Development of a modular multi-field mechanical setup for the investigation of magnetoelectric materials
The central theme of this thesis revolves around the development of setups dedicated to the mechanical characterization of functional materials. Here, two phase compound magnetoelectric multiferroics, composed of a ferromagnetic and ferroelectric phase are the functional composite material, and have the potential to transform many technological applications. They would enable the development of newer and more efficient architectures for electronic modules, like devices based on sensors. The functionality of the magnetoelectric multiferroics is based on the ferroelastic sensitivity of two phases in the compound, with ferroelasticity as their common property. As a result, the associated strain of each phase the field response mediates stress elastically into the other phase. The important composite xCoFe2O4- (1- x)BaTiO3 belongs to the magnetoelectric multiferroics family.
In order to design the composite materials in advance, material simulation tools are necessary. However, the existing data set of the magneto-electro-mechanical properties, which are used for modelling, are so far incomplete. The mechanical characterization of the composite material, given the mechanical nature of these properties, is key to understanding them. In light of this, a magneto-electro-mechanical characterization setup was designed and constructed to deliver a reliable data basis for the constitutive laws of the magnetoelectric coupling.
Given the diverse properties of the functional materials, several modular measurement options have been designed to measure them. They can be used in separate or complex multi-field arrangements, providing magnetic and electric fields as well as axial loading conditions. In addition, the setup has the option to apply an AC-stimulus of all three fields in addition to their DC offset fields. Moreover, the setup is equipped with detection capabilities which can be used to monitor strain, polarization, and magnetoelectric coupling. In particular, the integration of the Fabry-Pèrot interferometer in the setup is a novel approach which allows for the mechanical investigation of nanometer strain effects. By using the apparatus in a multiple fields arrangement would enable to quantify the effects of crosscoupling on the functional properties of the magnetoelectric composite. The data from experiments demonstrate the overall quality of the setup for a given property of the composite magnetoelectric materials and they set the benchmarks for the setup. They also prove that the modularity concept of the setup is successful.
With regard to the constitutive data on the magnetoelectric composite, the measurements with different modules of the setup deliver the piezoelectric coefficient d33 and the piezomagnetic coefficient q33, which are proportional to the magnetoelectric coupling coefficient. For the d33 measurement, the module option for electrostriction is used. Its design allows the measurement of the strain together with the polarization under constant magnetic fields and axial stress. Furthermore, the magnetoelectric coupling curve was measured under axial loads.
By using the developed magnetostriction measurement module, the magnetostriction of polycrystalline CoFe2O4 is measured with a Fabry-Pèrot interferometer for the first time. This measurement facilitate the derivation of the piezomagnetic coefficient q33, which correlates with the ME coupling coefficient and establishing a functional relationship to the magnetoelectric coupling curve.
For the investigation of the influence of mechanical effects on magnetization, a pressure cell was constructed in order to apply axial loads. In this process, the concept for the calibration of the applied loads was crucial. This was solved by using an ex-situ method to measure the load. In general, for all the mechanical characterization measurements, the preparation of samples with high mechanical strength and large magnetoelectric effects was difficult and time-intensive. For this purpose, the synthesis route was modified in order to meet the requirements.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Messaufbauten, die sich der mechanischen Charakterisierung der Funktionswerkstoffe widmen. Hierzu gehören die magnetoelektrischen Funktionswerkstoffe, die sich aus einer ferromagnetischen und ferroelektrischen Phase zusammensetzen. Zu der Familie gehört der Verbundwerkstoff xCoFe2O4- (1- x)BaTiO3 und dient in Rahmen der Arbeit als Referenz-Werkstoff. Die Funktionsweise der magnetoelektrischen Multiferroika beruht auf der ferroelastischen Empfindlichkeit beider Phasen. Dabei ist die Feldantwort jeder Phase in dem Verbundwerkstoff mit einer Dehn- ung gekoppelt, die sich elastisch in die andere Phase übermitteln lässt. Die Multiferroika besitzen das Potenzial, die bestehenden technologischen Anwendungen in effizientere Versionen zu überführen und erlauben die Entwicklung neuer Architekturen für die elektronischen Module, wie z.B. für neuartige Konzepte in der Sensorik.
Um die Verbundwerkstoffe im Voraus zu konzipieren, sindWerkstoffsimulationen nötig. Hier, bedingt durch das mechanische Funktionsprinzip, ist die mechanische Charakterisierung des Verbundwerkstoffs der Schlüsselaspekt. Da jedoch die bisher vorhandenen Datensätzen für die mechanischen Simulationsmodelle lückenhaft sind, hat sich hierzu die vorliegende Arbeit zur Aufgabe gemacht, die Messinfrastruktur für eine zuverlässige experimentelle Charakterisierung der konstitutiven Datensätze zu entwickeln. Die dabei entstandenen Aufbauten ermöglichen das simultane Aufbringen der magnetischen und elektrischen Felder sowie der axialen mechanischen Spannungen.
Darüber hinaus bedingt durch die vielfaltigen Eigenschaften der Funktionswerkstoffe, sind mehrere Messoptionen als modularisierte Einheiten konzipiert worden, so dass sie in separater oder komplexer Mehrfeldanordnung verwendet werden können. Zudem verfügt der Messaufbau zusätzlich die Optionen, alle drei konstanten Offset-Feldern mit ihren zughörigen Wechselfeldern zu überlagern. Die Detektierungsmöglichkeiten des Messaufbaus erlauben das Ermitteln der Dehnung, Polarisation und der magnetoelektrischen Kopplung bei konstanten Offset-Felder. Insbesondere die Integration des Interferometers in den Aufbauten zeichnet den neuartigen Ansatz aus, wodurch Dehnungseffekte in Abhängigkeit konstanten Magnetfelder und axialer Lasten in nm-Bereich auflöst werden können. Die vielseitigen Messungen in dieser Arbeit beweisen die Modularität sowie Leistungsfähigkeit der Aufbauten. Damit lassen sich die funktionellen Eigenschaften sowie die Kreuzkopplungseffekte durch die zusätzlichen Felder für den magnetoelektrischen Werkstoff quantifizieren.
Hier liefert der Aufbau im Hinblick auf die konstitutiven Datensätze die piezomagnetischen Koeffizienten q33 und die piezoelektrischen Koeffizienten d33, die die Proportionalitätsparameter für die magnetoelektrischen Kopplungskoeffizienten ME darstellen. Dabei ist die d33 aus der Elektrostriktion hergeleitet.
Mit einem weiteren Modul des Aufbaus wurde die Magnetostriktion von polykristallinem CoFe2O4 mit dem Fabry-Pèrot-Interferometer gemessen. Aus dieser Messung wird der piezomagnetische Koeffizient q33 hergeleitet. Hier korreliert die Dehnungsempfindlichkeitskurve mit der magnetoelektrischen Kopplungskoeffizienten-Kurve ME, die auch unter axialen Lasten gemessen ist. Das Ergebnis liefert die Produkteigenschaft der einzelnen Phasen unter axiale Belastung. Hinblick auf die Auswirkung von Axiallasten auf die Magnetisierung wurde eine Druckzelle konstruiert. Dabei wurde ein Konzept zur Kalibrierung der aufgebrachten Lasten entwickelt, welches durch eine Ex-situ-Methode gelöst wurde. Insgesamt waren für alle mechanischen Charakterisierungsmessungen, die Herstellung von Proben mit hohen Festigkeitsgrad bei gleichzeitigem hohem, magnetoelektrischen Effekt maßgebend. Hierzu wurde die Syntheseroute modifiziert, um die Anforderungen zu erreichen.