层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应.pdf

物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．10(2011)107702

层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应*

王巍罗小彬杨丽洁张宁

(南京师范大学物理科学与技术学院，磁电子学实验室，南京210046)
(2010年12月17日收到;2011年1月20日收到修改稿)

对三明治复合结构(，)的电容与频率及磁场的函数关系进行了实验
TbxDy1－xFe2－y/PbZrTiO3/TbxDy1－xFe2－y
和理论研究．实验发现，该复合材料样品的电容随频率的增加而出现多个谐振峰，并且其谐振点随磁场的增加而
发生频移．在谐振点附近，观察到样品的阻抗随磁场的增加由容抗性转变为感抗性，从而同时观察到巨大的正磁
电容效应和负磁电容效应．由复合材料的弹性力学本构方程出发，对该类样品的电容随频率及磁场的变化进行了
理论模拟．结果显示，模拟曲线与实验结果符合得很好．理论表明该磁致伸缩/压电复合材料的磁电容效应源于磁
场诱变的铁磁相柔顺系数．

关键词:层状复合材料，界面弹性耦合，磁电容效应
PACS:77．65．－j，75．50．Bb，77．84．Dy

C(0)分别为有磁场强度为H和零场下的电容，可
1.引言以计算样品在不同频率下的磁电容，如频率为
187.65kHz时，磁场为1.67kOe时，正磁电容可达
外磁场引起材料电容或介电常数的变化称为23400%，该数值远大于最新报道的1800%的磁电
磁电容效应，磁电容传感器在磁场探测智能滤波容［9］为磁电耦合系数，为激励电场振幅，
、、．χEE0Hdc
［1—3］
磁存储中具有重要应用价值．迄今，关于磁电为偏置磁场强度．(1)式表明，在一定的偏置磁场
容效应的物理起源有两种观点:1)由于铁电相和铁下，磁电耦合系数与磁电容系数成正比，那么具有
［4—8］，)
磁相的磁电耦合产生的磁电容效应2由磁电强磁电耦合性能的材料应同样具有强磁电容效应．
阻诱导的MAxwell-WAgner效应产生的磁电容效但是，已有的实验结果显示具有大的磁电耦合效应
［9—11］
应人们对由这两种起源引起的磁电容效应进［6，12］
．的磁电复合材料，其磁电容效应并不明显．这
行了大量研究，例如，尖晶石结构的锰锌铁氧体，在
是因为影响磁电耦合的因素不仅与铁电、铁磁之间
()磁场下，谐振频率
3.5kOe1Oe=79.5775A/m7的耦合有关，激励信号的频率也是重要的因素．层
，室温磁电容可达［9］压电陶瓷
MHz1800%.BATiO3状复合磁电材料研究表明，在铁电和铁磁复合材料
和具有磁致伸缩性的纳米颗粒复合材料的室温
Ni的谐振频率处的磁电电压远大于非谐振频率处的
磁电容在磁场下可达，在磁场下
2kOe10%5kOe磁电电压［15，16］，文玉梅等对层状复合结构的磁电响
［6，12］
可达300%．［］
应频率特性理论和实验研究也证明这一点17．并
最近，JAng和FinA等分别从理论和实验对多铁
且，铁电材料的电容或介电常数与信号频率有关．
性材料的常温磁电耦合系数与其磁(介电)电容系
所以研究磁电复合材料的磁电容效应在考虑其具
数之间的关系进行了研究，发现两者之间存在关
有大的磁电耦合系数的同时，其谐振频率也是决定
系式［13，14］
其磁电容效应的关键因素．
χE，()
CM=()Hdc1本文报道了由铽镝铁(
TbxDy1－xFe2－yTerfenol-
E0
)和锆钛酸铅(，)()构成的三明治复
C(H)－C(0)DPbZrTiO3PZT
其中，C=为磁电容系数，C(H)及
MC(0)合结构在其谐振频率处室温巨磁电容效应及磁场

*国家自然科学基金(批准号:50977046)资助的课题．
通讯联系人．E-mAil:[e-mail]

2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb．iphy．ac．cn
107702-1
物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．10(2011)107702

诱导的谐振频移其中是层合材料沿方向的位移，—p(
．uxxρ=nρ+1－
n)mρ是层合材料的平均质量密度，n压电相的体积
复合材料电容()的理论模型分数，p和m分别是压电相和磁致伸缩相的质量
2.Cbρρ
密度由方程()和()，将解出的p和m代入
．25T1T1
u
2.1.磁致伸缩/压电双层复合材料的电容方程(7)，利用pS=mS=x，运动方程可写成
11x
层状磁电复合材料之间的耦合是应力应变的2u2u
-x2x，()
2=v28
耦合，三层复合结构如图1所示．tx
其中，v是复合材料的声速，
n1－n
v=()+/ρ，
msBEs
槡1111
由于()是按简谐规律变化，()(
uxtuxt=A