Development and investigation of new magnetoelectric composites

Abstract

Neue Produktionsmethoden welche die magnetostriktiven Eigenschaften von wirtschaftlich interessanten Materialien erhöhen, sind für die Materialwissenschaften immer interessant. Um die magnetostriktiven Eigenschaften zu verbessern, ist ein tiefes Verständnis aller Parameter die die Magnetostriktion beeinflussen, notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der verschiedenen Herstellungs- und Wärmebehandlungsbedingungen auf die magnetischen und magnetostriktiven Eigenschaften von polykristallinem Kobaltferrit untersucht. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit der Kationen Besetzungszahl auf die Tetraeder- (A) bzw. Oktaederplätze korreliert. Nachdem Kobaltferrit durch einen Kugelmühle hergestellt wurde, wurde der Effekt das Pulver hydrostatisch zu pressen sowie auch einer Wärmebehandlung im Feld untersucht. Es wurde festgestellt, dass, die Sättigungsmagnetisierung mit hydrostatischem Druck wegen einer veränderten Kationverteilung zunimmt, z.B. wechseln Co2+ Ionen vom B zum A Platz, wodurch die magnetische Anisotropie wegen einer Zunahme der Co Konzentration auf den A-Plätzen abnimmt; dadurch reduziert sich auch das Koerzitivfeld. Zusätzlich zeigt die Hysteresisschleife der unter Feld wärmebehandelten Probe eine Feld induzierte Anisotropie. Wesentliche Verbesserungen der Magnetostriktion sowie der Spannungsabhängigkeit derselben wurden durch die Wärmebehandlung unter Feld bei allen Kobaltferritproben erreicht. Nach der Wärmebehandlung unter Feld nahm die bei Raumtemperatur in Richtung der harten Achse gemessene maximale Magnetostriktion um 100% zu, wogegen sich die Spannungsabhängigkei um 200% erhöhte. Diese Resultate können durch die feldinduzierte einachsige Anisotropie welche auch die Domänstruktur sowie den Magnetisierungsprozess beeinflusst, erklärt werden. Zusammenfassend wird die mit zunehmendem hydrostatischen Druck und mit Wärmebehandlung unter Feld beobachtete Erhöhung der longitudinalen Magnetostriktrion als Folge der induzierten Anisotropie erklärt. Es wurde auch beobachtet, dass die Existenz von kleinen und gleichartigen Körnern mit einem erhöhten Grad von inverser Spinellstruktur bei den hydrostatisch gepressten und gesinterten Proben für die Erhöhung der Magnetostriktion verantwortlich ist.<br />Nachdem die magnetostriktiven Eigenschaften optimiert wurden, wurden Mischproben aus Kobaltferrit und PZT unter Anwendung verschiedener Prozessparameter hergestellt. Neben der Variation der experimentellen Parameter wurde der wesentliche Schwerpunkt auf ein grundsätzliches Verständnis des magnetoelektrischen Phänomens gelegt. Ziel hierbei war es Produktionsparameter wie z.B. Zusammensetzung, Mikrostruktur, Wärmebehandlung, Synthese etc zu optimieren. An allen hergestellten Proben wurden die Mikrostruktur, magnetische, magnetostriktive und magnetoelektrische Messungen mit dem Ziel durchgeführt, die physikalischen Eigenschaften mit den Prozessparametern zu korrelieren.

New processing techniques to enhance the magnetostrictive property of materials with economical impact are always subject of interest to material science. In order to improve the magnetostrictive properties, comprehensive understanding of each parameter that controls the magnetostrictive strain is necessary. In this work, the influence of different processing and annealing conditions on the magnetic as well as magnetostrictive properties of polycrystalline cobalt ferrite have been explored. These magnetic properties were then correlated to the occupation of cations in the tetrahedral (A) and octahedral (B) sites.<br />After producing the cobalt ferrite by ball milling, the effect of pressing the powder hydrostatically as well as magnetic annealing has been investigated. It has been found that the saturation magnetization increases with hydrostatic pressures due to changes in the cation distribution i.e. transfer of Co2+ ions from B- to A- sites whereas the magnetic anisotropy reduces due to an increase of the Co2+ concentration at the A-sites; consequently the coercivity decreases. However, the hysteresis loops for the magnetically annealed samples indicate a field induced uniaxial anisotropy caused by magnetic annealing. Significant improvements in the magnetostriction and strain derivative have been achieved in all prepared cobalt ferrite samples by magnetic annealing.<br />After magnetic annealing, the maximum magnetostriction increased by 100% whereas the corresponding maximum strain derivative increased by 200%, respectively, measured along the hard axis at room temperature. The results can be explained by the field induced uniaxial anisotropy which alters the domain structure and the magnetization process. Summarizing, the observed variation in the longitudinal magnetostriction with increasing hydrostatic pressure as well as due to magnetic annealing is caused by the induced magnetic anisotropy. It has been observed that the presence of small and uniform grains with a higher degree of inverted spinel structure in the hydrostatic pressed sintered samples is responsible for the enhancement of magnetostrictive strain.<br />After optimizing the magnetostrictive properties, cobalt ferrite based magnetoelectric composites (with PZT) have been prepared under different processing parameters. Varying the experimental parameters, the main emphasis was on the basic understanding of the magnetoelectric (ME) phenomenon in the ME composites. The target here was to study the effect of production parameters such as composition, microstructure, heat treatment, synthesis procedure etc. All prepared samples have been investigated by microstructural, magnetic, magnetostrictive and magnetoelctric measurements in order to correlate the physical properties with the process parameters in the synthesized composites.<br />