Магнітоелектричні матеріали

МАГНІТОЕЛЕКТРИ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ Перші припущення про існування речовин, молекули яких намагнічуються під дією електр. поля та електризуються під дією магніт. поля, висловив франц. фізик 2-ї пол. 19 – поч. 20 ст. П. Кюрі. 1956 Л. Ландау та Є. Ліфшиць конкретизували поняття «М. м.». Відтоді саме так почали називати середовища, симетрія яких дозволяє існування ліній. магнітоелектр. ефекту, тобто виникнення електр. поляризації, що пропорційна магніт. полю, та намагніченості, що пропорційна електр. полю (зворот. магнітоелектр. ефект):

де М – намагніченість, Е – електр. поле, Р – поляризація, Н – магнітне поле, α_ij – тензор магнітоелектр. ефекту. Ці формули пов’язують вектори з різними трансформац. властивостями відносно операцій інверсії простору та часу: полярні вектори Р і Е змінюють знак при інверсії простору і залишаються незмінними при інверсії часу, тобто вони Р-парні, Т-непарні, тоді як М та Н Т-парні, Р-непарні. Таким чином, для існування ліній. магнітоелектр. ефекту необхідне збереження комбінов. РТ-парності, що різко звузило коло пошуку М. м. 1959 рос. фізик І. Дзялошинський теоретично передбачив існування магнітоелектр. ефекту в Cr₂O₃, а через рік у цьому матеріалі зафіксовано намагніченість, наведену електр. полем. Пізніше встановлено, що величину магнітоелектр. ефекту в однофаз. матеріалах можна розрахувати за формулою: α²_ij = Kχ_ijμ_ij , де χ_ij і μ_ij – компоненти тензорів електр. і магніт. сприйнятливостей; коефіцієнт K представлений комбінацією коефіцієнтів вільної енергії системи, K < 1 завжди, що обмежує величину α_ij. Із цього співвідношення видно, що магнітоелектр. ефект може бути великим тільки в матеріалах, в яких існують спонтанна намагніченість та електр. поляризація, тобто у мультифероїках. Подальше вивчення магнітоелектр. ефекту призвело до відкриття великої групи матеріалів з високим магнітоелектр. ефектом. Серед новіт. М. м. – наноструктурні матеріали, в яких ліній. магнітоелектр. ефект може існувати в усіх 90 магніт. класах (у макроскопіч. матеріалах – тільки в 58 магніт. класах) через вплив поверхні, що призводить до відсутності центру простор. інверсії. Характерні для наноструктур. матеріалів розмірні залежності властивостей відкривають можливість керування величиною α_ij, обираючи розміри, а також температуру. Останнє є дуже важливим для застосувань, які потребують здебільшого кімнат. т-р. Нині серед М. м. 50 % становлять композити, в яких високий магнітоелектр. ефект досягається поєднанням магнітострикц. матеріалів, таким як Tb_1-xDy_xFe₂, з п’єзоелектр. матеріалами типу PbZr_1-xTi_xO₃ (PZT) або сегнетоелектр. релаксорів. Ще 25 % – однофазні системи, серед яких найбільший магнітоелектр. ефект мають TbMnO₃, BiMnO₃, BiFeO₃, DyMnO₃ (структура перовскіту) і CdCr₂S₄ (структура шпінелі). Зовн. магнітне поле збільшує електр. сприйнятливість на 500 % у CdCr₂S₄ та DyMnO₃. Такий знач. ефект отримав назву колосал. магнітоємніс. ефекту, оскільки зазвичай він не перевищує 10 %. Решту 25 % охоплюють тверді розчини, ламінарні структури, що складаються з кількох шарів матеріалів завтовшки бл. 1 мм, наноструктури тонких плівок, нанозерен. кераміки, нанострижнів тощо. Тривалий час вважалося, що найбільший магнітоелектр. ефект властивий композиц. матеріалам, однак нещодавно близьке до них значення α_ij при кімнат. т-рі отримано на наноструктур. кераміках твердих розчинів мультифероїків типу PbFe_1/2Ta_1/2O₃ з PZT завдяки розмір. ефектам властивостей, що може суттєво збільшити кількість корисних для застосувань М. м. Зокрема на їхній основі можна створювати магнітні сенсори, ємнісні електромагніти, елементи магніт. пам’яті, надвисокочастотні фільтри та ін. пристрої, які не передбачають протікання постій. електр. струмів і пов’язаних з цим теплових втрат. Магнітні датчики – найбільш очевидна й опрацьована ідея практ. застосування магнітоелектр. ефекту. На основі М. м. створюють датчики постій. і змін. полів з чутливістю, що набагато перевищує чутливість датчиків, які ґрунтуються на ефекті Голла та гігант. магнітоопорі (до 1 пТл у частот. діапазоні 10^–2–10³ Гц). Водночас вони значно дешевші, ніж сквіди, що дозволяє їх використовувати навіть у таких галузях як магнітоенцефалографія та магнітокардіографія. Серед ін. прикладів застосувань – постійні магніти, що перемикаються електрикою завдяки виникненню намагніченості під дією постій. електр. поля; пристрої магніт. пам’яті в спін. електроніці; пам’ять нового покоління на основі магніт. оператив. пам’яті, що поєднує в собі швидкодію та здатність зберігати інформацію за відсутності електроживлення (енергонезалежність).

Літ.: P. Curie. Sur la symmetrie dans les phenomenes physiques, symmetric d’un champ electrique at d’un champ magnetique // J. Physique. 1894. № 3; Астров Д. Н. Магнитоэлектрический эффект в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. 1960. Т. 38; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Москва, 1992; M. Fiebig. Revival of the magnetoelectric effect // Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38; M. D. Glinchuk, E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, R. Blinc. Giant magnetic effect induced by intrinsic surface stress in ferroic nanorods // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77; E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, M. D. Glinchuk, B. Y. Zaulychny, V. V. Skorokhod, R. Blinc. Surface-induced piezomagnetic, piezoelectric and linear magnetoelectric effects in nanosystems // Там само. 2010. Vol. 82; Пятаков А. П., Звездин А. К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182, № 6; M. D. Glinchuk, A. V. Ragulya, V. A. Stephanovich. Nanoferroics. 2013; M. D. Glinchuk, E. A. Eliseev, A. N. Morozovska. Novel room temperature multiferroics on the base of single-phase nanostructured perovskites // J. Appl. Phys. 2014. Vol. 116.

М. Д. Глинчук

Рекомендована література

P. Curie. Sur la symmetrie dans les phenomenes physiques, symmetric d’un champ electrique at d’un champ magnetique // J. Physique. 1894. № 3;
Астров Д. Н. Магнитоэлектрический эффект в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. 1960. Т. 38;
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Москва, 1992;
M. Fiebig. Revival of the magnetoelectric effect // Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38;
M. D. Glinchuk, E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, R. Blinc. Giant magnetic effect induced by intrinsic surface stress in ferroic nanorods // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77;
E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, M. D. Glinchuk, B. Y. Zaulychny, V. V. Skorokhod, R. Blinc. Surface-induced piezomagnetic, piezoelectric and linear magnetoelectric effects in nanosystems // Там само. 2010. Vol. 82;
Пятаков А. П., Звездин А. К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182, № 6;
M. D. Glinchuk, A. V. Ragulya, V. A. Stephanovich. Nanoferroics. 2013;
M. D. Glinchuk, E. A. Eliseev, A. N. Morozovska. Novel room temperature multiferroics on the base of single-phase nanostructured perovskites // J. Appl. Phys. 2014. Vol. 116.