RU2739161C1 - Способ измерения магнитострикции тонких пленок - Google Patents

Способ измерения магнитострикции тонких пленок Download PDF

Info

Publication number
RU2739161C1
RU2739161C1 RU2020114285A RU2020114285A RU2739161C1 RU 2739161 C1 RU2739161 C1 RU 2739161C1 RU 2020114285 A RU2020114285 A RU 2020114285A RU 2020114285 A RU2020114285 A RU 2020114285A RU 2739161 C1 RU2739161 C1 RU 2739161C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetostriction
field
sample
magnetostrictive
dependence
Prior art date
Application number
RU2020114285A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Александрович Филиппов
Владимир Михайлович Лалетин
Наталья Никитична Поддубная
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого"
Priority to RU2020114285A priority Critical patent/RU2739161C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2739161C1 publication Critical patent/RU2739161C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/16Measuring susceptibility

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитострикции тонких пленок. Способ заключается в измерении переменного напряжения, возникающего на пьезоэлектрической подложке, на которую нанесен магнитострикционный материал, при помещении структуры в переменное и постоянное магнитные поля. Вследствие магнитострикции в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на образце возникает электрическое напряжение, величина которого пропорциональна пьезомагнитному коэффициенту, который представляет собой производную от магнитострикции по магнитному полю. Снимая зависимость величины возникающего напряжения от поля подмагничивания, получают полевую характеристику магнитоэлектрического эффекта, интегральная характеристика которой с точностью до множителя представляет собой магнитострикционную кривую. Технический результат заключается в упрощении способа и повышении точности определения магнитострикции с учетом влияния подложки. 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитострикции тонких пленок.
Для измерения магнитострикции, как правило, используют тензодатчики [Чечерников В.И., Магнитные измерения, Москва 1963. (стр. 111-127)., Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.: Наука, 1987], которые наклеивают на измеряемый образец. Поскольку тензодатчики обладают определенной механической жесткостью, то они вносят дополнительную погрешность в величину деформации магнитострикционного слоя. Особенно сильно трудности определения величины магнитострикции проявляются при измерении магнитострикции тонких пленок, выращенных на пьезоэлектрической подложке, которые хорошо зарекомендовали себя в устройствах, основанных на электрическом управлении магнитным резонансом [Peng Zhou, М.A. Popov, Ying Liu, Rao Bidthanapally, D.A. Filippov, Tianjin Zhang, Yajun Qi, P.J. Shah, В.M. Howe, M.E. McConney, Yongming Luo, G. Sreenivasulu, G. Srinivasan, M.R. Page, Phys. Rev. Materials 3, 044403 (2019); Peng Zhou, Amit V. Singh, Z. Li, M.A. Popov, Ying Liu, D.A. Filippov, Tianjin Zhang, Wei Zhang, P.J. Shah, B.M. Howe, M.E. McConney, G. Srinivasan, M.R. Page, and A. Gupta, Phys. Rev. Appl. 11, 054045 (2019)]. В этом случае толщина наклеиваемого тензорезистора будет соизмерима или даже больше толщины пленки, в результате чего его жесткость будет сильно влиять на величину деформации. Кроме того, этим способом не удается определить влияние подложки на величину деформации, поэтому данный метод для определения магнитострикции тонких пленок неприменим.
Задача изобретения - упростить способ, повысить точность определения магнитострикции с учетом влияния подложки.
Для решения данной задачи предложен способ измерения магнитострикции тонких пленок, в котором структуру с магнитострикционным слоем, нанесенным на пьезоэлектрическую подложку, помещают в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias, измеряют напряжение U, возникающее на обкладках при помещении образца в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias, затем строят график зависимости магнитоэлектрического коэффициента от поля подмагничивания, где магнитоэлектрический коэффициент определяется как отношение средней напряженности электрического поля в образце <E>=U/t, к величине напряженности магнитного поля Н, его вызвавшей, т.е. αE=<E>/H, где t - толщина образца, а магнитострикционную кривую вычисляют путем интегрирования полученной зависимости магнитоэлектрического коэффициента от поля подмагничивания.
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект заключается в возникновении электрического напряжения на образце при помещении его в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias. В качестве параметра, численно определяющего МЭ отклик системы, используют МЭ коэффициент по напряжению αЕ, определяемый как отношение средней напряженности электрического поля в образце <Е> к величине напряженности магнитного поля Н, его вызвавшей, т.е. αE=<Е>/Н. Для его определения измеряют напряжение U, возникающее на обкладках при помещении образца в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias, а среднее значение поля вычисляют с помощью соотношения <E>=U/t, где t - толщина образца. Поскольку механизм возникновения МЭ эффекта непосредственно связан с распространением колебаний в системе, то в области электромеханического резонанса наблюдается пиковое увеличение МЭ коэффициента по напряжению. Значение частоты электромеханического резонанса зависит не только от физических параметров материала, но также и от геометрических размеров образца. Для типичных размеров образцов порядка нескольких мм частота электромеханического резонанса составляет порядка сотен кГц. В низкочастотной области спектра, вдали от резонанса, в диапазоне несколько кГц, на частотной зависимости имеется плато, и величина МЭ коэффициента по напряжению не зависит от частоты и определяется только значениями физических параметров материала. В этой области частот величина МЭ коэффициента по напряжению при поперечной ориентации полей, т.е. когда направление переменного и подмагничивающего полей перпендикулярны направлением поляризации образца, определяется соотношением [D.A. Filippov, V.M. Laletin, Т.A. Galichyan, Applied Physics А, 115, 1087 (2014)]
Figure 00000001
где pY, mY - модули Юнга пьезоэлектрической подложки и магнитострикционной пленки, pd31, mq11 - пьезоэлектрический модуль и пьезомагнитный коэффициент, pt, mt - толщина пьезоэлектрической подложки и магнитострикционного слоя, рε3 - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, ε0 - диэлектрическая постоянная. Пьезомагнитный коэффициент mq11 в уравнении (1) определяется следующим образом
Figure 00000002
где
Figure 00000003
- магнитострикционный коэффициент, Hbias - поле подмагничивания. В уравнении (1) только один член mq11 зависит от магнитного поля. Его зависимость определяет величину МЭ коэффициента по напряжению от поля подмагничивания, или, как говорят, полевую зависимость МЭ эффекта т.е. αЕ(Н). Интегрируя эту зависимость, с учетом определения пьезомагнитного коэффициента (2) для магнитострикции получим выражение
Figure 00000004
где
Figure 00000005
- постоянный для данной структуры множитель. Следует отметить, что все параметры, входящие в постоянный множитель С, определяются довольно точно другими методами и, как правило, хорошо известны при изготовлении структуры. Таким образом, интегральная характеристика магнитоэлектрического коэффициента по напряжению с точностью до множителя совпадает с зависимостью коэффициента магнитострикции тонкой пленки от магнитного поля. Это позволяет по полевой зависимости магнитоэлектрического коэффициента по напряжению с помощью соотношения (3) восстановить зависимость магнитострикции от магнитного поля.
Для проверки данного способа были изготовлены объемные композиты феррит - пьезоэлектрик, полученные путем спекания смесей однофазных компонентов. С этой целью были приготовлены образцы системы xPZT850 - (1-x)NiFe1,9Co0,02O4, в которой значение х представляло весовую долю пьезоэлектрика и изменялось в диапазоне от 0,9 до 0,3 с шагом 0,1. Образцы спекали в тиглях со свинец содержащей засыпкой в течение двух часов при температурах 1180°С. Скорость охлаждения образцов не превышала 50 градусов в час. Электроды наносили вжиганием серебряной пасты при температуре 650°С в течение 20 минут. Образцы имели форму дисков диаметром 8,7-8,8 mm и толщиной 0,8-0,9 mm. Поляризацию материалов осуществляли при температуре 60-100°С в течение двух часов в электрическом поле 4 кВ/мм с последующим охлаждением в этом поле до комнатной температуры в течение получаса.
Пьезоэлектрический модуль измеряли прибором YE2730A d33 METER. Для нахождения модуля Юнга использовали метод резонанса - антирезонанса. Измерение емкости проводили на частоте 1 кГц. Результаты измерений представлены в табл. 1.
Линейный МЭ эффект исследовали путем измерения напряжения, возникающего на образце, при помещении его в переменное магнитное поле и поле подмагничивания. Амплитуда переменного поля составила 1 Э при частоте равной 1 кГц. Величина поля подмагничивания изменялась в пределах от 0 до 5000 кЭ. Исследовался продольный МЭ эффект, когда направление электрической поляризации образца и магнитных полей были параллельны друг другу. На фиг. 1 представлены полевые зависимости магнитоэлектрического коэффициента по напряжению, а на фиг. 2 - полученные путем их интегрирования зависимости магнитострикции для разных составов композита. Как видно из фиг. 2, кривая магнитострикции, полученная путем интегрирования полевой зависимости магнитоэлектрического коэффициента по напряжению, имеет типичную зависимость. С увеличением процентного содержания феррита в составе композита наблюдается рост значения магнитострикции насыщения λs. На фиг. 3 представлены график зависимости λs, характеризующей магнитострикционные свойства композита и, для сравнения, зависимость величины пьезомодуля, характеризующего пьезоэлектрические свойства композита, от состава композита. Как видно из графиков, при малых содержаниях феррита наблюдается линейный рост величины λs с увеличением процентного содержания феррита. По мере увеличения содержания феррита рост становится нелинейным и приближается к значениям, соответствующему значению модуля магнитострикции насыщения λs=26 ppm для поликристаллического феррита никеля. Как видно из фиг. 3, представленная на графике зависимость в предельном переходе стремится к этому значению, что позволяет судить о применимости данного способа.
Также данный метод был применен для определения магнитострикции тонкой пленки никеля и его объемного образца. С этой целью были изготовлены трехслойные структуры никель - кварц - никель, одна из которых была получена методом склеивания, а другая методом электролитического осаждения никеля на кварцевую подложку. Длина кварцевой подложки была равна 20 мм, ширина 4.5 мм, толщина pt=0.5 мм. Толщина никелевой пластинки для клеевой структуры была равна mt=0.25 мм, поэтому ее можно было рассматривать как объемный образец. Толщина никелевого слоя, полученного электролитическим осаждением, была равна. mt=10 мкм, поэтому ее можно было рассматривать как тонкопленочную структуру. На фиг. 4 представлены полевые зависимости МЭ коэффициента по напряжению, а на фиг. 5 полученные методом интегрирования зависимости коэффициентов магнитострикции от магнитного поля для объемного образца и тонкой пленки. Как видно из фиг. 4 и фиг. 5 эти зависимости имеют значительное различие.
Таким образом, интегральная характеристика полевой зависимости магнитоэлектрического коэффициента по напряжению позволяет получить зависимость магнитострикции тонких пленок, нанесенных на пьезоэлектрическую подложку, и может быть использована как способ определения магнитострикции в широком диапазоне магнитных полей.
Figure 00000006

Claims (1)

  1. Способ измерения магнитострикции тонких пленок, в котором структуру с магнитострикционным слоем, нанесенным на пьезоэлектрическую подложку, помещают в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias, измеряют напряжение U, возникающее на обкладках при помещении образца в переменное магнитное поле Н и постоянное подмагничивающее поле Hbias, затем строят график зависимости магнитоэлектрического коэффициента от поля подмагничивания, где магнитоэлектрический коэффициент определяется как отношение средней напряженности электрического поля в образце <E>=U/t к величине напряженности магнитного поля Н, его вызвавшей, т.е. αE=<Е>/Н, где t - толщина образца, а магнитострикционную кривую вычисляют путем интегрирования полученной зависимости магнитоэлектрического коэффициента от поля подмагничивания.
RU2020114285A 2020-04-07 2020-04-07 Способ измерения магнитострикции тонких пленок RU2739161C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114285A RU2739161C1 (ru) 2020-04-07 2020-04-07 Способ измерения магнитострикции тонких пленок

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114285A RU2739161C1 (ru) 2020-04-07 2020-04-07 Способ измерения магнитострикции тонких пленок

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739161C1 true RU2739161C1 (ru) 2020-12-21

Family

ID=74063040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020114285A RU2739161C1 (ru) 2020-04-07 2020-04-07 Способ измерения магнитострикции тонких пленок

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739161C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116540156A (zh) * 2023-04-27 2023-08-04 长安大学 一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU324594A1 (ru) * Способ измерения магнитострикционных свойств цилиндрических тонких магнитных пленок
SU370561A1 (ru) * 1971-06-11 1973-02-15 Харьковский ордена Ленина политехнический институт имени В. И. Ленина Способ измерения магнитострикции тонких магнитных пленок
DE2851771B1 (de) * 1978-11-30 1980-04-17 Ibm Deutschland Verfahren zur direkten Bestimmung der Magnetostriktionskonstanten und Vorrichtung zur Durchfuehrung desselben
SU883823A1 (ru) * 1980-03-13 1981-11-23 Предприятие П/Я В-2769 Способ измерени константы магнитострикции цилиндрических магнитных пленок
US20140125332A1 (en) * 2011-06-24 2014-05-08 Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel Magnetostrictive layer system
CN102890252B (zh) * 2012-09-26 2015-10-14 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种柔性磁性薄膜饱和磁致伸缩系数的测量方法
CN103576107B (zh) * 2013-10-25 2016-05-25 北京科技大学 一种测量整体磁致伸缩系数的方法及其装置
RU2694788C1 (ru) * 2018-12-21 2019-07-16 федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU324594A1 (ru) * Способ измерения магнитострикционных свойств цилиндрических тонких магнитных пленок
SU370561A1 (ru) * 1971-06-11 1973-02-15 Харьковский ордена Ленина политехнический институт имени В. И. Ленина Способ измерения магнитострикции тонких магнитных пленок
DE2851771B1 (de) * 1978-11-30 1980-04-17 Ibm Deutschland Verfahren zur direkten Bestimmung der Magnetostriktionskonstanten und Vorrichtung zur Durchfuehrung desselben
SU883823A1 (ru) * 1980-03-13 1981-11-23 Предприятие П/Я В-2769 Способ измерени константы магнитострикции цилиндрических магнитных пленок
US20140125332A1 (en) * 2011-06-24 2014-05-08 Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel Magnetostrictive layer system
CN102890252B (zh) * 2012-09-26 2015-10-14 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种柔性磁性薄膜饱和磁致伸缩系数的测量方法
CN103576107B (zh) * 2013-10-25 2016-05-25 北京科技大学 一种测量整体磁致伸缩系数的方法及其装置
RU2694788C1 (ru) * 2018-12-21 2019-07-16 федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116540156A (zh) * 2023-04-27 2023-08-04 长安大学 一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法
CN116540156B (zh) * 2023-04-27 2023-10-31 长安大学 一种基于层合磁电结构的可调灵敏度磁场强度传感器及调节方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rose The variation of the adiabatic elastic moduli of rocksalt with temperature between 80 K and 270 K
Barber et al. Role of correlations in determining the Van Hove strain in Sr 2 RuO 4
Sivakumar et al. Effect of shock waves on dielectric properties of KDP crystal
Kohama et al. AC measurement of heat capacity and magnetocaloric effect for pulsed magnetic fields
Squire Magnetomechanical measurements of magnetically soft amorphous materials
Wang et al. Effect of DC bias field on the complex materials coefficients of piezoelectric resonators
Bergman Jr et al. Nonlinear optical properties of CdHg (SCN) 4 and ZnHg (SCN) 4
Yu Precise measurements of magnetostriction of ferromagnetic plates
RU2739161C1 (ru) Способ измерения магнитострикции тонких пленок
Gutiérrez et al. Temperature response of magnetostrictive/piezoelectric polymer magnetoelectric laminates
Xie et al. Quick and repeatable shear modulus measurement based on torsional resonance using a piezoelectric torsional transducer
Daneshpajooh et al. New methodology for determining the dielectric constant of a piezoelectric material at the resonance frequency range
Wang et al. Magnetoelectric properties of Fe–Ga/BaTiO3 laminate composites
Roleder Measurement of the high-temperature electrostrictive properties of ferroelectrics
Bian et al. Magnetoelectric performances in composite of piezoelectric ceramic and ferromagnetic constant-elasticity alloy
Filippov et al. Magnetoelectric and magnetostriction characteristics of symmetric three layered structures of nickel-lead zirconate titanate–nickel and permendure–lead zirconate titanate–permendure
RU136189U1 (ru) Датчик переменного магнитного поля
Burdin et al. Temperature dependence of the characteristics of the resonant magnetoelectric effect in a lead magnesium niobate-lead titanate/nickel structure
Filippov et al. Magnetostriction via magnetoelectricity: using magnetoelectric response to determine the magnetostriction characteristics of composite multiferroics
Yin et al. The effect of stress state on AlN thin films and AlN/Finemet magnetoelectric composite device
Turchin et al. Application of DMA 242 C for Quasi-Static Measurements of Piezoelectric Properties of Solids
Datta et al. Magnetostrictive vibration sensor based on iron-gallium alloy
Filippov et al. New way the determination of magnetostrictive parameters composite multiferroics using the magnetoelectric response
Ding et al. Multiple Vibration Modal Analysis of Magnetoelectric Composite Structures under the Magnetic Fields
RU2442179C2 (ru) Способ бесконтактного измерения диэлектрической проницаемости