Теория Инверсного Магнитоэлектрического Эффекта В Слоистых Магнитострикционно-Пьезоэлектрических Структурах

Abstract

Представлена теория инверсного магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах, основанная на решении уравнений эластодинамики и электростатики отдельно для магнитострикционной и пье-зоэлектрической фаз с учетом условий на границе раздела между фазами. Получены выражения для коэффициента инверсного магнитоэлектрического преобразования через параметры, характеризующие магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы. Рассчитаны теоретические зависимости коэффициента инверсного магнитоэлектрического преобразования от частоты переменного электрического поля для трехслойной структуры PZT−Ni−PZT и двухслойной структуры D-терфенол−PZT. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментальными данными. ВведениеМагнитоэлектрический (МЭ) эффект, теоретически предсказанный [1,2] и экспериментально обнаружен-ный [3,4] более полувека назад, в последнее время привлекает все большее число исследователей, о чем говорит рост числа публикаций на эту тему [5]. Уникаль-ность этого эффекта заключается том, что он относится к так называемым перекрестным эффектам и связывает между собой векторы, имеющие различные трансформа-ционные свойства -аксиальный вектор с полярным и, наоборот, полярный с аксиальным. Так, при помещении МЭ-материала в магнитное поле (аксиальный вектор) происходит изменение поляризации (полярный вектор) и, наоборот, при помещении магнитоэлектрика в элек-трическое поле (полярный вектор) происходит измене-ние намагниченности (аксиальный вектор). Изменение электрической поляризации под действием магнитного поля получило название прямой МЭ-эффект, а изме-нение намагниченности под действием электрического поля обычно называют инверсным (конверсным) или обратным МЭ-эффектом. Инверсный МЭ-эффект инте-ресен тем, что позволяет управлять магнитными свой-ствами вещества электрическим полем, что значительно упрощает конструкцию управляющих устройств, заме-няя катушки индуктивности обкладками конденсаторов. Например, в СВЧ-области спектра в МЭ-кристаллах можно при помощи электрического поля управлять сдвигом линии магнитного резонанса [6-9], что позво-ляет создавать на этой основе такие приборы, как СВЧ-и фазовращатели, фильтры, аттенюаторы, линии задерж-ки и т. д. Несмотря на многочисленные исследования, выполненные на монокристаллах, широкого применения на практике МЭ-эффект не нашел. С одной стороны, это объясняется малостью величины эффекта, с другой сто-роны, тем, что в большинстве материалов МЭ-эффект наблюдается при температурах значительно ниже ком-натной. Малость МЭ-эффекта в монокристаллах объяс-няется тем, что механизмом его возникновения явля-ется совместное действие нечетной части потенциала внутрикристаллического поля, внешнего электрического поля и спин-орбитального взаимодействия [10]. Спин-орбитальное взаимодействие является релятивистским эффектом, чем и объясняется малость МЭ-эффекта в мо-нокристаллах. Ситуация коренным образом изменилась после синтеза магнитоэлектрических композиционных материалов [11,12]. Величина МЭ-эффекта эвтектиче-ской композиции Fe−Co−Ti−Ba−O, полученной мето-дом направленной криста...