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《磁电双层膜层间耦合的弹性力学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第57卷第5期2008年5月物 理 学 报Vol.57,No.5,May,2008100023290P2008P57(05)P3237207ACTAPHYSICASINICAn2008Chin.Phys.Soc.3磁电双层膜层间耦合的弹性力学研究•曹鸿霞 张 宁(南京师范大学磁电子学实验室,南京 210097)(2007年9月22日收到;2007年10月17日收到修改稿) 基于磁致伸缩相与压电相的本构方程,应用弹性力学模型,简要介绍了如何推导自由状态的磁电双层膜纵向、横向磁电(ME)电压系数.并采用相应的材料参数计算了La0
2、17Sr013MnO32Pb(Zr,Ti)O3(LSMO2PZT),Tb1-xDyxFe2-y(TDF)2PZT双层膜中的磁电电压系数,具体分析了其与压电相的体积分数v、界面耦合参数k以及偏置磁场H之间的关系.分析结果表明,在某一体积分数vm下,ME电压系数达到最大值,且最大值与k成近似线性关系.由于-1-1TDF的超大磁致伸缩效应,TDF2PZT双层膜的横向ME电压系数可达119VcmOe,而LSMO2PZT的仅为165-1-1mVcmOe(1Oe=80APm).将LSMO2PZT中横向ME电压系数随偏置磁场H变化的理论值与
3、实验结果进行对照,其界面耦合参数k为012.研究结果表明:优异的磁致伸缩性能、合适的体积分数、良好的界面耦合是影响ME效应的关键因素.关键词:磁电效应,双层膜,TDF,LSMO,PZTPACC:7580,7760,7550由上式可知,为获得优良的磁电效应,必须选择单相11引言效应强的磁致伸缩相和压电相.对于铁磁相,目前常选用Ni(Co,Mn)Fe2O4,Tb1-xDyxFe2-y(Terfenol2D)磁电效应是材料在磁场的作用下产生电极化,等磁致伸缩较大的材料;对于铁电相,常选用或在电场中产生磁化的现象.磁电效应材料因为兼B
4、aTiO3,PZT等压电系数较高的材料.至今已制备出有铁磁和铁电性能,在传感器制备领域具有广阔的多类ME复合材料,其中既有块材,如Ni(Co,Mn)[1]应用前景,一直备受关注.磁电效应发生于磁偶[6,7][8]Fe2O42BaTiO3,TDFPPVDF2PZTPPVDF,TDFPepoxy2极子和电偶极子共存的材料中,能产生磁电效应的[9][10—13]PZT;也有多层复合物,如Terfenol2D2PZT,材料可分为单相和复合材料.磁电效应最早是在低[14,15]NiFe2O42PZT等.[2,3]温下反铁磁性单晶Cr2O
5、3中观察到的.随后发现由于影响复合材料磁电转化的因素很多,如各其他单晶如BiFeO3和BaMnF4等也存在磁电效应.个单相组元的性能、铁电铁磁相的体积比、界面间的单相材料的磁电性能很低,且大多只能在低温下才耦合状态,所以需要建立一定的物理模型进行理论能被明显观测到,因此没有实际应用价值.计算,对磁电效应的变化规律进行研究.目前主要VanSuchtelen首先引入具有乘积效应(product[4]分析方法有弹性力学方法、Green函数方法、等效电properties)的复合材料来实现磁电效应.在铁磁2路方法.Nan的理论框架是在
6、Green函数模型和微铁电(或磁致伸缩2压电)两相组成的复合材料中,扰理论的基础上建立的,主要是解释磁电感应的机磁致伸缩相在磁场中发生弹性形变,此形变通过界[5]理;Liu等人用数字技术模拟材料内部的机械耦面耦合至压电相,经由压电效应引起电介质的极化.[16]合,侧重于磁电耦合输出的最大化.Dong等人在复合材料的磁电效应(magnetoeletriceffect)可表示[5]弹性力学方法的基础上引入动力学方程,得到层合为材料等效电路,从而可以分析材料的磁电响应特磁机械磁电=×.[17]机械电性.Harshe及其合作者基于双层
7、结构提出弹性力3国家自然科学基金(批准号:10674071)资助的课题.•通讯联系人.E2mail:zhangning@njnu.edu.cn3238物 理 学 报57卷学理论模型,并假设界面耦合是理想的,根据此模型电场δE.纵向ME电压系数αE,33=δE3/δH3对应于计算了CFO2PZT(或BTO)的纵向ME电压系数在三个场互相平行且皆沿3轴.-1-1012—5VcmOe之间,其值与场的取向、边界条件在推导中,对于自由状态(无夹持)的双层膜,假及单相材料参数有关.并制备了相关样品进行测设无弯曲变形且沿厚度方向应力不
8、变.极化后的压[18,19]量.Bichurin,Petrov和Srinivasan在弹性力学模电相对于极化轴具有∞m对称性,其本构方程为型的基础上,将层合材料看作同一均匀介质,推导出Si=sijTj+dkiEk,ME电压系数的表达式,据此模型计算了一些磁电Dk=dkiTi+
