сильно изменяется с частотой. С ростом H значения α постепенно уменьшаются и становятся очень малыми при H > 250Э. Ход зависимости α(H) качественно соответствует виду зависимости q (H).
Сходные результаты были получены и для структуры с аморфной лентой с пленкой Fe0.72Ga0.28. Нанесение пленки не изменяло положение максимумов при H ~ 60 Э на зависимостях α(H), однако влияло на величину максимального значения α. Сравнительные данные для частотных зависимостей максимальной величины α приведены на рис. 2 из которого следует, что нанесение пленки приводит к увеличению максимального значения α для всего исследованного диапазона частот.
Рис. 1. Зависимости МЭКН от статического магнитного поля для значений частот переменного магнитного поля 20 Гц, 110 Гц и 10 кГц. Результаты для структуры с аморфной лентой 440A
Рис. 2. Сравнение частотных зависимостей максимальной величины МЭКН для структур с магнитострикционными слоями столько с аморфной лентой (440A) и аморфной лентой с пленкой Fe0.72Ga0.28 (440A/FeGa)
Известно, что для ламинатных структур величина МЭКН пропорциональна d11/ε11. Для пьезокерамики типа относительная диэлектрическая проницаемость ε11 слабо зависит от частоты в диапазоне до 10 кГц. Поэтому наблюдающиеся изменения МЭКН с частотой качественно могут быть объяснены частотными изменениями характеристик ферромагнитных слоев. Коэффициент магнитомеханической связи определяется как km = (4πλ´µr´/E)1/2, где λ´ – коэффициент магнитострикции в переменном магнитном поле, который, в свою очередь, пропорционален q, µr´ – действительная часть относительной магнитной проницаемости, E – модуль Юнга [13]. Наблюдаемое увеличение максимального значения α для всего исследованного диапазона частот для структур с пленкой Fe0.72Ga0.28 по-видимому связано с увеличением km за счет q из-за разных знаков λ в аморфном сплаве и пленке.
Заключение
Исследован магнитоэлектрический эффект (МЭ) в ламинатных структурах ферромагнетик/сегнетоэлектрик/ферромагнетик с композитными ферромагнитными магнитострикционными слоями, полученными импульсным лазерным осаждением тонких пленок Fe0.72Ga0.28 с отрицательной магнитострикцией на аморфные ленты с положительной магнитострикцией. Для всего исследованного диапазона частот от 20 Гц до 10 кГц нанесение тонких пленок приводит к увеличению максимальной величины МЭКН. Результаты могут представлять интерес для разработки магнитоэлектрических датчиков статических и переменных магнитных полей.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Спин», № 01201463330) при частичной поддержке УрО РАН (проект № 15-9-2-30).