Zjawisko sprzężenia magnetoelektrycznego w materiałach jednofazowych i kompozytach
Alternative title
The magnetoelectric effect in single-phase and composite materials
Type
Thesis
Subtype
Doctoral thesis
Authors/Creators
Promoter
Jartych, Elżbieta
Additional promoter
Pikula, Tomasz
PBN affiliation
automation, electronics, electrical engineering and space technologies
Date
2024
Abstract PL
Zjawisko magnetoelektryczne (ME) opisuje sprzężenie miedzy uporządkowaniem ferroelektrycznym a magnetycznym materiału. Materiał wystawiony na działanie zewnętrznego pola magnetycznego uległa elektrycznemu spolaryzowaniu (proste zjawisko ME), natomiast zewnętrzne pole elektryczne powoduje zmiany w jego namagnesowaniu (odwrotne zjawisko ME). Sprzężenie ME występuje zarówno w materiałach jednofazowych (tzw. multiferroiki) jak i kompozytach o różnej architekturze połączenia faz. Siłę sprzężenia wyraża liczbowo współczynnik α. Źródło tego zjawiska opisuje m.in. teoria przemian fazowych Landaua.
Materiały wykazujące sprzężenie ME posiadają wiele potencjalnych zastosowań w elektronice/spintronice (np. metody zapisu i przechowywania danych), metrologii (wysokoczułe czujniki pola magnetycznego), energetyce odnawialnej (ogniwa fotowoltaiczne, harvesting energii), czy medycynie (diagnostyka i podawanie leków). Przejście od fazy koncepcyjnej do wdrożeniowej jest utrudnione przez kilka problemów badawczych: (i) większość multiferroików cechuje się słabym sprzężeniem występującym znacznie poniżej temperatury pokojowej, (ii) zjawisko sprzężenia jest nieliniowe i trudno sterowalne, (iii) dostępne metody pomiarowe są często źle użytkowane i podatne na zakłócenia, co prowadzi publikowania niewiarygodnych wyników lub (iv) są zbyt kosztowne do regularnego użytkowania w przeciętnym laboratorium.
Głównym celem niniejszej pracy było utworzenie stanowiska do pomiaru sprzężenia ME w Politechnice Lubelskiej opartego na metodzie dynamicznej (ang. lock-in technique) i pomiar wybranych materiałów magnetoelektrycznych: BTFC, PZT–Terfenol-D, PFN–F, B–F oraz BP–F. Do celów pobocznych należało sprawdzenie wpływu domieszkowania jonami metali przejściowych oraz wybranych metod syntezy na jakość sprzężenia ME. Praca została podzielona na osiem rozdziałów. Rozdział I opisuje postawioną tezę, Rozdziały II–V poświęcono wyjaśnieniu mechanizmów sprzężenia ME i opisowi potencjalnych zastosowań. Rozdział VI przedstawia najważniejsze metody pomiaru sprzężenia ME, w tym metodę dynamiczną. Rozdział VII opisuje w skrócie pozostałe metody użyte w procesie badawczym (dyfraktometria XRD, magnetometria VSM oraz spektroskopia efektu Mössbauera). W Rozdziale VIII przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań i ich interpretację. Praca zakończona jest podsumowaniem oraz listą wniosków. Autor potwierdził ponad wszelką wątpliwość obecność sprzężenia ME w badanych próbkach oraz stwierdził zależność siły sprzężenia od wymienionych wyżej czynników. Udowodniono prawidłowe funkcjonowanie układu pomiarowego zapewniające powtarzalność wyników. Autor przyczynił się do poszerzenia stanu wiedzy o materiałach magnetoelektrycznych przez częściowe opublikowanie wyników swoich badań.
Abstract EN
The magnetoelectric (ME) effect describes the coupling between the ferroelectric and magnetic ordering of a material. A material exposed to an external magnetic field becomes electrically polarized (direct ME effect). On the other hand, an external electric field causes changes in its magnetization (inverse ME effect). The ME coupling occurs in both single-phase materials (i.e., multiferroics) and composites with different connectivity. The coupling strength is expressed numerically by the coupling coefficient α. The source of this phenomenon is described, among others, by Landau's theory of phase transition.
Materials exhibiting ME coupling have many potential applications in electronics/spintronics (e.g., data recording and storage), metrology (high-sensitivity magnetic field sensors), renewable energy (photovoltaic cells, energy harvesting) and medicine (diagnostics and drug delivery methods). The transition from the conceptual to the implementation phase is hampered by several issues: (i) most multiferroics are characterized by weak ME coupling well below room temperature, (ii) the coupling is nonlinear and difficult to control, (iii) the available measurement methods are often poorly implemented and susceptible to noise which leads to numerous publications with unreliable results, (iv) some methods are simply too elaborate or expensive for regular use in an average laboratory.
The main goal of the present work was to create a lock-in technique-based experimental set-up at the Lublin University of Technology to measure the ME coupling strength in selected materials: BTFC, PZT–Terfenol-D, PFN–F, B–F and BP–F. The secondary goals included investigating transition metal ion doping and synthesis method influence on the quality of the ME coupling. The work is divided into eight chapters. Chapter I contains the thesis formulated by the author, Chapters II–V are devoted to description of ME coupling mechanisms and potential applications. Chapter VI presents the most important ME coupling measurement methods, including the lock-in technique. Chapter VII briefly describes the other methods used in the research process (XRD diffractometry, VSM magnetometry and Mössbauer spectroscopy). Chapter VIII contains the results and interpretation of gathered data. Dissertation is summarized and a list of conclusions is provided in the final section. The author confirmed beyond all doubt the presence of the ME coupling in tested samples and described the dependence between the coupling coefficient α and the aforementioned factors. The proper operation of the experimental set-up and its capability of providing repeatable results was demonstrated. The author contributed to the ME effect research field by publishing parts of his findings.
Statistics
6Views Grotel, J. (2024). Zjawisko sprzężenia magnetoelektrycznego w materiałach jednofazowych i kompozytach. https://hdl.handle.net/20.500.14629/18683
Files
Grotel_Jakub_rozprawa doktorsk...
PDF 5.16 MB
Licence
Closed Access
Accessibility issue?Request a WCAG-compliant file
Publication available in collections: