后记:此专题写到结束时,笔者心情比较复杂,有一点沉重,笔者在想一个问题:磁电材料和搞磁电材料的人的方向在哪里?
1)传感器上的用武之地?可以用,但远还没有优势,笔者不认为它能经得起市场的考验。从器件使用的角度,可以不管它是否本征,只要有宏观性能就成。即便如此一来,相同的测试条件下,用室温下的磁电材料(目前仍然是复合材料的天下)得到的传感性能实际上很平常,如目前做得最好的磁电材料,共振处,取消厚度因子后不到10 V/Oe [13],而用线圈得到的敏感度可达100 V/Oe[12];另一方面,磁电复合材料的共振耦合系数是非本征的,小尺寸下要想得到类似的响应非常不可能,而用电感设计,其小型化非常方便,预期其在市场上会更加受青睐。
2)能源产业上有没有用武之地?有人乍一看共振点的耦合系数100 V/Oe[12],可能联想1 Oe的磁场变化竟能带来100 V的电场变化,这样一来岂不可以用到能源转换或无线输运上?但目前的实验结果是不能用。讲一个笔者自己的故事:记得去年MIT的那份无线给60W的灯泡供电的工作还没有在Science上发表(可能刚被接受)[15],eetchina上我看到了这份无线能源输运的工作,兴奋的我从这条新闻迅速追踪到science上的preprint,我兴奋是因为它启发我想到用磁电的途径到底能传输多大的能量?因为磁电测量过程也是无接触的过程。首先我想到的是手电筒的灯泡,当天下午就试了,一个0.5W的小灯泡,结果不亮。然后笔者想手电灯泡可能功率显大,换个小功率的,当时想到最容易点亮的当数红光二极管,第二天就去知春电子城买了一堆各色的二极管,其中最小功率约1mW,1mW是如何估计的?就是两端加一个1V的电源,导通电流是1mA。我试了两类样品:交变磁场下的共振线圈样品和共振压电/铁磁多层片样品,他们开路电压峰峰值从示波器上观察均可达到10 V以上!可是我合上二极管的分流电路,观察有没有瞬时哪怕一丁点的红色微光出现…………结果,没有,除了示波器信号一下变成零之外,LED一点变化都没有,断开LED shunt电路后示波器上的信号又重新雄了起来,再合上又撒气了。当然您要相信我的眼睛没有问题。从这个实验结果足以让人认识到,磁电材料离1 mW的坎还有相当的距离,怎么去和mit的60W去争夺吸引力??也许有一天能突破1mW,but How? 现在还没有idea。。。。。
3)下一步如何走?一方面精心生长品质真正优良的材料;另一方面解放思想拓宽思路,绝不能在一个可能是死路一条的“性能”上打转转。具体的就不多说了,笔者也正在探索中前进,只等实践有效果之后再发感悟。
参考文献:
[1]疑似磁电假象专题的引子:J. Wang, J.B. Neaton, H. Zheng, V. Nagarajan, S.B. Ogale, B. Liu, D. Viehland, V. Vaithyanathan, D.G. Schlom, U.V. Waghmare, N.A. Spaldin, K.M. Rabe, M. Wuttig and R. Ramesh, Epitaxial BiFeO3 Multiferroic Thin Film Heterostructures, Science, 299, 1719-22(2003)
[2]剑桥大学对美国BiFeO3薄膜工作的严厉质疑:W. Eerenstein, F.D. Morrison, J. Dho, M.G. Blamire, J.F. Scott and N.D. Mathur, Comment on "epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures", Science, 307(5713), 1203(2005)
[3]美国团体对剑桥大学质疑的回应:J. Wang, J.B. Neaton, H. Zheng, V. Nagarajan, S.B. Ogale, B. Liu, D. Viehland, V. Vaithyanathan, D.G. Schlom, U.V. Waghmare, N.A. Spaldin, K.M. Rabe, M. Wuttig and R. Ramesh, Response to Comment on "epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures", Science, 307(5713), 1203(2005)
[4]薄膜磁性测量可能因为基体污染而引入"磁性"假象:Y. Belghazi, G. Schmerber, S. Colis, J.L. Rehspringer, A. Dinia and A. Berrada, Extrinsic origin of ferromagnetism in ZnO and ZnCoO magnetic semiconductor films prepared by sol-gel technique, Appl. Phys. Lett., 89, 122504-6(2006)
[5]笔者认为的BiFeO3相图研究最有价值的3篇文献:
i. Hideo Koizumi, Nobukazu Niizeki and Takuro Ikeda, An X-ray study on Bi2O3-Fe2O3 system, Jpn. J. Appl. Phys., 3, 495-6(1964)
ii. E. I. Speranskaya, V. M. Skorikov, Y. E. Rode, V. A. Terekhova, The phase diagram of the system bismuth oxide-ferric oxide, Bull. Acad. Sci. USSR, DiV. Chem. Sci. (Engl. Transl.), 5, 873-4(1965)
iii. A. Maitre, M. Francois and J.C. Gachon, Experimental study of the Bi2O3-Fe2O3 pseudo-binary system, J. Phase Equilib. Diffus.,25, 59-67(2004)
[6]王峻岭J. Wang的博士论文:Junling Wang, Deposition and characterization of multiferroic BiFeO3 thin films, Dissertation of Univ. Maryland, 2005
[7]早期磁电效应的静态观测:G. T. Rado and V.J. Folen, Observation of the magnetically induced magnetoelectric effect and evidence for antiferromagnetic domains, Phys. Rev. Lett., 7, 310-1(1961)
[8]脉冲法测量磁电性能的文献,一个俄罗斯青年做的:A.Y. Ostashchenko, K.E. Kamentsev, Y.K. Fetisov and G. Srinivasan, Magnetoelectric response of a multilayer ferrite-piezoelectric structure to magnetic field pulses, Tech. Phys. Lett., 30(9), 769-71(2004)
[9]印度人较先尝试并发表准静态磁电测试设备搭建:M. Mahesh Kumar, A. Srinivas, S.V. Suryanarayana, G.S. Kumar and T. Bhimasankaram, An experimental measurement of magnetoelectric effect, Bull. Mater. Sci., 21(3), 251-5(1998)
[10]在美华人董淑湘自己搭建的动态磁电测量设备介绍:Shuxiang Dong, Jie-Fang Li, and D. Viehland, Characterization of magnetoelectric laminate composites operated in longitudinal-transverse and transverse-transverse modes, J. Appl. Phys. 95(5), 2625-30(2004)
[11]笔者发表的结合时域分析的动态磁电测量设备:Meas. Sci. Technol., 19, 045702-6(2008)
[12]笔者结合自己搭建的设备尝试电感元件的“磁电”响应:IEEE Trans. Magn., 44(9), 2127-9(2008)
[13]几个疑似但没有被认识到的假象代表文章:
i. Srinivasan et al, Inverse magnetoelectric effects..., JMR, 22(8), 2074-80(2007);
ii. Dong et al, Giant magnetoelectric effect (under a dc..., APL, 91, 022915-7(2007)
iii. Nan et al, Dielectric, ferroelectric, magnetic and..., PRB, 68, 224103-9(2003),
iv. Liu et al, Giant magnetoelectric effect of hybrid..., JAP, 93(12), 9916-9(2003);
[14]面内尺寸影响共振频率和共振频率处的磁电系数的实验结果:Chinese Science Bulletin, 53, 2124-8(2008)
[15]用大线圈实现无线电力输送点亮60瓦灯泡的实验报道:Andre Kurs et al, Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science, 317(5834), 83-6(2007)
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