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磁电多铁性复合材料的最新应用研究进展
高材0902 091100117 陈骏
摘要：最近，人们不仅对磁电多铁性复合材料产生了越来越浓厚的兴趣，更对这类材料开展了大量的研究活动，这些研究既有对铁电和磁电之间的耦合方式进行的物理学推导，同时还包括了对新型多功能设备应用潜力的开发，如传感器，换能器，存储器等设备。在这片文章中，我将认真总结最近几年中磁电多铁性复合材料在实际应用中已经取得的几例显著进展。关键字：电磁效应，磁电多铁性复合材料，磁电传感器
RECENT PROGRESS IN MULTIFERROIC MAGNETOELECTRIC COMPOSITES IN APPLICATION
ABSTRACT：Multiferroic magnetoelectric composite systems have recently attracted an ever-increasing interest and provoked a great number of research activities, driven by profound physics from coupling between ferroelectric and magnetic orders, as well as potential applications in novel multifunctional devices, such as sensors, transducers, memories, and so on. In this article, I try to summarize what remarkable progress in multiferroic magnetoelectric composite systems has been achieved in most recent few years.
Key words: ME effect, multiferroic magnetoelectric composite, magnetic sensors
一般而言，多铁性材料是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能，这些基本性能包括铁电性（反铁电性）、铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。这类材料在一定的温度下同时存在自发极化序和自旋序，正是它们的同时存在引起的磁电耦合效应，使多铁性体具有某些特殊的物理性质，引发了若干新的、有意义的的物理现象。例如，在磁场的作用下产生电极化或者诱导铁电相变，在电场作用下产生磁场或者诱导铁磁相变等。多铁性材料已成为当前国际上研究的一个热点。
在多铁性材料中，不同的铁性能能够产生一些新的效应，如磁电效应、磁介效应。正是由于这些新的效应，使得多铁性材料具有非常潜在的应用前景，这也是越来越多的研究人员从事这项研究的主要原因。一般而言，多铁性材料主要分为三种：单相材料、颗粒复合材料和层状（薄膜）复合材料。其中后两项可统称为多铁性复合材料。磁电效应（又称ME效应）是多铁性材料的一个重要实际应用，磁电效应又可定义为“磁-机械力-电介”的一个耦合效应（又称磁电耦合效应），即在磁场的作用下，铁磁相由于磁致伸缩产生形变，从而对压电相产生力的作用而产生电极化现象，这种耦合的结果是在材料的两端产生一个电压差。而对于单相的多铁性材料而言，由于其磁电耦合系数一般比较小，并且只能在低温下才能显现出来，所以离实际应用还有很远的差距。因此，越来越多的人将目光集中在多铁性复合材料上，多铁性复合材料的研究也成为当前材料领域的一个研究热点。
磁电多铁性复合材料在较高温度或较低的偏置状态下都会显示出较明显的电磁效应，这就已经在理论上为磁电设备实际应用的可行性做好了准备。磁电设备具有广阔的应用前景，包括磁电传感器、电流传感器、回转器、谐振器、滤波器、振荡器等。特别是磁电传感器，其巨大的应用潜力是人们开发
磁电复合材料产生磁感应时的工作原理简单而又直接。通过输出的电信号，他们可以感应到直流和交流磁场。通常情况下，使用的较高电磁系数的复合材料可以得到高灵敏度的磁场传感器。然而，在实际的应用环境中，这样大小电磁系数还太小，无法响应并执行磁电传感器的命令，因为讯噪比在这里面显得更为重要，噪声电压将不可避免的限制住传感器的灵敏度。
在磁电传感器中，噪声源主要有三个：由热释电流产生的热噪声、通过压电效应引入的振动或声学噪声、还有从检测电路中的产生的电噪声。温度波动或周围环境中空气的流动和振动也将成为压电过程中的噪声源。因此，散热、降噪、优化检测电路成为了磁电传感器应用中的关键问题。
与压电和电磁效果不同的是，磁电复合材料的热膨胀主要是各向同性的。讯噪比可以由压电板层的体积控制，在低频范围内它随着频率的增加而增加。因此，通过磁电传感器结构
设计的优化可以显着地减少热噪声。例如，由两个极化方向相反的压电板层组成的一组电磁对称层压板还有两个磁性层之间的夹层都具有这样优化的结构。
“The ME output signals induced from two reversely polarized PZT layers have opposite signs, while the simultaneously induced thermal charges are of the same sign. Thus the total signal from one PZT layer minus that from another would exclude the thermal induced charges from the ME output.”[1]（译：从两个偏振方向相反的压电陶瓷层间产生的电磁输出信号具有相反的特性，而同时产生的热负荷却具有相同的特性。从两个偏振方向相反的压电陶瓷层间产生的电磁输出信号具有相反的特性，而同时产生的热负荷却具有相同的特性。因此，从一个压电陶瓷层到另一层递减消失的总信号将从电磁输出端排出热感应电荷。）那么同样地，一组对称的双压电晶片和具有电荷补偿机制的推拉式电磁层压复合材料，也可以显着地提高对噪声的抑制。“By utilizing the high anisotropy of the ME laminates, i.e., large in-plane (or transverse) but small out-of-plane (or lognitudinal) ME responses, the unwanted thermal response can be excluded by
in-series connecting the in-plane direction of one ME laminate to the out-of-plane direction of another identical ME laminate.”[1]（译：而利用各向异性的电磁层压板的电磁效应，例如，具有较大内表面和较小外表面的电磁层压板，通过串联一对相同电磁层压板的面内方向，可以消除不必要的热效应。）可以看出，与热噪声相比，从检测电路中产生的振动噪声和电噪声通过隔振平台和电路优化似乎更容易被消除，因为这些噪声依赖于各类参数和频率。
使用较高电磁系数的磁电复合材料可以制造出高灵敏度的磁传感器。到目前为止，在室温下对极小磁场强度的检测已经可以由双晶板和推拉层压磁电复合材料来实现。这类材料的灵敏度高于大磁阻传感器，但低于超导量子干涉器。然而，虽然磁电传感器在灵敏度上不能做到尽善尽美，但它却具有制造工艺简便、成本低廉的特点，这相对于制造工艺复杂且价格较为昂贵的超导量子干涉器件来说，前者反而体现出了巨大的优势。这种磁电复合材料所具有的高灵敏度特性，能使得它们在许多应用中展现出了物美价廉的特点，如脑磁图和心磁图等。
虽然在基于这些电磁复合材料的特性上，很多具有超高灵敏度的磁电传感器的原型已经被设计出来了，但为了使这些电磁复合材料产品具有广泛的商业化用途，还有许多工作要做，例如设计具有高讯噪比和高热稳定性的磁电传感器、系统的优化和整合等。
磁电多铁性复合材料发展得十分迅速，由于其在高于室温时表现出巨大的电磁效应，而且成本低廉，已为实际的磁电设备应用做好了准备。对于大部分磁电多铁性复合材料研究，人们主要是通过对设备的研究和对产业的深入了解来探索并开发出更多磁电应用设备。虽然一些设备的原型根据这些材料已经被设计了出来，但在实际应用中仍有许多问题需要解决。
