Thermal energy conversion by coupled shape memory and piezoelectric effects

International audienceThis work gives experimental evidence of a promising method of thermal-to-electric energy conversion by coupling shape memory effect (SME) and direct piezoelectric effect (DPE) for harvesting quasi-static ambient temperature variations. Two original prototypes of thermal energy harvesters have been fabricated and tested experimentally. The first is a hybrid laminated composite consisting of TiNiCu shape memory alloy (SMA) and macro fiber composite piezoelectric. This composite comprises 0.1 cm3 of active materials and harvests 75 µJ of energy for each temperature variation of 60 °C. The second prototype is a SME/DPE 'machine' which uses the thermally induced linear strains of the SMA to bend a bulk PZT ceramic plate through a specially designed mechanical structure. The SME/DPE 'machine' with 0.2 cm3 of active material harvests 90 µJ over a temperature increase of 35 °C (60 µJ when cooling). In contrast to pyroelectric materials, such harvesters are also compatible with both small and slow temperature variations

Ultrasonic Study of Water Adsorbed in Nanoporous Glasses

Thermodynamic properties of fluids confined in nanopores differ from those observed in the bulk. To investigate the effect of nanoconfinement on water compressibility, we performed water sorption experiments on two nanoporous glass samples while concomitantly measuring the speed of longitudinal and shear ultrasonic waves in these samples. These measurements yield the longitudinal and shear moduli of the water laden nanoporous glass as a function of relative humidity that we utilized in the Gassmann theory to infer the bulk modulus of the confined water. This analysis shows that the bulk modulus (inverse of compressibility) of confined water is noticeably higher than that of the bulk water at the same temperature. Moreover, the modulus exhibits a linear dependence on the Laplace pressure. The results for water, which is a polar fluid, agree with previous experimental and numerical data reported for non-polar fluids. This similarity suggests that irrespective of intermolecular forces, confined fluids are stiffer than bulk fluids. Accounting for fluid stiffening in nanopores may be important for accurate interpretation of wave propagation measurements in fluid-filled nanoporous media, including in petrophysics, catalysis, and other applications, such as in porous materials characterization

Composites multiferroїques pour dispositifs magnéto-électriques intégrés

This work is focused on the study of laminated magnetoelectric composites aiming at the realization of novel components integrated on silicon, such as variable inductors. Thanks to the mechanical coupling between two adjacent layers of ultra-soft magnetostrictive and piezoelectric materials it is possible to obtain an indirect magnetoelectric effect which is several orders of magnitude higher than in natural multiferroics. Firstly, we used an energy-based phenomenological approach to describe a range of expected effects in such laminated magnetoelectric composites. Thereupon, macroscopic magnetoelectric composites based on piezoelectric MFC substrates and magnetostrictive thin films of FeCoB were realized. The study of the magnetoelectric coupling vs. FeCoB composition leads to the identification of the key material parameters, such as λs/Ms, that are essential for high magnetoelectric effect. A record magnetoelectric coefficient of 250 V∙cm‐1Oe‐1 is obtained. In parallel, a specific Kerr effect microscope devoted to live observation of the magnetic domains change vs. applied electrical field was developed. For the first time, direct observation of the magnetic easy-axis rotation with voltage in such composites is reported. The second part of this work concerns the design, simulation, fabrication and characterization of a hybrid MEMS variable inductor. This device exploits the indirect magnetoelectric effect between a PZT sol gel driving element and a FeCoB-based inductive element. The unusual multi-physics nature of the device prompted us to deploy a set of electrical, mechanical, optical and magnetic tests throughout the manufacturing. The results conclude with partially functional proof of concept, mainly due to the lack of management of internal stress during the fabrication. Areas for improvement of design, materials and process are identified.Ce travail de thèse porte sur l'étude de composites magnétoélectriques laminaires dans le but de réaliser des dispositifs innovants intégrés sur silicium tel que l'inductance RF variable. Grâce au couplage mécanique entre des couches adjacentes magnétostrictive ultra douce et piézoélectrique, il est possible d'obtenir un couplage magnétoélectrique indirect qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des matériaux multiferroïques naturels. Dans un premier temps, nous avons utilisé l'approche phénoménologique basée sur les énergies pour décrire le panorama des effets attendus dans des composites magnétoélectriques laminaires (multicouches). Ensuite, des composites magnétoélectriques macroscopiques à base de substrats piézoélectriques de type MFC et de couches minces de FeCoB ont été réalisés. L'étude du couplage magnétoélectrique en fonction de la composition de FeCoB a permis de déterminer les propriétés clés des matériaux, notamment le rapport λs/Ms, qui sont essentielles pour obtenir un effet magnétoélectrique élevé. Un coefficient magnétoélectrique record de 250 V∙cm‐1Oe‐1 a été obtenu. Par ailleurs, un microscope à effet Kerr a été spécialement développé pour pouvoir observer de manière quasi-instantanée la modification de la structure en domaines sous l'effet de la tension électrique dans ces composites. Pour la première fois, l'observation directe de la rotation de l'axe facile d'aimantation sous commande électrique a été réalisée. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à la conception, simulation, fabrication et caractérisation d'un dispositif MEMS hybride d'inductance variable intégrée. Ce dispositif exploite l'effet magnétoélectrique indirect entre un élément moteur en PZT (sol gel) et un élément inductif à base de FeCoB. Etant donné le caractère multiphysique hors norme de ce dispositif, un ensemble de tests électriques, mécaniques, optiques et magnétiques a été déployé tout au long de la fabrication. Les résultats concluent à une preuve de concept partiellement fonctionnelle en raison principalement d'une mauvaise gestion des contraintes internes liées à la fabrication. Les pistes d'amélioration aux niveaux du design, des matériaux et des procédés sont identifiées

Composites multiferroïques pour dispositifs magnéto-électriques intégrés

This work is focused on the study of laminated magnetoelectric composites aiming at the realization of novel components integrated on silicon, such as variable inductors. Thanks to the mechanical coupling between two adjacent layers of ultra-soft magnetostrictive and piezoelectric materials it is possible to obtain an indirect magnetoelectric effect which is several orders of magnitude higher than in natural multiferroics. Firstly, we used an energy-based phenomenological approach to describe a range of expected effects in such laminated magnetoelectric composites. Thereupon, macroscopic magnetoelectric composites based on piezoelectric MFC substrates and magnetostrictive thin films of FeCoB were realized. The study of the magnetoelectric coupling vs. FeCoB composition leads to the identification of the key material parameters, such as λs/Ms, that are essential for high magnetoelectric effect. A record magnetoelectric coefficient of 250 V∙cm‐1Oe‐1 is obtained. In parallel, a specific Kerr effect microscope devoted to live observation of the magnetic domains change vs. applied electrical field was developed. For the first time, direct observation of the magnetic easy-axis rotation with voltage in such composites is reported. The second part of this work concerns the design, simulation, fabrication and characterization of a hybrid MEMS variable inductor. This device exploits the indirect magnetoelectric effect between a PZT sol gel driving element and a FeCoB-based inductive element. The unusual multi-physics nature of the device prompted us to deploy a set of electrical, mechanical, optical and magnetic tests throughout the manufacturing. The results conclude with partially functional proof of concept, mainly due to the lack of management of internal stress during the fabrication. Areas for improvement of design, materials and process are identified.Ce travail de thèse porte sur l'étude de composites magnétoélectriques laminaires dans le but de réaliser des dispositifs innovants intégrés sur silicium tel que l'inductance RF variable. Grâce au couplage mécanique entre des couches adjacentes magnétostrictive ultra douce et piézoélectrique, il est possible d'obtenir un couplage magnétoélectrique indirect qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des matériaux multiferroïques naturels. Dans un premier temps, nous avons utilisé l'approche phénoménologique basée sur les énergies pour décrire le panorama des effets attendus dans des composites magnétoélectriques laminaires (multicouches). Ensuite, des composites magnétoélectriques macroscopiques à base de substrats piézoélectriques de type MFC et de couches minces de FeCoB ont été réalisés. L'étude du couplage magnétoélectrique en fonction de la composition de FeCoB a permis de déterminer les propriétés clés des matériaux, notamment le rapport λs/Ms, qui sont essentielles pour obtenir un effet magnétoélectrique élevé. Un coefficient magnétoélectrique record de 250 V∙cm‐1Oe‐1 a été obtenu. Par ailleurs, un microscope à effet Kerr a été spécialement développé pour pouvoir observer de manière quasi-instantanée la modification de la structure en domaines sous l'effet de la tension électrique dans ces composites. Pour la première fois, l'observation directe de la rotation de l'axe facile d'aimantation sous commande électrique a été réalisée. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à la conception, simulation, fabrication et caractérisation d'un dispositif MEMS hybride d'inductance variable intégrée. Ce dispositif exploite l'effet magnétoélectrique indirect entre un élément moteur en PZT (sol gel) et un élément inductif à base de FeCoB. Etant donné le caractère multiphysique hors norme de ce dispositif, un ensemble de tests électriques, mécaniques, optiques et magnétiques a été déployé tout au long de la fabrication. Les résultats concluent à une preuve de concept partiellement fonctionnelle en raison principalement d'une mauvaise gestion des contraintes internes liées à la fabrication. Les pistes d'amélioration aux niveaux du design, des matériaux et des procédés sont identifiées

Multiferroic composites for integrated magnetoelectric devices

Ce travail de thèse porte sur l'étude de composites magnétoélectriques laminaires dans le but de réaliser des dispositifs innovants intégrés sur silicium tel que l'inductance RF variable. Grâce au couplage mécanique entre des couches adjacentes magnétostrictive ultra douce et piézoélectrique, il est possible d'obtenir un couplage magnétoélectrique indirect qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des matériaux multiferroïques naturels. Dans un premier temps, nous avons utilisé l'approche phénoménologique basée sur les énergies pour décrire le panorama des effets attendus dans des composites magnétoélectriques laminaires (multicouches). Ensuite, des composites magnétoélectriques macroscopiques à base de substrats piézoélectriques de type MFC et de couches minces de FeCoB ont été réalisés. L'étude du couplage magnétoélectrique en fonction de la composition de FeCoB a permis de déterminer les propriétés clés des matériaux, notamment le rapport λs/Ms, qui sont essentielles pour obtenir un effet magnétoélectrique élevé. Un coefficient magnétoélectrique record de 250 V∙cm‐1Oe‐1 a été obtenu. Par ailleurs, un microscope à effet Kerr a été spécialement développé pour pouvoir observer de manière quasi-instantanée la modification de la structure en domaines sous l'effet de la tension électrique dans ces composites. Pour la première fois, l'observation directe de la rotation de l'axe facile d'aimantation sous commande électrique a été réalisée. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à la conception, simulation, fabrication et caractérisation d'un dispositif MEMS hybride d'inductance variable intégrée. Ce dispositif exploite l'effet magnétoélectrique indirect entre un élément moteur en PZT (sol gel) et un élément inductif à base de FeCoB. Etant donné le caractère multiphysique hors norme de ce dispositif, un ensemble de tests électriques, mécaniques, optiques et magnétiques a été déployé tout au long de la fabrication. Les résultats concluent à une preuve de concept partiellement fonctionnelle en raison principalement d'une mauvaise gestion des contraintes internes liées à la fabrication. Les pistes d'amélioration aux niveaux du design, des matériaux et des procédés sont identifiées.This work is focused on the study of laminated magnetoelectric composites aiming at the realization of novel components integrated on silicon, such as variable inductors. Thanks to the mechanical coupling between two adjacent layers of ultra-soft magnetostrictive and piezoelectric materials it is possible to obtain an indirect magnetoelectric effect which is several orders of magnitude higher than in natural multiferroics. Firstly, we used an energy-based phenomenological approach to describe a range of expected effects in such laminated magnetoelectric composites. Thereupon, macroscopic magnetoelectric composites based on piezoelectric MFC substrates and magnetostrictive thin films of FeCoB were realized. The study of the magnetoelectric coupling vs. FeCoB composition leads to the identification of the key material parameters, such as λs/Ms, that are essential for high magnetoelectric effect. A record magnetoelectric coefficient of 250 V∙cm‐1Oe‐1 is obtained. In parallel, a specific Kerr effect microscope devoted to live observation of the magnetic domains change vs. applied electrical field was developed. For the first time, direct observation of the magnetic easy-axis rotation with voltage in such composites is reported. The second part of this work concerns the design, simulation, fabrication and characterization of a hybrid MEMS variable inductor. This device exploits the indirect magnetoelectric effect between a PZT sol gel driving element and a FeCoB-based inductive element. The unusual multi-physics nature of the device prompted us to deploy a set of electrical, mechanical, optical and magnetic tests throughout the manufacturing. The results conclude with partially functional proof of concept, mainly due to the lack of management of internal stress during the fabrication. Areas for improvement of design, materials and process are identified

Direct observation of magnetic easy-axis rotation in magnetoelectric composites by Kerr microscopy

International audienceNowadays, the performances of magnetoelectric composites are getting closer to the requirements necessary to realize new challenging devices such as small and sensitive magnetic sensors, variable inductors, magnetic memories, energy harvesters etc. [1]. Laminated ferromagnetic (FM) / piezoelectric (PE) composites taking advantage of strain-mediated magnetoelectric effect are among the most promising candidates. Recently, we proposed to use push-pull type piezoelectric composites as PE layer, including PZT-based Macro Fiber Composites (MFC) [2]; this permits to exploit the large d33 piezoelectric coefficient and to generate a uniaxial stress. CoFeB / MFC magnetoelectric composites were fabricated, and the dependence of the giant converse magnetoelectric effect on the CoFeB FM layer's composition was reported [3]. In the present article, we make the next step towards the integration of such composites by patterning the magnetic layer. In this case the behavior of magnetic domains under magnetoelastic interaction becomes of crucial importance for applications. In this work we performed the direct visualization of magnetic domains in MFC/glass/CoFeB patterned magnetoelectric composite by the mean of Kerr effect microscopy. The patterned objects have typical dimensions of several tens of microns, with thickness in the range of 70-150 nm. A typical example of magnetic domains structure modification under applied electrical field is presented in the figure below. The images are taken in the remanent state (Hex=0). Near-complete 90° swing of the initial magnetic axis is observed. The dependence of the rotation behavior on the external magnetic field and the shape of the pattern is also studied

Strain-mediated magnetization rotation in exchange biased antiferromagnetic/ferromagnetic/piezoelectric composites

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Converse magnetoelectric effect dependence with CoFeB composition in ferromagnetic/piezoelectric composites

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