Магнітоелектричні матеріали

Визначення і загальна характеристика

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 повʼя­­зують 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 пʼєзо­електр. 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. памʼяті, надвисокочастотні фільтри та ін. при­строї, які не перед­бачають протіка­н­ня по­стій. електр. струмів і повʼя­заних 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. памʼяті в спін. електроніці; памʼять нового поколі­н­ня на основі магніт. оператив. памʼяті, що по­єд­нує в собі швидкодію та здатність зберігати інформацію за від­сутності електроживле­н­ня (енергонезалежність).

Літ.: P. Curie. Sur la symmetrie dans les phenomenes physiques, symmetric dʼun champ electrique at dʼun 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

Завантажити статтю