多体磁电复合材料及其应用

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电子技术的进步直接加上了材料科学的进步。在今天可用的广泛材料中，功能材料为开发新型部件和器件提供独特的机会，因为它们的物理和化学性质对环境中的变化敏感，如温度，压力，电场，磁场等，等等。为了举例说明，目前在各种系统中使用铁磁性和铁电材料。铁磁和铁电材料的组合提供了一类新的功能材料，称为磁电。磁电效应可以通过各种其他组合甚至单相材料获得。这一特殊问题的重点是对磁电（ME）多用力复合材料，合成及其在一些新颖的设备架构中的应用的基础知识。

ME效应可以定义为在外加磁场下诱导材料的电极化，或者反之，通过外加电场诱导材料的磁化。这种效应首先在反铁磁Cr中观察到₂O_3.在室温下，ME电压系数为20 mV/cmOe的量级。将磁致伸缩效应与压电效应相结合，可制成磁电复合材料。在这些复合材料中，ME系数依赖于压电相与磁致伸缩相界面的弹性耦合。与Cr相比，这些磁致伸缩压电复合材料的ME效应显著增强₂O_3.．2-2复合材料是二维层合的，3-0复合材料是颗粒分散在三维基体中的，3-1复合材料是嵌入在三维基体结构中的一维棒。与单相材料或颗粒复合材料相比，具有2-2连通性的磁致伸缩压电层压复合材料表现出更高的ME系数。在这一期中，我们提供了详细的数学建模方法，可以用来描述磁致伸缩压电复合材料中电磁耦合的动态行为，展示了基于这些模型的实用换能器结构，并讨论了新的应用。

微波器件的小型化对于通信系统很重要。需要小型和高性能设备，以降低成本并提高系统功能。需要频率可调设备，例如微波和毫米波频率制度中的谐振器，移相器，延迟线和滤波器。铁氧体用于可调谐微波和毫米波装置，传统上通过偏压磁场的变化来实现可调性。可以在非常宽的频率范围内实现该磁调，但相对缓慢而嘈杂，并且需要高功率进行操作。通过用铁氧体 - 铁电复合材料更换铁氧体，可以实现类似的装置但具有一些独特的优点。本问题提供的结构和模型可用于开发不仅降低成本而且还提高性能和应用程序制度的组件。

磁致伸缩压电层合板的磁致伸缩系数的解析表达式大多是在电场、磁场和弹性场均质性的假设下，采用结构面整体意义上的机械应力边界条件推导出来的。这是由于忽略了上述物理场的真实边界条件而导致的。然而，本问题中描述的方法将允许计算ME系数更准确。新模型考虑了磁致伸缩层和压电层由于键合而处于应力状态的事实。应力状态引起了许多物理性质的变化，特别是由立方体对称的铁磁镍构成的磁致伸缩层的磁性和磁致伸缩特性可能发生明显的变化。本文提供的数值模拟将导致一个稳健的，物理上合理的，准确的建模技术。这些新方法能够解决各种不同几何形状、材料和加载配置的ME层压板设计。

在该问题中讨论了改善烧结复合材料的磁电系数的方法，以及具有宽范围系统的详细的组成微结构性关系。新材料常数的作用讨论了可用于调整压电电压常数大小的方法。根据提出的模型，作为数量级向统一递减的幅度有巨大的增强可以得到常数。本文给出的实验数据符合这一预测。阐述了基体晶粒尺寸对颗粒复合材料磁电系数的影响。在某一临界粒径下，压电电荷常数、介电常数和压电电压常数迅速下降。本文报告了磁致伸缩与压电厚度比、磁场取向、多层及织构等方面的优化研究，并提供了实验结果，为材料设计者开发更好的复合材料提供了帮助。进一步阐述了纳米结构在核壳复合材料中的作用。我们相信这些研究捕捉了许多重要的方面的磁电复合材料设计使用烧结方法。

已经调查了ME材料，以便在传感器，传感器，执行器，能量收割机和伺服机构中找到应用。对ME层压板上的实验和分析结果表明了ME输出电压相对较大，但是在最佳DC偏压下发生的ME系数中的峰值通常是尖锐的。当优化的DC条件被外部噪声移位时，这限制了它们用于交流磁场感测的能力。此外，高ME系数通常在机电谐振（EMR）频率附近发生。这种窄带宽也会在有限频率范围内稳定感测的问题。为了克服与层压板相关的有限DC和AC磁场范围的问题，该问题中的一个纸张描述了新的换能器结构，其可能导致平坦的ME反应作为直流磁场和交流磁场频率的函数。研究了各种结构和几何参数以了解ME系数的施加直流磁偏差的变化。通过控制层压尺寸，磁致伸缩层数和梯度几何形状，发现了ME系数中的整体变形和峰值位置之间的相关性。通过设计尺寸梯度的双压电孔结构并与层压配置组合来证明具有近平扁平的广泛/宽带的行为。我们预计这些结果对于努力开发目前探头，磁场感应和我的能源收割机的应用工程师将是有用的。

正在制造许多努力来制造“先进记忆”，该“先进记忆”是同时的非易失性，密集，鲁棒，快速，较低的能量。由于其具有残余极化（磁化）的可切换偏振（磁化）状态，铁电或Fe（铁磁或FM）材料已经通过允许在其两种极化（磁化）状态下的二进制信息存储二进制信息来证明它们在数据存储行业中的重要性．在市售的磁存储器件（MRAM）中，通过切换磁态来写入数据（m）在施加磁场时，在读取数据的同时，一个利用磁态中的磁阻的变化。作为硬质铁磁，MRAM中的材料具有高矫顽力，导致切换磁力状态的大磁场要求，从而消耗大量的能量。相反，铁电存储器（Ferams）通过偏振切换具有更快的书写速度，并且节能。但是，由于其破坏性读取操作和后续复位，它们的大小有限制，并且由于其破坏性读取操作和随后的复位而表现出慢的读取速度。因此，具有Ferams和MRAM的最佳功能组合的存储器件（铁电写和磁读取操作）将有效地提高写入速度并降低能量消耗。此外，装置小型化可以进一步导致能量消耗降低和更高的速度。遗憾的是，通过仅存在两个可切换状态，MRAM / FERAM中的钻头密度的任何进一步改善在FM / FE材料中受到阻碍。从这种角度来看，多体性和磁电材料在许多折叠中提高了数据密度的新可能性，从而铺设了朝向下一代存储器件的制造的机会。多体子和磁电可以独立地利用Ferams和MRAM的功能，以存储二进制数据。此外，电气之间的耦合 - （P)和磁- (M）这些材料中的订单参数提供了具有额外功能的可能性，例如电气化（磁化）控制（偏振），从而设计具有电气写入和非破坏性磁读取操作的未来派多态存储器件。在本问题中，提出了一种详细的审查，涵盖了可用于设计用于存储器件的高密度和高效的非易失性存储器元件的多二二异形和磁电材料。还讨论了关于设备制造方法的材料选择过程以解决兼容性问题。我们相信这一主题将不断重要，需要解决限制更好回忆的基本问题。

所有这些主题组合提供了磁电多体材料最重要的方面的优异覆盖，这将引导读者更好地了解这种现象，并导致设计和开发更好的部件和设备。最终，我们对此问题的目标是充当促进磁电多体材料转变为实用装置的促进者。

Mirza Bichurin
弗拉基米尔·彼得罗夫
Shashank Priya.
Amar Bhalla.

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