Анизотропный магнитоэлектрический эффект в структуре цирконат–титанат свинца / магнитострикционный волоконный композит

Цели. Разработка композитных структур, в которых наблюдается сильно анизотропный магнитоэлектрический (МЭ) эффект, актуальна для создания датчиков, чувствительных к направлению магнитного поля. Такой МЭ эффект может быть обусловлен анизотропией как магнитного, так и пьезоэлектрического слоя. Авторами изготовлен новый анизотропный материал – магнитострикционный волоконный композит (МВК), представляющий собой набор никелевых проволок, расположенных вплотную параллельно друг к другу в один слой и погруженных в полимерную матрицу. Цель работы – исследование линейного МЭ эффекта в композитных структурах со слоями из МВК и керамики цирконата титаната свинца (ЦТС-19).

Методы. Магнитострикция МВК была измерена тензометрическим методом, МЭ эффект – методом низкочастотной модуляции магнитного поля.

Результаты. Были изготовлены структуры с диаметрами никелевых проволок 100, 150 и 200 мкм. Измерены полевые зависимости магнитострикции МВК, а также частотные, полевые и амплитудные зависимости МЭ напряжения для случая линейного МЭ эффекта при различной величине угла между направлением магнитного поля и проволоками. Показано, что все образцы обладают сильной анизотропией относительно направления магнитного поля. МЭ напряжение уменьшается от максимального значения до нуля при изменении направления магнитного поля с параллельного до перпендикулярного относительно волокон никеля.

Выводы. Наибольшим по величине МЭ коэффициентом, составляющим 1.71 В/(Э · см), обладает структура, изготовленная на основе МВК с диаметром проволоки 150 мкм. Частота резонанса растет от 3.5 кГц до 6.5 кГц с увеличением диаметра проволок. Величина магнитострикции МВК сопоставима по величине с магнитострикцией пластины никеля такой же толщины.

1. Wang Y., Li J., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: status, challenges and perspectives Mater. Today. 2014;17(269):269-275. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.05.004

2. Liang X., Matyushov A., Hayes P., Schell L., Dong C., Chen H., He Y., Will-Cole A., Quandt E., Martins P., McCord J., Medarde M., Lanceros-Mendez S., van Dijken S., Sun N.X., Sort J. Roadmap on magnetoelectric materials and devices. IEEE Trans. Mag. 2021;57(8).400157. https://doi.org/10.1109/TMAG.2021.3086635

3. He Y., Luo B., Sun N.-X. Integrated magnetics and magnetoelectrics for sensing, power, RF, and microwave electronics. IEEE J. Microw. 2021;4:908-929. https://doi.org/10.1109/JMW.2021.3109277

4. Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status and future directions. J. Appl. Phys. 2008;103(3):031101. https://doi.org/10.1063/1.2836410

5. Oh Y.S., Crane S., Zheng H., Chu Y.H., Ramesh R., Kim K.H. Quantitative determination of anisotropic magnetoelectric coupling in BiFeO3-CoFe2O4 nanostructures. Appl. Phys. Lett. 2010;97(5):052902. https://doi.org/10.1063/1.3475420

6. Vargas J.M., Gómez J. In-plane anisotropic effect of magnetoelectric coupled PMN-PT/FePt multiferroic heterostructure: Static and microwave properties. APL Mater. 2014;2(10):106105. https://doi.org/10.1063/1.4900815

7. Vidal J.V., Timopheev A.A., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Anisotropy of the magnetoelectric effects in tri-layered composites based on single-crystalline piezoelectrics. Vacuum. 2015;122(B):286-292. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.06.022

8. Aubert A., Loyau V., Mazaleyrat F., LoBue M. Enhancement of the magnetoelectric effect in multiferroic CoFe2O4/PZT bilayer by induced uniaxial magnetic anisotropy. IEEE Trans. Magn. 2017;53(11):8109405. https://doi.org/10.1109/TMAG.2017.2696162

9. Bent A.A., Hagood N.W. Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 1997;8(11):903-919. https://doi.org/10.1177/1045389X9700801101

10. Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Fetisov L., Fetisov Y., Shamonin M. DC magnetic field sensing based on the nonlinear magnetoelectric effect in magnetic heterostructures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49(37):375002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/37/375002

11. Amirov A., Baraban I., Panina L., Rodionova V. Direct magnetoelectric effect in a sandwich structure of PZT and magnetostrictive amorphous microwires. Materials. 2020;13(4):916. https://doi.org/10.3390/ma13040916

12. Fetisov Y., Chashin D., Saveliev D., Fetisov L., Shamonin M. Anisotropic magnetoelectric effect in a planar heterostructure comprising piezoelectric ceramics and magnetostrictive fibrous composite. Materials. 2019;12(19):3228. https://doi.org/10.3390/ma12193228

13. Newnham R.E., Skinner D.P., Cross L.E. Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites. Mater. Res. Bull. 1978;13(5):525-536. https://doi.org/10.1016/00255408(78)90161-7

14. Chashin D.V., Burdin D.A., Fetisov L.Y., Ekonomov N.A., Fetisov Y.K. Precise measurements of magnetostriction of ferromagnetic plates. J. Siberian Federal Univ. Math. & Phys. 2018;11(1):30-34. https://doi.org/10.17516/19971397-2018-11-1-30-34

15. Feng M., Wang J.-J., Hu J.-M., Wang J., Ma J., Li H.-B., Shem Y., Lin Y.-H., Chen L.-Q., Nan C.-W. Optimizing direct magnetoelectric coupling in Pb(Zr,Ti)O3/Ni multiferroic film heterostructures. Appl. Phys. Lett. 2015;106(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.4913471

16. Greve H., Woltermann E., Quenzer H.J. Wagner B., Quandt E. Giant magnetoelectric coefficients in (Fe90Co10)78Si12B10-AlN thin film composites. Appl. Phys. Lett. 2010;96(18):182501. https://doi.org/10.1063/1.3377908

17. Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. New York: D. Van Nostrand Company, Inc.; 1961. 468 p.

18. Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Sreenivasulu G., Srinivasan G. Nonlinear resonant magnetoelectric interactions and efficient frequency doubling in a ferromagneticferroelectric layered structure. J. Appl. Phys. 2013;113(11):116101. https://doi.org/10.1063/1.4798579

19. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of lowfrequency magnetoelectric coupling in magnetostrictivepiezoelectric bilayers. Phys. Rev. B. 2003;68(5):054402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.054402

20. Joseph R.I., Schlömann E. Demagnetizing field in nonellipsoidal bodies. J. Appl. Phys. 1965;36(5):1579-1593. https://doi.org/10.1063/1.1703091