Titelaufnahme

Titel
Physics of magnetoelectric composites / Van-Duong Giap
VerfasserGiap, Van-Duong
Begutachter / BegutachterinGrössinger, Roland
Erschienen2006
Umfang205 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2006
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Magnetoelektrischer Effekt / Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe / Magnetostriktion / Piezoelektrizität / Magnetoelektrische Kopplung / CoFe2O4 / BaTiO3
Schlagwörter (EN)Magnetoelectric effect / Magnetoelectric composites / Magnetostriction / Piezoelectricity / CoFe2O4 / BaTiO3
Schlagwörter (GND)Verbundwerkstoff / Cobaltoxide / Eisenoxide / Bariumoxid / Titanoxide / Magnetoelastischer Effekt / Physikalische Eigenschaft
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-19790 Persistent Identifier (URN)
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Physics of magnetoelectric composites [7.34 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe zwischen dem magnetischen CoFe2O4 und dem piezoelektrischen BaTiO3 wurden mittels verschiedener chemischer Methoden hergestellt. Der CoFe2O4-BaTiO3 Verbundwerkstoff wurde gewählt um eine Substanz mit einem vernünftigen magnetoelektrischen Koeffizienten (ME) bei Raumtemperatur zu entwickeln.

Mit dieser Arbeit soll das Verständnis der magnetoelektrischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe verbessert werden. Durch die Verwendung verschiedener Herstellungsmethoden sollen neue Verbundstrukturen hergestellt werden, mit dem Ziel eine bessere Kopplung zwischen den Komponenten zu erhalten. Mittels nasschemischer Methoden wurden verschiedene Arten von nanokrystallinem CoFe2O4, Zn substituierten Co-Ferrit und CoFe2O4-BaTiO3 Verbundwerkstoff hergestellt. Alle Proben wurden sowohl strukturell charakterisiert (Röntgen Diffraktometrie), als auch in Bezug auf die magnetischen Eigenschaften (Magnetisierung, Magnetostriktion) untersucht. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit war zu einem tieferen Verständnis der für den ME Effekt verantwortlichen Mechanismen in derartigen Verbundwerkstoffen zu kommen. Außerdem soll durch eine Reduktion der Korngröße der Komponenten in den Nanometerbereich untersucht werden, ob es möglicherweise eine direkte Kopplung zwischen den magnetischen und elektrischen Komponenten (Domänen) gibt.

Um den magnetoelektrischen Effekt der Verbundwerkstoffe zu untersuchen, wurden verschiedenen Meßmethoden entwickelt und verglichen. Es wurden speziell zwei Meßsysteme verwendet um den ME Effekt zu untersuchen: i) die sogenannte Lock-in Methode welche ein Wechelstromverfahren darstellt und ii) die Puls-Feld-Methode, welche den gesamtem magnetoelektrischen Effekt zu messen gestattet. Es wird gezeigt, dass das nasschemische Verfahren eine sehr wirkungsvolle Methode zur Herstellung qualitativ hochwertigen nanokrystallinen CoFe2O4 mit einer mittleren Korngröße von 3-40 nm darstellt. Diese Proben haben dann sehr gute magnetische Eigenschaften die nahe bei denen von grobkristallinen Material liegen. Solche nanokrystalline Ferrite können in der Herstellung nicht nur als Startmaterial für den ME Verbundwerkstoff CoFe2O4-BaTiO3 verwendet werden, sondern auch für viele andere Anwendungen wie z.B.: als Ferroflüssigkeiten, magnetische Arzneimittelträger, usw. Die nasschemische Methode erlaubt die Herstellung des ME Verbundwerkstoffes CoFe2O4-BaTiO3 in einer "Kern-Schalen" Mikrostruktur. Diese Art von Mikrostruktur ist neu und es wird gezeigt, dass man damit eine bessere Kopplung zwischen der magnetostriktiven und der piezoelektrischen Komponente erzielt. Man erhält einen ME Koeffizient der fast 18 mal höher ist als der von gewöhnlich gemischten Verbundwerkstoffen. Die Mikrostruktur wird durch das verwendete Herstellungsverfahren festgelegt und bestimmt in entscheidender Weise die ME Eigenschaften des Verbundwerkstoffes. Es wurde festgestellt, dass der ME Koeffizient proportional zu einem "Effektivitätsfaktor" k0 bzw. einem Kopplungskoeffizient k ist, welcher definiert durch k=λ.∂λ/∂H ist, wobei λ die lineare Magnetostriktion darstellt. Dies ist unterschiedlich zu dem bisherigen Verständnis, dass der ME Koeffizient eines Verbundwerkstoffes gerade proportional zu einem piezomagnetischen Kopplungsfaktor q=dλ/dH ist. Es wurde festgestellt, dass der Lade- und Entladevorgang, welcher gleichzeitig während der Messung abläuft, wesentlich den gemessenen Wert des magnetoelektrischen Koeffizienten bestimmt, abhängig auch von der verwendeten Zeitskala (Periode des Wechselfeldes, Pulsdauer) des Experimentes. Der mit der Pulsfeldmethode gemessene gesamte ME Koeffizient ist im Allgemeinen größer als jener durch die Lock-In Methode bestimmte Wert. Neben der magneto-mechanischen Kopplung wo die Magnetostriktion von entscheidender Bedeutung ist, wurde auch eine "direkte" Kopplung zwischen den magnetischen und elektrischen Domänen gefunden. Es müssen aber sicher noch mehr Experimente durchgeführt werden um die genaue Natur dieser neuen Form der Kopplung in Verbundwerkstoffen voll zu verstehen.

Zusammenfassung (Englisch)

Magnetoelectric composites between the magnetic CoFe2O4 and the piezoelectric BaTiO3 were produced using a variety of chemical methods.

CoFe2O4-BaTiO3 composites were chosen in order to obtain a composite with a reasonable magnetoelectric coefficient at room temperature.

Within this work the understanding of the magnetoelectric (ME) properties of these composites shall be improved. Using different preparation methods, new composite structures could be produced with the aim to achieve a better coupling between the constituents. Various kind of nanocrystalline CoFe2O4, Zn substituted Co-ferrites and CoFe2O4-BaTiO3, Co0.7Zn0.3Fe2O4-BaTiO3 composites have been synthesized, mostly by wet chemical methods. All samples were structural characterised (x-ray diffraction) as well as magnetically (magnetization, magnetostriction) investigated. An important aim of this work is to come to an understanding of the responsible driving mechanism which is in charge for the ME effect of such composites and to investigate the possibility of a direct coupling between magnetic and electric components (domains) by reducing the grain size of the constituents to nanoscale. In order to investigate the magnetoelectric effect of the composites different measuring methods were developed and compared. Especially two measuring systems were used to study the ME effect: i) the so-called Lock-in Technique which is an ac-method and ii) the Pulse Field Method, which allows to measure the total magnetoelectric coefficient.

It was shown that the wet chemical method is a powerful tool to synthesize high quality nanocrystalline CoFe2O4 as well as its Zn-substituted derivatives with average grain size of 3-40 nm and very good magnetic properties, which are close to that of bulk material. Such nanocrystalline ferrites can be used not only as initial materials for preparing ferrite-barium titanate ME composites but also for many other applications such as ferrofluids, magnetic drug carriers, etc. This wet chemical method also allows to synthesize ME CoFe2O4-BaTiO3 and Co0.7Zn0.3Fe2O4-BaTiO3 composites in a core-shell structure. This type of microstructure is new and proved to have a better coupling between the magnetostrictive and piezoelectric constituents, resulting in a ME coefficient of almost 18 times higher than that of the conventional mixed composites. The microstructure which is determined by sample preparation procedure is found to affect seriously the ME properties of the composites. The ME coefficient is found to be proportional to an efficiency factor k0 and a coupling coefficient k, defined as k=λ.∂λ/∂H where λ is the linear magnetostriction. This is different from previous knowledge that the ME coefficient of composites is just proportional to the piezomagnetic coupling q=dλ/dH. It was also found that the charging and discharging processes, which occur simultaneously determines the measured value of the magnetoelectric coefficient depending on the time scale (period of ac-field, pulse duration) of the experiment. The total ME coefficient as measured by the Pulse Field Method is generally larger than that obtained by the Lock-in Technique. Besides the mechanical coupling where the magnetostriction is most important, a direct coupling between magnetic and electric domains is evidenced. However, more experiments need to be carried out to characterizer the nature of this new coupling phenomenon.