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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Magnetoelectric Materials Magnetoelectric Materials J. Matutes-Aquino, D. Bueno-Baqués, M.E. Botello-Zubiate Second Meeting of High Field Alfa Network INSA Toulouse, 24-25 july 2003 www.cimav.edu.mx

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Page 1: J. Matutes-Aquino, D. Bueno-Baqués, M.E. Botello-Zubiate ... · AMPLIFICADOR LOCK-IN El amplificador Lock-in excita un experimento con una señal: AR =AR0sen(ωEt+θREF) AE =AE0sen(ωEt+θE)

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Magnetoelectric MaterialsMagnetoelectric Materials

J. Matutes-Aquino, D. Bueno-Baqués, M.E. Botello-ZubiateSecond Meeting of High Field Alfa Network

INSA Toulouse, 24-25 july 2003

www.cimav.edu.mx

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WHAT ARE MAGNETOELECTRIC MATERIALS?

The magnetoelectric materials, when properly poled and magnetized, produce a electric field when applying a magnetic field, or change their magnetic properties when applying a electric field.

The magnetoelectric materials can be either single-phase or composites.

In the single phase materials the magnetic coupling occurs within the atomic structure of the single phase (Bi5Ti3Fe1O15).

The composites are formed by a piezoelectric (BaTiO3, PZT) phase and a magnetostrictive phase (CoFe2O4). The coupling between both phases is through the mechanical strains. Their microstructure and magnetoelectric properties are greatly determined by the phases proportions, the particle mean size andshape, the particle size distribution and the sinterization temperature.

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POTENCIAL APPLICATIONS OF MAGNETOELECTRIC MATERIALS

•Multiple-state memory elements

•Electric-field-controlled ferromagnetic resonance devices

•Transducer with magnetically-modulated piezoelectricity.

•The ability to couple with either the magnetic or the electric polarization offers an extra degree of freedom in the design of conventional actuators, transducer and store devices.

J. Phys.Chem. B 104(2000)6694-6709

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X - BY WIRE (X steering, braking,…)

DELPHI vs VISTEON

Hydraulic steering requires constant pressurization of fluid. Substitution by electric motors will bring fuel economy of 5 – 10 %.

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THE MAIN CHALLENGE IS TO INCREASE THE OUTPUT VOLTAGE

MagnetostrictiveDisks

PiezoelectricMaterial Disk

Magnetic Field and Bias Poling Direction

)./(2 3131 OecmVhg

thV

dHdE

ac

E

pac

out σ==

PMN-PT (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) single crystals <001>

Terfenol-D

Magnetoelectric voltage coefficient dE/dH=10.30V/cm.Oe

80 times higher than previous composites!

J. Korean Ceramic Society 39, 9(2002)813-817

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MAGNETOELECTRIC EFFECT MEASUREMENT SYSTEM

V

H

AGILENT 6672A DC POWER AMPLIFIER AE TECHERON 5050

LINEAR AMPLIFIERHP34401A MULTIMETER

WALKER SCIENTIFIC INC GAUSSMETER MG-3DP

LOCK IN AMPLIFIER MODEL SR830

DIFFERENTIAL INPUT, FLOATING

EARTHHALL CELL PROBE

PCELECTROIMAN

HELMHOLTZCOIL

SAMPLE

rnih 899.0

0 =

Bulletin of Materials Science 3(1998)251-255

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MAGNETOELECTRIC EFFECT MEASUREMENT SYSTEM

V

H

AGILENT 6672A DC POWER AMPLIFIER AE TECHERON 5050

LINEAR AMPLIFIERHP34401A MULTIMETER

WALKER SCIENTIFIC INC GAUSSMETER MG-3DP

LOCK IN AMPLIFIER MODEL SR830

DIFFERENTIAL INPUT, FLOATING

EARTHHALL CELL PROBE

PCELECTROIMAN

HELMHOLTZCOIL

SAMPLE

rnih 899.0

0 =

The AC field do not allow the chargesaccumulated at grain boundariesto move towards the electrodes

Bulletin of Materials Science 3(1998)251-255

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MAGNETOELECTRIC EFFECT MEASUREMENT SYSTEM

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MAGNETOELECTRIC EFFECT: THEORY OF MEASUREMENT

Expanding in Taylor series about zero total magnetic field:( )HfV =

In a magnetoelectric material you obtain a voltage when you apply a magnetic field. In general you have a non-linear dependence

nn

n

nH

dHVd

nV ∑

=

=0 !

1

( ) ...241

61

21 4

4

43

3

32

2

2

00

+++++==

=H

dHVdH

dHVdH

dHVdH

dHdVHVV

HH

.... 432 +++++= HHHHConstV δγβαWhere:

0=

=HdH

dVα( )0

.=

=H

HVConst 4

4

241dHVd

=δ3

3

61dHVd

=γ2

2

21dHVd

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MAGNETOELECTRIC EFFECT: THEORY OF MEASUREMENT

The total applied magnetic field, H, is the sum of the constant magnetic field , Ho, produced by the electromagnet plus a small amplitude sinusoidal magnetic field, hosenωt, produced by a pair of Helmholtz coils:

tsenhHH ω00 +=( ) ( )

( ) ( ) ...

.4

003

00

20000

+++++

+++++=

tsenhHtsenhH

tsenhHtsenhHConstV

ωδωγ

ωβωα

([)

( )( )( )( )( ]th

tsenHhhtHhHhhh

tsenHhHhHhHhhhHHHhHHh

HhhConstV

ωδ

ωδγ

ωδγδβ

ωδγδβγα

δγδβγ

αδβ

4cos

382

2cos241244

3224241668

8824812

834.81

40

030

30

20

200

20

40

20

300

2000

3000

300

40

30

20

20

200

20

040

20

+

−−+

−−−−+

++++++

+++++

+++=

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MAGNETOELECTRIC EFFECT: THEORY OF MEASUREMENT

The lock-in amplifier output voltage, Vout , is:

=

00 dHdVhVout

( )30

2000 432 HHHhVout δγβα +++=

000

1dHdV

ddhV

dHdE out ==

0

( )300

2000

3000

300 3224241668

81 HhHhHhHhhhVout δγδβγα +++++=

+

+

+

+

+

=

Hh

Hh

HHh

Hh

HHh

HHh

HHVout 0

0

0

0

3

0

0

0

02

3

0

0

00

030

40 3224241668

8δγδβγα

+

+

+

=

0

0

0

0

00

02

0

030

40 3224168

8 Hh

Hh

HHh

HHh

HHVout δγβα

0H10 < H

hNeglecting higher order terms in when :

0h

d is the thickness of sample

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SAMPLE PREPARATION

Barium titanate is a piezoelectric material bellow the Tc=130°C. It has a centrosymmetric perovskite cubic structure above TC and a tetragonal non-centrosymmetric bellow TC.The longitudinal strain piezoelectric coefficient is 1.9x10-8

cm/V.

Cobalt ferrite is a magnetostrictive material bellow TC=520°C. It has a spinel cubic structure. The magnetostriction constant is λ=∆l/l=-110.10-6

The powders of BaTiO3 and CoFe2O4 were mixed in different proportions and pressed in disk shape 1.2 cm in diameter and 0.12 in thickness. The disk samples were sinterized, electrically poled at 150°C during 1 hour in a electric field of17kV/cm and magnetized with a 16 kOe magnetic field. The disk faces were silvered for ohmic contacts.

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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

(dE/dH0)=0.4-2.0 mV/cm.Oe

h0= 0.38 Oe

75% BaTiO325% CoFe2O4

25% BaTiO375% CoFe2O4

50% BaTiO350% CoFe2O4

dE/d

H0 (

mV

/cm

.Oe)

Applied Field H0 (Oe)

EXPERIMENTAL MEASUREMENT

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DYNAMIC MAGNETOELECTRIC EFFECT MEASUREMENT

1 µm

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

4

5

6

7

elec

tric

field

(mV/

cm.O

e)

DC magnetic field (Oe)

Bi5FeTi3O15 (n = 4)

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INTERMETALLIC COMPOUND YCo5

0

40

80

120

0 2 4 6 80.0

0.5

1.0

1.5

2.0

σ s (e

mu/

g)

YCo5

iHc

(kO

e)

milling time (h)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

YCo5

Spe

cific

mag

netiz

atio

n (e

mu/

g)

Applied magnetic field (kOe)

800°C 3 min 12 nmiHiHcc=7.23 =7.23 kOekOe. . σσss//σσrr=0.75=0.75

Ciclo menor de histéresis

Proceedings of the International Workshop, 17th, Newark, DE, United States, Aug. 18-22, 2002 (2002), 877-884.

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THANK FOR YOUR ATTENTIONTHANK FOR YOUR ATTENTION

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AMPLIFICADOR LOCK-IN

El amplificador Lock-in excita un experimento con una señal:( )REFERR tsenAA θω += 0

( )EEEE tsenAA θω += 0

El experimento responde con una señal :

Además, el amplificador Lock-in genera internamente las señales:( )LLLL tsenAA θω += 01

++=

202πθω LLLL tsenAA

El amplificador Lock-in hace multiplicaciones:

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]LELEEL

LELEEL

LE tAAtAAAAX θθωωθθωω +++−−+−=•=′ cos2

cos2

00001

( ) ( )

++++−

−−+−=•=′

2cos

22cos

20000

2πθθωωπθθωω LELE

ELLELE

ELLE tAAtAAAAY

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AMPLIFICADOR LOCK-IN

El amplificador Lock-in tiene un filtro pasa bajo y solo deja pasar la componente continua:

( )[ ] ( ) ( )[ ]LEEL

LEEL ttAAAAX θθωθθ ++−−=′ 2cos

2cos

20000

( )[ ] ( )

+++−−=′

22cos

220000 πθθωθθ LEEL

LEEL tAAsenAAY

Cuando ωE=ωL=ω:

( )[ ]LEEL senAAY θθ −=′

200( )[ ]LE

EL AAX θθ −=′ cos2

00

( )[ ]LEEL

senAAYY θθ −=′

= 00

2( )[ ]LEEL

AAXX θθ −=′

= cos20

0

022

EAYXR =+=

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TEORIA DE MEDICION DEL EFECTO MAGNETOELECTRICO

nn

n

nH

dHVd

nV ∑

=

=0 !

1( )HfV =

( ) ...241

61

21 4

4

43

3

32

2

2

00

+++++==

=H

dHVdH

dHVdH

dHVdH

dHdVHVV

HH

.... +++++= HHHHConstV δγβα 432

0=

=HdH

dVα2

2

21dHVd

=β3

3

61dHVd

=γ 4

4

241dHVd

=δ( )0

.=

=H

HVConst

tsenhHH ω00 +=

( ) ( )( ) ( ) ...

.4

003

00

20000

+++++

+++++=

tsenhHtsenhH

tsenhHtsenhHConstV

ωδωγ

ωβωα

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([)

( )( )( )( )( ]th

tsenHhhtHhHhhh

tsenHhHhHhHhhhHHHhHHh

HhhConstV

ωδ

ωδγ

ωδγδβ

ωδγδβγα

δγδβγ

αδβ

4cos

382

2cos241244

3224241668

8824812

834.81

40

030

30

20

200

20

40

20

300

2000

3000

300

40

30

20

20

200

20

040

20

+

−−+

−−−−+

++++++

+++++

+++=

( )[ ]tsenHhHhHhHhhh ωδγδβγα 300

2000

3000

300 3224241668

81

+++++

TEORIA DE MEDICION DEL EFECTO MAGNETOELECTRICO

El amplificador Lock-in solo deja pasar la amplitud del armónico senωt:

+

+

+

+

+

tsen

HhH

Hh

HhH

Hh

HHh

Hh

HH ωδγδβγα

0

00

0

0

3

0

00

0

0

0

3

0

0

0

020

30 3224241668

8

( ) tsendHdVhtsenHHHh ωωδγβα

00

30

2000 432 =+++

00 dHdVhV inLock =− ∫ −= 0

0

1 dHVh

V inLock

0Si , entonces:10 <

Hh

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Materiales compuestos magnetoeléctricos

Están formados por un material piezoeléctrico y un material magnetoestrictivo

Cuando se aplica un campo magnético las partículas del material magnetoestrictivo sufren una deformación que se transmite a las partículas del material piezoeléctrico variando su polarización eléctrica.

La proporción de los dos materiales, el tamaño medio de las partículas, la distribución de tamaños, la forma de las partículas, la temperatura de sinterización determinan en gran medida la microestructura y sus propiedades magnetoeléctricas.

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Materiales compuestos magnetoeléctricos

Titanato de bario, BaTiO3, con estructura perovskita cúbica por encima de su temperatura de Curie de 130°C y tetragonal por debajo de esta temperatura. Un coeficiente piezoeléctrico de deformación longitudinal 1.9x10-8 cm/V.

Ferrita de cobalto, CoFe2O4, con una estructura cúbica espinela. Ferrimagnética por debajo por su temperatura de Curie de 520°C. Una constante magnetoestrictiva

Muestras sinterizadas en forma de discos con un diámetro de 1.2 cm y un espesor de 0.12 cm.

Se polarizaron durante 1 hora a 150°C con 17 kV/cm perpendicular a la cara del disco. Se magnetizaron en la misma dirección con 6 kOe (0.6 Tesla). Se platearon las cara para los contactos óhmicos.

610110 −•−=∆=ll

lpolicristaλ

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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

-2.0

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4h0= 0.38 Oe

75% BaTiO325% CoFe2O4

25% BaTiO375% CoFe2O4

50% BaTiO350% CoFe2O4

dE/d

H0 (

mV

/cm

.Oe)

Applied Field H0 (Oe)

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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

75%BaTiO3-25%CoFe2O4

50%BaTiO3-50%CoFe2O4

25%BaTiO3-75%CoFe2O4

E (m

V/cm

)

H (Oe)