Magnetoelectric effect in composites based on single crystalline piezoelectrics

Abstract

Este trabalho expõe um estudo teórico e experimental das propriedades anisotrópicas magnetoelétricas (ME) em diferentes compósitos contendo monocristais piezoelétricos (PE), maioritariamente sem chumbo na sua composição, com vista a diversas aplicações multifuncionais. Uma descrição linear do efeito ME em termos de campos elétricos, magnéticos e elásticos e constantes materiais é apresentada. Um modelo fenomenológico quasi-estático é usado para ilustrar a relação entre as constantes materiais, sua anisotropia e os coeficientes MEs transversais de tensão e carga. Subsequentemente, este modelo é empregue para estimar o máximo coeficiente ME direto de tensão expectável numa série de compósitos tri-camadas de Metglas/Piezocristal/Metglas em função da orientação do cristal PE. Demonstra-se assim como os efeitos MEs são fortemente dependentes da orientação cristalina, o que suporta a possibilidade de se gerarem coeficientes MEs de tensão elevados em compósitos contendo monocristais PEs sem chumbo como o niobato de lítio (LiNbO3; LNO), tantalato de lítio (LiTaO3), ortofosfato de gálio (GaPO4; GPO), quartzo (SiO2), langatato (La3Ga5.5Ta0.5O14) e langasite (La3Ga5SiO14) através da otimização da orientação cristalina. Uma técnica experimental dinâmica de lock-in para a medição da impedância e efeito ME direto é exposta. O formalismo descritivo desta técnica, assim como um arranjo experimental desenvolvido para o efeito são apresentados. O esquema e características deste, assim como diferentes formas de reduzir o ruído e a indesejável indução mútua são exploradas. Um estudo comparativo do efeito ME direto em compósitos tri-camadas de Metglas e monocristais de LNO e PMN-PT conectados de forma simples é exposto. Embora o PMN-PT possua piezocoeficientes de carga muito superiores aos do LNO, o coeficiente ME direto de tensão demonstrou-se comparável entre ambos os compósitos devido a uma muito menor permitividade dielétrica do LNO. Cálculos teóricos indicam aínda que as propriedades MEs poderão ser significativamente melhoradas (até 500 V/(cm.Oe)) através da otimização do ângulo de corte do LNO, espessura relativa entre camadas ferroelétrica/ferromagnética e uma melhor colagem entre o Metglas e o LNO. Vantagens da utilização do material ferroelétrico LNO em compósitos MEs são discutidas. Num estudo subsequente, as propriedades dinâmicas anisotrópicas de impedância e MEs em compósitos tri-camadas de Metglas e monocristais PEs sem chumbo de LNO e GPO são exploradas. Medições foram realizadas em função do corte de cristal, magnitude e orientação do campo magnético de polarização e frequência do campo de modulação. Coeficientes MEs altamente intensos em certos modos de ressonância são explorados, e a sua relação com as propriedades materiais dos cristais e geometria dos compósitos é investigada. Um coeficiente ME de até 249 V/(cm.Oe) foi aqui observado num compósito com um cristal de LNO com corte 41ºY a 323.1 kHz. Mostramos assim que compósitos multicamadas contendo cristais sem chumbo de LNO e GPO podem exibir efeitos MEs anisotrópicos relativamente elevados. Demonstramos também que o controlo da orientação dos cristais PEs pode em princípio ser usado na obtenção de propriedades MEs anisotrópicas desejáveis para qualquer aplicação. Características únicas como elevada estabilidade química, piezoeletricidade linear e robusteza térmica abrem verdadeiras perspetivas para a utilização de compósitos baseados no LNO e GPO em diversas aplicações. Eventualmente, compósitos bi-camadas contendo lâminas PEs com bidomínios de LNO com corte 127ºY foram estudados tanto teoricamente como experimentalmente. Estas lâminas de LNO possuem uma estrutura de bidomínios com vetores de polarização espontânea opostos ao longo da direção da sua espessura (i.e. uma estrutura de macrodomínios ferroelétricos “head-to-head” ou “tail-to-tail”) Medições de impedância, efeito ME e densidade de ruido magnético equivalente foram realizadas nos compósitos operando sob condições quasi-estáticas e de ressonância. Coeficientes MEs de até 578 V/(cm.Oe) foram obtidos a ca. 30 kHz sob ressonâncias de dobramento usando cristais PEs com 0.5 mm de espessura. Medições de densidade de ruído magnético equivalente demosntraram valores de até 153 pT/Hz1/2 a 1 kHz (modo quasi-estático) e 524 fT/Hz1/2 sob condições de ressonância. É de esperar que uma otimização adicional das técnicas de fabrico, geometria dos compósitos e circuitos de detenção possa permitir reduzir estes valores até pelo menos 10 pT/Hz1/2 e 250 fT/Hz1/2, respetivamente, e a frequência de ressonância em pelo menos duas ordens de grandeza. Estes sistemas poderão assim no futuro ser usados em sensores vetoriais de campo magnético simples e sensíveis, passivos e estáveis e operáveis a elevadas temperaturas.

This work presents a theoretical and experimental study of the anisotropic magnetoelectric (ME) properties of differently structured composites featuring piezoelectric (PE) single-crystals, mainly lead-free, for diverse multifunctional applications. A linear description of the ME effects in terms of electric, magnetic and elastic fields and material constants is offered. An averaging quasi-static phenomenological model is used to illustrate the relation between the material constants, their anisotropy and the transversal direct ME voltage and charge coefficients. Subsequently, the aforementioned model is employed in the calculation of the maximum expected direct ME voltage coefficient for a series of tri-layered Metglas/Piezocrystal/Metglas composites as a function of the PE crystal orientation. The ME effects are shown to be strongly dependent on the crystal orientation, which supports the possibility of inducing large ME voltage coefficients in composites comprising lead-free PE single crystals such as lithium niobate (LiNbO3; LNO), lithium tantalate LiTaO3, gallium phosphate (GaPO4; GPO), quartz (SiO2), langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14) and langasite (La3Ga5SiO14) through the optimization of the crystal orientation. An experimental dynamic lock-in technique for the measurement of the impedance and direct ME effect is presented. The formalism describing this technique and an implemented custom-made setup are introduced. The scheme and characteristics of the latter as well as ways to reduce the noise and the undesirable mutual induction are explored. A comparative study of the direct ME effect in simply bonded tri-layered laminates of Metglas and LNO and PMN-PT crystals is exposed. Though PMN-PT has much larger charge piezocoefficients than LNO, the direct magnetoelectric voltage coefficient is found to be comparable in both trilayers due to the much lower dielectric permittivity of LNO. Calculations show that the ME properties can be significantly improved (up to 500 V/(cm·Oe)) via an optimization of the cut angle of LNO, relative thickness ratio of the ferroelectric/ferromagnetic layers and a better bonding between Metglas and LNO. Advantages of using the LNO ferroelectric in ME composites are discussed. In a subsequent study, the dynamic impedance and ME anisotropic properties of tri-layered composites of Metglas and single-crystalline lead-free PE of LNO and GPO are explored. Measurements have been performed as a function of the crystal-cut, magnitude and orientation of the magnetic bias field and frequency of the modulated field. Greatly enhanced ME coefficients in certain resonance modes are explored, and their relation to the material properties of the crystals and the geometry of the composites is investigated. The largest ME coefficient of up to 249 V/(cm·Oe) was observed for a composite with a 41ºY-cut LNO crystal at 323.1 kHz. We thus show that multilayers comprising lead-free LNO and GPO crystals can exhibit relatively large anisotropic ME effects. We also demonstrate that the control of the PE crystal’s orientation can in principle be used to obtain almost any desired quasi-static and resonant anisotropic ME properties for any given application. Such unique features as chemical stability, linear piezoelectricity and thermal robustness open up a real perspective of using lead-free LNO and GPO based ME tri-layers in various applications. Eventually, bi-layered composites comprising PE bidomain plates of 127ºY-cut LNO were studied both theoretically and experimentally. The LNO plates possessed an engineered bidomain structure with opposite spontaneous polarization vectors along the thickness direction (i.e. a “head-to-head” or “tail-to-tail” ferroelectric macrodomain structure). Impedance, ME effect and equivalent magnetic noise density measurements have been performed on the composites operating under quasi-static and resonant conditions. ME coefficients of up to 578 V/(cm·Oe) were obtained at ca. 30 kHz at the bending resonance using 0.5 mm thick piezoelectric crystals. Equivalent magnetic noise density measurements yielded values down to 153 pT/Hz1/2 at 1 kHz (quasi-static mode) and 524 fT/Hz1/2 under resonant conditions. A further optimization of the fabrication techniques, laminate geometry and detection circuit is expected to allow reducing these values down to at least 10 pT/Hz1/2 and 250 fT/Hz1/2, respectively, and the resonance frequency by at least two orders of magnitude. Such systems may in future thus find use in simple and sensitive, passive and stable, low-frequency and high-temperature vector magnetic field sensors.