автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических материалов

На правах рукописи

ТАТАРЕНКО АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

Исследование магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических материалов

Специальность: 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Великий Новгород, 2006

Работа выполнена в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Петров Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гаврушко Валерий Владимирович

кандидат технических наук Никифоров Игорь Сергеевич

Ведущая организация: ОАО "НИИ "Феррит-Домен", г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 22 декабря 2006 года в 15°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.168.07 Новгородского государственного университета по адресу: 173003, г. Великий Новгород, ул. Б.С.-Петербургская, д.41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.

Автореферат разослан "22" ноября 2006 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.168.07, Кандидат технических наук, доцент

(Н Г\ Бритин С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из перспективных путей решения задач разработки новых элементов и устройств твердотельной электроники, повышения их технико-экономических характеристик является использование магнитоэлектрических (МЭ) материалов. В МЭ материалах одновременно существуют магнито- и электрически упорядоченные подсистемы, взаимодействие между которыми вносит ряд особенностей в свойства материала, в реакцию системы на электрическое и магнитное поля.

Практическому использованию МЭ монокристаллов в твердотельной электронике препятствует малая величина эффекта, а также то, что МЭ эффект в большинстве из них наблюдается при температурах, значительно ниже комнатной. Перспективным путем решения этой проблемы стало развитие технологии изготовления композиционных МЭ материалов на основе ферритов и пьезоэлектриков. Наличие у них ряда важных для устройств твердотельной электроники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических и др.) позволяет создавать на их основе новые элементы и устройства. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи между диэлектрическими и магнитными подсистемами эти вещества могут найти принципиально новые применения. В частности, это могут быть управляющие устройства магнитного типа, управление параметрами которых осуществляется электрическим полем, что позволяет: снизить мощность, потребляемую в цепи управления; избавиться от наводок, возникающих при управлении магнитным полем; осуществить развязку цепей управления при управлении одновременно электрическим и магнитным полем; расширить функциональные возможности управляющих устройств.

Широкое применение МЭ материалов в технике сдерживается отсутствием у имеющихся материалов необходимой величины МЭ эффекта. Учитывая отмеченные преимущества таких устройств, исследование МЭ материалов и построение на их основе устройств твердотельной электроники с электрическим управлением представляются весьма актуальными.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлась разработка магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать обоснованные требования к феррит-пьезоэлектрическим структурам по физическим параметрам и величине МЭ эффекта с целью построения на их основе фильтрующих СВЧ устройств.

2. Изготовить феррит-пьезоэлектрические структуры с магнитоэлектрическими характеристиками, позволяющими создавать фильтрующие СВЧ устройства на основе МЭ эффекта.

3. Провести теоретический расчёт магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-

пьезоэлектрических структур, используя инженерные и электродинамические методы.

4. Разработать конструкции и экспериментально исследовать магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур.

Объектами исследований были выбраны слоистые композиционные феррит-пьезоэлектрические материалы на основе монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ - УзРе5012) и пьезоэлектрических твердого раствора титаната ниобата магния (ТНМ - РЬ(М£1/з№)2/з)Оз - РЬТЮ3) и цирконата-титаната свинца (ЦТС - РЬ(гг,Т0О3).

Методы проведенных исследований. При математическом моделировании МЭ взаимодействия использовались уравнения эластостатики, электростатики, магнитостатики, электродинамики. Для измерения МЭ эффекта применялся метод регистрации э.д.с., возникающей на образце при приложении постоянного и переменного магнитных и электрических полей. Для измерений в микроволновом диапазоне применялся метод ферромагнитного резонанса. Для измерений параметров исследуемых устройств использовался векторный анализатор фирмы Хьюлет Паккард (НР РИА Е-8361).

Научная новизна работы заключается в следующем: в диссертационной работе решена научная задача по разработке магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических структур:

1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе монокристаллического ЖИГ и пьезоэлектрических ТНМ и ЦТС. Установлено, что величина сдвига линии магнитного резонанса возрастает с увеличением доли пьезоэлектрика.

2. Получены расчётные соотношения для вычисления амплитудно-частотных характеристики (АЧХ) магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических композитов.

3. Экспериментально исследованы магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением. Управляющее электрическое поле 3 кВ/см позволило осуществить перестройку полосно-пропускающего фильтра в полосе частот равной 120 МГц, что на порядок превышает ширину резонансной линии.

Практическая ценность работы.

1. Предложен оригинальный метод наблюдения МЭ эффекта в области магнитного резонанса, основанный на эффекте изменения частоты магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.

2. Теоретически и экспериментально показано, что величина МЭ эффекта в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе

монокристаллического ЖИГ и ЦТС достаточна для построения резонансных МЭ устройств.

3. Показано, что для эффективного управления характеристиками управляющих СВЧ фильтров с резонатором на основе слоистой структуры монокристаллический ЖИГ-ЦТС достаточно управляющего поля 3 кВ/см, то есть при толщине пьезоэлектрического слоя 50 мкм достаточно управляющего напряжения 15 В, это позволяет рекомендовать их как для существующих, так и для вновь создаваемых систем телекоммуникации и связи.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Коэффициент передачи управляющих СВЧ фильтров на основе МЭ резонатора в рабочей полосе частот определяется МЭ восприимчивостью и коэффициентом связи МЭ резонатора с линией передачи.

2. СВЧ резонатор на основе слоистой структуры состава монокристаллический ЖИГ — ЦТС характеризуется электрической перестройкой резонансной частоты в пределах 100-120 МГц при ширине линии магнитного резонанса ~ 10 МГц.

3. Электрическая перестройка АЧХ фильтрующего СВЧ устройства на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур достигает ±120 МГц при управляющем поле ±3 кВ/см.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы, полученные в диссертации, являются частью научно-исследовательских работ и грантов: НИР Министерства высшего и профессионального образования «Исследование механизмов резонансного магнитоэлектрического эффекта в материалах функциональной электроники СВЧ» (1997-1999); НИР Министерства высшего и профессионального образования «Поиск и исследование новых сегнетомагнетиков в виде керамики и композиционных материалов» (1997-2000); НИР Министерства образования «Исследования магнитоэлектрических взаимодействий в композиционных материалах» (2000-2002); Грант РФФИ на тему "Исследование магнитоэлектрических взаимодействий в многослойных композиционных материалах на основе манганитов" (2001-2002); Грант "Университеты России" на тему «Исследование многослойных и объемных композиционных магнитоэлектрических материалов в широком диапазоне частот» (2002-2003); Грант по Программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на тему «Керамические многослойные материалы на основе ферритов и сегнетоэлектриков» (2003-2004); Грант конкурса по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук на тему «Исследование магнитоэлектрического эффекта в многослойных композиционных материалах» (2003-2004); Грант "Университеты России" на тему "Исследование гигантского магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических

композиционных материалах" (2004-2005); Грант РФФИ на тему "Феррит-сегнетоэлектрические композиты для многофункциональных микроволновых устройств" (2006 -2007); Грант РФФИ на тему "Резонансные и релаксационные явления в магнитострикционно-пьезоэлектрических композиционных материалах в широком диапазоне частот" (2006 -2008).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных и Российских конференциях, в том числе: Пятой Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" НИТ-2000, Рязань, 2000; Всероссийской конференции "Магнитоэлектрические взаимодействия в кристаллах" (MEIPIC-4), Великий Новгород, 2001; Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2002), Нижний Новгород, 2002; Пятой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference), Нижний Новгород, 2002; V International conference "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-5), Sudak, Ukraine, 2003; Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2004), Нижний Новгород, 2004; V Международной конференции "Электротехнические материалы и компоненты", Алушта, Крым, 2004; III Международной научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств", Новополоцк, Беларусь, 2004; Annual APS March Meeting 2004, Montreal, Canada; Annual APS March Meeting 2005, Los Angeles, CA, USA; Annual APS March Meeting 2006, Baltimore, MD, USA

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 10 -статьи, в том числе входящих в список ВАК - 2, 15 - тезисы докладов.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в том, что им были выработаны методы исследований, предложены расчетные методики и получены основные научные результаты, изготовлены макеты разработанных устройств и проведено их экспериментальное исследование.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации 119 страниц, в том числе 27 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 96 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулирована тема диссертационной работы, обоснована ее актуальность, приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту. Кратко дано описание работы.

Первая глава является обзорной. Приводятся необходимые сведения об устройствах на основе композиционных МЭ материалов. Резонансный МЭ эффект, проявляющийся в виде сдвига линии магнитного резонанса под действием электрического поля, может быть использован для построения электрически управляемых модуляторов, переключателей, фильтров, датчиков мощности, фазовращателей и невзаимных устройств (вентилей, циркуляторов). Прототипами этих устройств могут служить соответствующие приборы на ферритовых резонаторах. Нерезонансный МЭ эффект, связанный с изменением магнитной восприимчивости под действием управляющего электрического поля, проявляется значительно слабее, чем резонансный, поэтому его целесообразно использовать только в распределённых структурах. Этот эффект

может применяться для построения электрически управляемых фазовращателей и невзаимных устройств.

МЭ композиты могут выполнять функции пьезоэлектриков и ферритов. Однако для практики наиболее важно то, что в этом случае их диэлектрические и магнитные свойства взаимосвязаны. Последнее позволяет создавать принципиально новые приборы и устройства, в которых электрическое поле используется для управления магнитными параметрами и, наоборот, магнитное - для управления электрическими параметрами. В качестве примера композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов можно привести такие структуры: монокристаллический ЖИГ - пьезокерамика типа ЦТС или ТНМ и другие.

Вторая глава посвящена исследованию микроволнового магнитоэлектрического эффекта в композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах. Анализ и сравнение характеристик с учётом разработанных требований позволили указать основные перспективные направления применения МЭ материалов для использования в устройствах твердотельной электроники. В начале дается определение МЭ эффекта: МЭ эффект заключается в индуцировании электрической поляризации в материале во внешнем магнитном поле или в появлении намагниченности во внешнем электрическом поле: Р1 — ацН}, (1)

М1 = а^/цоЩ, (2)

где Р{ —электрическая поляризация, М1 — намагниченность, £} и Щ — электрическое и магнитное поля, щ— МЭ восприимчивость, ц0 — магнитная постоянная. МЭ эффект в композиционных материалах можно рассматривать как результат взаимодействия пьезоэлектрических и магнитострикционных свойств. Механизм МЭ эффекта состоит в следующем: магнитострикционный материал деформируется при приложении внешнего магнитного поля. Эта деформация приводит к возникновению механических напряжений в пьезоэлектрической компоненте, а, следовательно, и к электрической поляризации, появляющейся вследствие пьезоэлектрического эффекта. Очевидно, возможен и обратный эффект. Внешнее электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрической компоненты, приводящую к возникновению механических напряжений в магнитострикционной компоненте. Магнитострикционная компонента намагничивается благодаря магнитострикционному эффекту.

В микроволновом диапазоне МЭ эффект проявляется в виде изменения магнитной восприимчивости во внешнем электрическом поле, что приводит к смещению линии ферромагнитного резонанса. В данной работе исследуются двухслойные феррит-пьезоэлектрические структуры в микроволновом диапазоне. Влияние внешнего постоянного электрического поля Е на спектр магнитного резонанса можно описать посредством дополнительного члена в термодинамическом потенциале

ТГ= ¡(¡¥0+А1УМЕУх,

V

где Wo —плотность термодинамического потенциала при Е=0, а

A Wm=BiknEiMkMn+bvknE,EJMkM„t (3)

где Вук и bijkn - линейные и нелинейные МЭ коэффициенты.

В качестве примера расчет линейной МЭ константы проведен для случая, когда направление намагничивания совпадает с осью [111] и направлением напряжения Т*?, возникающего в результате МЭ взаимодействия. В этом случае:

А (4)

Используя уравнения эластостатики и электростатики, можно получить выражение для напряжения в ферритовой компоненте

Е3

пТ — — *

2рс13е31 V + v

1+—

Зис44 3(mcM +2mcn) д 33 (рсп + рсп)

2-

(5)

Здесь рТу, pSki, eky, pCyk, mCyk - компоненты напряжения, деформации, пьезоэлектрические коэффициенты, тензор упругости пьезоэлектрической и ферритовой фаз.

Известно, что приложение напряжения приводит к изменению резонансного магнитного поля. Мы ограничимся случаем, когда и магнитное и электрическое поля приложены вдоль оси поляризации пьезоэлектрического слоя, совпадающей с осью [111] магнитострикционного слоя; тогда сдвиг резонансного магнитного поля определяется выражением

SH„ = -

_3 л,„чгэ

мп

АЕ,

(6)

где магнитоэлектрическая константа А = -2Мо(В3э - В3/) определяется формулой

А =

2 С\

-е.

Мп

1 +

3V44 +З(тси+2тсп)

'с„ - 2

pj-'13

(7)

Как следует из выражения (6), величина сдвига резонансного магнитного поля определяется пьезоэлектрическими и магнитоупругими константами. Экспериментальные измерения величины МЭ эффекта проведены в микроволновом диапазоне в двухслойной структуре на основе монокристаллов ЖИГ и НМТ и сравнение данных с теоретическими оценками. Монокристаллическая структура предпочтительна для таких измерений по следующим причинам. (1) Малая ширина линии ФМР облегчает точное определение сдвига резонансного магнитного поля и МЭ константы. (2) Модель предсказывает увеличение МЭ константы в монокристалле по сравнению с поликристаллическим образцом. Двухслойные структуры (4 мм х 4 мм) были изготовлены из пленок ЖИГ толщиной 1-110мкм, расположенных в

кристаллографической плоскости (111) на подложке из галлий-гад олиниевого граната (ГГГ) толщиной 0.5 мм. Пленка ЖИГ на неконтактной стороне была удалена, а толщина ГТТ уменьшена до 0.1 мм. Измерения МЭ эффекта были выполнены на спектрометре ЭПР, частота 9.3 ГГц. Падающая мощность поддерживалась 0.1 мВт, что соответствует магнитному полю 130 А/м. Образец размещался за пределами резонатора, чтобы не допустить перегрузку резонатора при резонансном поглощении. Результаты измерений представлены на рисунке 1.

Рис. 1 - Магнитоэлектрический эффект в двухслойных структурах ЖИГ (111) на ГГГ и ТНМ (100) на частоте 9.3 ГГц. Статические поля Е и Н параллельны оси [111] ЖИГ, и перпендикулярны плоскости образца. Сдвиг резонансного магнитного поля показан как функция Е для ряда толщин пленки ЖИГ: 1 - 4.9 мкм, 2 -58 мкм, 3 — 110 мкм.

1 1 внЛ э 1

Л У

• У * т **

А

. .у . • ' * 3 . * *

¿f ... - "" * к

• "

Е, кВ/си

Полученные экспериментальные результаты эффекта хорошо согласуются с теорией.

В третьей главе проведен теоретический расчёт магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических структур, получены выражения для расчёта АЧХ устройств. При расчете резонансных устройств использовался метод анализа, в котором микроволновая линия передачи и резонатор рассматривались как связанная система. Степень связи характеризуется коэффициентом связи, через который представляются основные характеристики линии передач с резонатором. Коэффициент связи резонатора с линией передачи определяется как

о р

отношение собственной добротности к добротности связи: К = = —,

(2св "г

где Ри — мощность, переносимая по линии передачи волнами, переизлученными резонатором, РГСЙ - мощность тепловых потерь связи.

При расчете основных характеристик устройств приняты следующие основные допущения: размеры резонатора вдоль оси линии передачи незначительны по сравнению с длиной электромагнитной волны. Соотношение между падающей и отраженной волнами определяется с учетом только волны основного типа на значительном расстоянии от резонатора, где нераспространяющиеся волны затухают до пренебрежимо малых значений; в уравнение баланса мощностей входит мощность, переносимая волной, отраженной от нагрузки, но взаимодействие резонатора с полем этой волны не учитывается.

Расчет коэффициентов связи сводится к вычислению мощности, поглощаемой и переизлучаемой резонатором. Мощность, переносимая волной, переизлучаемой диполем, определяется формулой:

(8)

Соотношение для рассеиваемой мощности:

Рг=-±а>1т[Г0Мт(Н-0У] (9)

Общее выражение для коэффициентов связи резонатора с согласованной линией передачи имеет вид:

1 ¿у |л/тя;|2 12 4 г, 1т[/>„(#;) ]

Для расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения при включении МЭ резонатора как элемента связи линий передачи пренебрегаем связью между линиями в отсутствие резонатора. Решив уравнение баланса мощностей можно получить соотношения для коэффициентов прохождения, отражения и поглощения (1%, Тр, Ир):

Соотношения для коэффициентов прохождения, отражения и поглощения при частотной расстройке £ = получены путем формальной

замены в соответствующих соотношениях коэффициента связи К при резонансе на комплексный коэффициент связи:

к =——— (12)

Используя общие расчетные соотношения для коэффициентов связи резонатора с линией передачи, можно рассчитать его связь с конкретной линией передачи. Значительный практический интерес представляет сочетание МЭ резонатора с микрополосковой линией передачи. Применение микрополосковых линий обычно ограничивается использованием основной волны Т типа. Соотношение для коэффициента связи в этом случае можно представить в виде:

' 2УХ'г0е( 2 1 ? „ 8лМ0

120л Ом, го=50 Ом.

где V - объем МЭ резонатора, х+ ~ магнитная восприимчивость при резонансе, г0 - волновое сопротивление линии передачи, Z — волновое сопротивление свободного пространства, е - диэлектрическая проницаемость подложки, А -толщина подложки, X - длина волны в линии передачи.

С учетом выражения для коэффициента связи МЭ резонатора с микрополосковой линией передачи, АЧХ однорезонаторного микрополоскового МЭ фильтра определяется выражениями:

1 = 10-

•,где Т

_* = НГ-Н + АН,

К)2+? АЯ

(14)

Д = (1 + кУ-к'2

1+г£

(15)

АНе=АЕ,

Однако в большинстве практических случаев однорезонаторные фильтры имеют недостаточную избирательность и затухание вне полосы пропускания, поэтому в работе рассмотрен двухрезонаторный МЭ фильтр. В качестве рабочей модели двухзвенного фильтра принято каскадное соединение двух однозвенных фильтров, соединенных отрезком линии передачи нерезонансной длины, выполняющим роль элемента связи между звеньями. АЧХ двухзвенного фильтра определяется выражениями:

1 = 10-^-^,7 = 2кк'/А, к = " ' К

\Т\г 1 + /?-

Моделирование АЧХ МЭ фильтров выполнено при помощи математического пакета МАРЬЕ.

В четвертой главе приведены результаты разработки и экспериментального исследования магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур. В работе представлен микрополосковый фильтр. Линии передачи представляют собой связанные микрополосковые линии нерезонансной длины. Резонаторы выполнены в виде пластин ЖИГ/ЦТС, намагниченных резонансным магнитным полем. Развязка между линиями определяется величиной зазора между линиями передачи. Связь между линиями передачи осуществляется с помощью резонаторов. На рисунках 2-4 представлены конструкция и основные характеристики микрополоскового однорезонаторного МЭ фильтра.

| Рис. 2. - Конструкция

микрополоскового . однорезонаторного фильтра.

МЭ

Рисунок 3. Частотная зависимость Рис. 4. Зависимость сдвига резонансной АЧХ однозвенного фильтра при частоты однозвенного фильтра от разных значениях электрического напряженности электрического поля, поля.

Слоистая структура: ЖИГ/ЦТС, ЖИГ[111] - 5,5x1,5x0,11 мм3, ЦТС -4,Ох 1,0x0,5мм ; Но=1700 Э, магнитное поле параллельно плоскости образца.

На рисунках 5-7 представлены конструкция и основные характеристики микрополоскового двухрезонаторного МЭ фильтра.

Рис. 7. Конструкция двухрезонаторного МЭ

фильтра. 1 — МЭ резонаторы, 2 — линии передачи, 3 — подложка, 4 — разъем СВЧ.

Экспериментальные результаты Теоретическое моделирование

Рис. 8. Частотная зависимость вносимых потерь двухрезонаторного МЭ фильтра. Слоистая структура: ЖИГ/ЦТС, ЖИГ 5.5x1x0.11 мм3, ЦТС 4x1x0.5 мм3, Н0=17ОО Э, магнитное поле параллельно плоскости образца.

Рис. 9. Зависимость частотного сдвига двухрезонаторного МЭ фильтра от напряженности электрического поля. Слоистая структура: ЖИГ/ЦТС, ЖИГ 5.5x1x0.11 мм3, ЦТС 4x1x0.5 мм3, Но=1700 Э, магнитное поле параллельно плоскости образца.

Е, ж В /с ы

I

Электрическое управление параметрами микроволновых устройств на основе феррит-пьезоэлектрических материалов открывает новые возможности для их применения и создания на их основе устройств с высоким быстродействием, малыми габаритами и современными технологиями.

В заключении сформулированы выводы и основные результаты диссертационной работы. |

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования резонансных микроволновых эффектов в слоистых композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах на основе монокристаллического ЖИГ и ТНМ или ЦТС. Предложен метод наблюдения ферромагнитного резонанса во внешнем постоянном электрическом поле в МЭ структурах, основанный на эффекте изменения частоты магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.

2. Разработаны рекомендации по практическому применению МЭ материалов в устройствах твердотельной электроники. Наблюдаемая величина сдвига резонансного магнитного поля для слоистого композита монокристаллический ЖИГ - ЦТС, равная 100-120 МГЦ в постоянном электрическом поле 3 кВ/см при ширине линии ФМР 10 МГц позволяет рекомендовать композит указанного состава для создания электрически перестраиваемых устройств твердотельной электроники.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность практической реализации микроволновых МЭ устройств твердотельной электроники на основе новых МЭ материалов. Структура на основе монокристаллический ЖИГ — ЦТС использована при изготовлении МЭ резонатора, позволяющего реализовать электрическую перестройку частоты на величину, на порядок превышающую ширину линии магнитного резонанса.

4. Получены расчётные соотношения для вычисления АЧХ устройств, управляемых с помощью электрического поля. Основой для расчета и конструирования резонансных микроволновых устройств твердотельной электроники являются результаты исследования связи твердотельных

резонаторов с линиями передачи. Степень связи характеризуется коэффициентом связи, через который представляются основные характеристики линии передачи с резонатором — коэффициенты отражения, прохождения и поглощения электромагнитной энергии. 5. Предложена, изготовлена и экспериментально исследована конструкция однорезонаторного и двухрезонаторного МЭ фильтров с электрическим управлением, на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры состава монокристаллический ЖИГ — ЦТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой совокупность теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение научно-технической задачи, а именно, исследование и проектирование магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур, которая имеет существенное значение для создания устройств твердотельной электроники на основе МЭ эффекта.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи:

1. Bichurin M.I. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric/magnetostrictive multilayer composite / Bichurin M.I., Kornev I.A., Petrov V.M., Tatarenko A.S., Kiliba Yu.V., Srinivasan G. // Phys. Rev. B. - 2001. -№ 64, P. 094409.

2. Bichurin M.I. Resonance Magnetoelectric Effect in Multilayer Composites / Bichurin M.I., Kornev I.A., Petrov V.M., Kiliba Yu.V., Tatarenko A.S., Konstantinov N.A., Srinivasan G. // Ferroelectrics 2002. - № 280, P. 187-198.

3. Bichurin M.I. Magnetoelectric Microwave Devices / Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kapralov G.N., Bukashev F.I., Smirnov A.Yu., Tatarenko A.S. // Ferroelectrics 2002. - № 280. - P. 213-220.

4. Петров B.M. Эффективные параметры двухслойного феррит-пьезоэлектрического композита / Петров В.М., Бичурин М.И., Татаренко А.С., Сринивасан Г. // Вестник НовГУ, сер. "Технические науки". - Великий Новгород, 2003. - № 23. - С. 20-23.

5. Bichurin M.I. Left-handed materials based on ferromagnetic-ferroelectric layered structures / Bichurin M.I., Tatarenko A.S., Srinivasan G., and Mantese J. V. // Proceedings Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC-5). -Kluwer Academic Publishers. - 2004. - P. 81-86.

6. Shastry S. Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate - lead titanate / Shastry S., Srinivasan G., Bichurin M.I., Petrov V.M., Tatarenko A.S. // Phys. Rev. B. - 2004. - № 70. - P. 064416.

7. Татаренко A.C. Магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства / Татаренко А.С., Бичурин М.И., Сринивасан Г. // Вестник НовГУ, сер. "Технические науки". - 2004. - № 26. - С. 168-172.

8. Srinivasan G. Electrically Tunable Microwave Filters Based on Ferromagnetic Resonance in Ferrite-Ferroelectric Bilayers / Srinivasan G., Tatarenko A.S., Bichurin M.I. // Electronics Letters. - 2005. - № 41, 10. - P. 596.

9. Tatarenko A.S. Magnetoelectric microwave bandpass filter / Tatarenko A.S., Gheevarughese V., Srinivasan G. // J. Electronics Letters. - 2006. - V. 42, 9. - P. 540.

10. Tatarenko A.S. Magnetoelectric microwave phase shifter / Tatarenko A.S., Srinivasan G., Bichurin M.I. // Appl. Phys. Lett. - 2006. - № 88, P. 183507. Srinivasan G. Millimeter-wave magnetoelectric effects in bilayers of barium hexaferrite and lead zirconate titanate / Srinivasan G., Zavislyak I.V., Tatarenko A.S. // Appl. Phys. Lett. - 2006. - № 89. - РЛ 52508.

Тезисы;

1. Татаренко A.C.. Модель электрически управляемых СВЧ устройств на P-I-N диодах / Татаренко А.С., Шаповалов М.В. // НИТ-2000. - Рязань, 2000. - С. 190191.

I

2. Бичурин М.И. Резонансный магнитоэлектрический эффект в многослойных композитах / Бичурин М.И., Корнев И.А., Петров В.М., Татаренко А.С., Килиба Ю.В., Константинов Н.Е., Srinivasan G. // Всероссийская конференция "Магнитоэлектрические взаимодействия в кристаллах" (MEIPIC-4), Тезисы докладов. - Великий Новгород, 2001. - С. 60-61.

3. Бичурин М.И. Магнитоэлектрические микроволновые устройства / Бичурин М.И., Петров Р.В., Капралов Г.Н., Букашев Ф.И., Смирнов А.Ю., Татаренко А.С. // Всероссийская конференция "Магнитоэлектрические взаимодействия в кристаллах" (MEIPIC-4), тезисы докладов. - Великий Новгород, 2001. - С. 8081. !

4. Bichurin M.I. Left-handed materials based on ferromagnetic-ferroelectric layered structures / Bichurin M.I., Tatarenko A.S., Srinivasan G., and Mantese J.V. // Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC-5). Abstracts. - Sudak, Ukraine, 2003. - P. 18.

5. Petrov V.M. Maxwell-Wagner relaxation in magnetoelectric composites / Petrov V.M., Bichurin M.I., Tatarenko A.S., Srinivasan G. // Bull. American Phys. Soc. -2004.-P. 153.

6. Tatarenko A.S. Influence of constant and ac electric fields on ferromagnetic resonance in magnetoelectric composites / Tatarenko A.S., Bichurin M.I., Petrov V.M., Fillipov D.A., Srinivasan G. // Bull. American Phys. Soc. - 2004. - P. 178.

7. Татаренко А.С. Магнитоэлектрический полосовой фильтр / Татаренко А.С., Бичурин М.И. // Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции Информационные системы и технологии «ИСТ-2004». - Нижний Новгород, 2004. - С. 25.

8. Бичурин М.И. Феррит-пьезоэлектрические композиционные материалы / Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Татаренко А.С., Филиппов А.В., Бускунов Д.Р., Сринивасан Г. // V-ая Международная конференция Электротехнические материалы и компоненты. Труды. - Крым, Алушта, 2004. — С. 263-265.

9. Татаренко А.С. Магнитоэлектрический СВЧ аттенюатор / Татаренко А.С., Бичурин М.И., Филиппов А.В., Srinivasan G. // III Международная научно-

техническая конференция "Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств". - Новополоцк, Беларусь, 2004. - С. 206.

10. Татаренко A.C. Микроволновый аттенюатор на основе феррит-пьезоэлектрического композита / Татаренко A.C., Бичурин М.И., Филиппов A.B. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций". Под редакцией Мироненко И.Г., Пиганова М.Н. - Самара: СГАУ, 2004. - С. 90.

11. Tatarenko A.S. Magnetoelectric Composite Based Microwave Attenuator / Tatarenko A.S., Bichurin M.I., Charlamov A.A., Filippov D.A., Srinivasan G. // Bull. American Phys. Soc.-2005 - V. 51, P. 129-130.

12. Татаренко A.C. Электрический перестраиваемый микроволновой фильтр на основе феррит-сегнетоэлектрических композитов / Татаренко A.C., Бичурин М.И., Харламов A.A., Филиппов A.B. // Тезисы докладов Всероссийской НТ конференции. - Нижний Новгород, 2005. - С. 5.

13. Харламов A.A. Электрический перестраиваемый микроволновый фильтр на основе феррит-пьезоэлектрического композита / Харламов A.A., Татаренко A.C. // XII научная конференция НовГУ, 2005. - С. 28.

14. Tatarenko A.S. A Magneto-Electric Microwave Filter / Tatarenko A.S., Srinivasan G., Bichurin M.I. // Bull. American Phys. Soc. - 2006. - P. 136.

15. Srinivasan G. A Yttrium Iron Garnet-Lead Zirconate Titanate Phase Shifter / Srinivasan G., Tatarenko A.S., Bichurin M.I. // Bull. American Phys. Soc. - 2006. -P. 94.

Патентные документы;

1. A (51) 7 H03H7/00, H01P1/20. СВЧ диплексер / Бичурин М.И., Капралов Г.Н., Юрьев Д.Н., Татаренко A.C., Фомин О.Г. // - 2002. - No RU (11) 2001120085/09.

Изд. Лиц. ЛР № 020815 от 21.09.98 Подписано в печать 20.11.06. Бумага офсетная Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman.. Печать офсетная. Уч.-издл. 1,8. Тираж 100 экз. Заказ № 147. Издательско-полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41. Отпечатано в ИПЦ НовГУ им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

ВВЕДЕНИЕ

Глава

Применение в технике СВЧ магнитоэлектрических материалов (обзор)

1.1. Классификация магнитоэлектрических материалов

1.2 Применение магнитоэлектрических материалов в СВ Ч устройствах

1.2.1 Фазовращатели

1.2.2 СВЧ фильтры

1.2.3 Магнитоэлектрические модуляторы и переключатели

1.3 Сравнение МЭ управляющих устройств с традиционными полупроводниковыми, ферритовыми и сегнетоэлектрическими устройствами

1.4 Требования к магнитоэлектрическим материалам для СВЧ устройств с электрическим управлением

1.5 Выводы

Глава

Исследование микроволнового магнитоэлектрического эффекта в композиционных феррит-пьезоэлектрических материалах

2.1 Магнитоэлектрический эффект. Свойства композиционных магнитоэлектрических материалов (обзор)

2.2 Микроволновый магнитоэлектрический эффект

2.2.1 Общая теория: макроскопическая однородная модель

2.2.2 Слоистый композит с монокристаллическими компонентами 49 2.3 Выводы

Глава

Электродинамический анализ магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением

3.1 Принципы построения управляющих СВЧ устройств на основе МЭ резонаторов

3.2 Общие соотношения для коэффициентов связи

3.3 Твердотельный резонатор, включенный как неоднородность в линию передачи

3.4 Твердотельный резонатор, включенный как элемент связи линий передачи

3.5 Выводы

Глава

Магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур

4.1 Классификация и сравнительный анализ фильтров СВЧ

4.2 Магнитоэлектрические микрополосковые фильтры СВЧ диапазона с электрическим управлением

4.3 Экспериментальные результаты

4.4 Выводы

Актуальность темы. Приборы твердотельной электроники находят широкое применение в самых разнообразных областях науки и техники -радиолокации, навигации, связи, медицине и биологии, а также в ряде физических исследований. Это в свою очередь стимулирует разработки новых элементов и устройств твердотельной электроники, повышение их технико-экономических характеристик. Успешное решение поставленных задач возможно лишь при глубоком и всестороннем исследовании и поиске новых физических явлений и эффектов в твёрдом теле, позволяющих создавать качественно новые элементы и устройства твердотельной электроники [1-9].

Одним из перспективных путей решения этих задач является использование магнитоэлектрических (МЭ) материалов для создания микроволновых устройств твердотельной электроники. В МЭ материалах одновременно существуют магнито- и электрически упорядоченные подсистемы, взаимодействие между которыми вносит ряд особенностей в свойства материала, в реакцию системы на электрическое и магнитное поля. Кроме того, МЭ взаимодействие индуцирует ряд новых интересных эффектов.

Впервые предположение о возможности существования веществ, молекулы которых одновременно имеют электрические и магнитные дипольные моменты, а также о том, что электрическое поле может наряду с электрической поляризацией вызывать намагниченность, а магнитное - наряду с намагниченностью и электрическую поляризацию высказал профессор Московского Университета С.А. Богуславский ещё в 1916 году. МЭ эффект в твёрдом теле был предсказан Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем в 1957 г. [1]. И.Е. Дзялошинский теоретически показал, что среди веществ с известной магнитной структурой имеется, по крайней мере, одно, а именно оксид хрома, в котором должен иметь место магнитоэлектрический эффект [2]. В 1960 г. Д.Н. Астров экспериментально обнаружил МЭ эффект в оксиде хрома [3] и измерил продольную и поперечную МЭ восприимчивости. В настоящее время известно уже большое число МЭ материалов и как у нас в стране, так и за рубежом продолжается поиск и исследование новых. Задача эта является достаточно актуальной, особенно в связи с тем, что в последнее время показана широкая перспектива практического использования МЭ материалов [4, 5, 6]. Наличие у них ряда важных для устройств твердотельной электроники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических и др.) позволяет создать на их основе новые элементы и устройства. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи между диэлектрическими и магнитными подсистемами эти вещества могут найти принципиально новые применения. В частности, это могут быть управляющие устройства магнитного типа, управление параметрами которых осуществляется электрическим полем. Такие устройства, по сравнению с известными, обладают рядом преимуществ. Управление электрическим полем позволяет [7, 8, 9]:

- снизить мощность, потребляемую в цепи управления;

- избавиться от наводок, возникающих при управлении магнитным полем;

- осуществить развязку цепей управления при управлении одновременно электрическим и магнитным полем;

- расширить функциональные возможности управляющих устройств.

Однако широкое применение МЭ материалов в технике пока сдерживается отсутствием у имеющихся материалов необходимой величины магнитоэлектрического взаимодействия и нужного сочетания МЭ свойств с другими физическими параметрами. Поэтому, для реализации устройств на их основе, прежде всего, необходимо всестороннее исследование МЭ материалов в широком диапазоне частот. Учитывая отмеченные преимущества таких устройств, исследование МЭ материалов и построение на их основе устройств твердотельной электроники с электрическим управлением представляются весьма актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлась разработка магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать обоснованные требования к феррит-пьезоэлектрическим структурам по физическим параметрам и величине МЭ эффекта с целью построения на их основе фильтрующих СВЧ устройств.

2. Изготовить феррит-пьезоэлектрические структуры с магнитоэлектрическими характеристиками, позволяющими создавать фильтрующие СВЧ устройства на основе МЭ эффекта.

3. Провести теоретический расчёт магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур, используя инженерные и электродинамические методы.

4. Разработать конструкции и экспериментально исследовать магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур.

Объектами исследований были выбраны слоистые композиционные феррит-пьезоэлектрические материалы на основе монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ - УзРе5012) и пьезоэлектрических твердого раствора титаната ниобата магния (ТНМ - РЬ(М£1/3КЬ2/з)Оз - РЬТЮз) и цирконата-титаната свинца (ЦТС - РЬ(2г,Тл)03).

Методы проведенных исследований.

При математическом моделировании МЭ взаимодействия использовались уравнения эластостатики/эластодинамики, электростатики, магнитостатики, электродинамики. Для измерения МЭ эффекта применялся метод регистрации э.д.с., возникающей на образце при приложении постоянного и переменного магнитных и электрических полей. Для измерений в микроволновом диапазоне применялся метод ферромагнитного резонанса.

Для измерений в микроволновом диапазоне применялся метод ферромагнитного резонанса. Для измерений параметров исследуемых устройств использовался векторный анализатор фирмы Хьюлет Паккард (НР РЫА Е-8361).

Научная новизна работы заключается в следующем: в диссертационной работе решена научная задача по разработке магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических структур:

1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе монокристаллического ЖИГ и пьезоэлектрических ТНМ и ЦТС. Установлено, что величина сдвига линии магнитного резонанса возрастает с увеличением доли пьезоэлектрика.

2. Получены расчётные соотношения для вычисления амплитудно-частотных характеристики (АЧХ) магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических композитов.

3. Экспериментально исследованы магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением. Управляющее электрическое поле 3 кВ/см позволило осуществить перестройку полосно-пропускающего фильтра в полосе частот равной 120 МГц, что на порядок превышает ширину резонансной линии.

Практическая ценность работы.

1. Предложен оригинальный метод наблюдения МЭ эффекта в области магнитного резонанса, основанный на эффекте изменения частоты магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.

2. Экспериментально показано, что величина МЭ эффекта в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе монокристаллического ЖИГ и ЦТС достаточна для построения резонансных МЭ устройств.

3. Показано, что для эффективного управления характеристиками управляющих СВЧ фильтров с резонатором на основе слоистой структуры монокристаллический ЖИГ-ЦТС достаточно управляющего поля 3 кВ/см, то есть при толщине пьезоэлектрического слоя 50 мкм достаточно управляющего напряжения 15 В, это позволяет рекомендовать их как для существующих, так и для вновь создаваемых систем телекоммуникации и связи.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Коэффициент передачи управляющих СВЧ фильтров на основе МЭ резонатора в рабочей полосе частот определяется МЭ восприимчивостью и коэффициентом связи МЭ резонатора с линией передачи.

2. СВЧ резонатор на основе слоистой структуры состава монокристаллический ЖИГ - ЦТС характеризуется электрической перестройкой резонансной частоты в пределах 100-120 МГц при ширине линии магнитного резонанса -10 МГц.

3. Электрическая перестройка АЧХ фильтрующего СВЧ устройства на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур достигает ±120 МГц при управляющем поле ±3 кВ/см.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы, полученные в диссертации, являются частью научно-исследовательских работ и грантов.

- НИР Министерства высшего и профессионального образования «Исследование механизмов резонансного магнитоэлектрического эффекта в материалах функциональной электроники СВЧ» (1997-1999).

- НИР Министерства высшего и профессионального образования «Поиск и исследование новых сегнетомагнетиков в виде керамики и композиционных материалов» (1997-2000).

НИР Министерства образования «Исследования магнитоэлектрических взаимодействий в композиционных материалах» (20002002).

- Грант РФФИ на тему "Исследование магнитоэлектрических взаимодействий в многослойных композиционных материалах на основе манганитов" (2001-2002).

- Грант "Университеты России" на тему «Исследование многослойных и объемных композиционных магнитоэлектрических материалов в широком диапазоне частот» (2002-2003).

- Грант по Программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на тему «Керамические многослойные материалы на основе ферритов и сегнетоэлектриков» (20032004).

- Грант конкурса по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук на тему «Исследование магнитоэлектрического эффекта в многослойных композиционных материалах» (2003-2004).

- Грант "Университеты России" на тему "Исследование гигантского магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических композиционных материалах" (2004-2005).

- Грант РФФИ на тему "Феррит-сегнетоэлектрические композиты для многофункциональных микроволновых устройств" (2006-2007).

- Грант РФФИ на тему "Резонансные и релаксационные явления в магнитострикционно-пьезоэлектрических композиционных материалах в широком диапазоне частот" (2006-2008).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

- Пятой Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" НИТ-2000, Рязань, 2000.

- Всероссийской конференции "Магнитоэлектрические взаимодействия в кристаллах" (MEIPIC-4), Великий Новгород, 2001.

- Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2002), Нижний Новгород, 2002.

- Пятой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference), Нижний Новгород, 2002.

- V International conference "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-5), Sudak, Ukraine, 2003.

- Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2004), Нижний Новгород, 2004.

- V Международной конференции "Электротехнические материалы и компоненты", Алушта, Крым, 2004.

- III Международной научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств", Новополоцк, Беларусь, 2004.

- Annual APS March Meeting 2004, Montreal, Canada.

- Annual APS March Meeting 2005, Los Angeles, CA, USA.

- Annual APS March Meeting 2006, Baltimore, MD, USA

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 10 статьи, в том числе входящих в список ВАК - 2, 15 - тезисы докладов.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в том, что им были выработаны методы исследований, предложены расчетные методики и получены основные научные результаты, изготовлены макеты разработанных устройств и проведено их экспериментальное исследование. (Экспериментальные результаты получены автором в ходе годовой стажировки на физическом факультете в Oakland University, USA).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации 119 страниц, в том числе 27 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 96 названий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования резонансных микроволновых эффектов в слоистых композиционных феррит-пьезоэлектрические материалах на основе монокристаллического ЖИГ и сегнетоэлектрического твердого раствора титаната ниобата магния (ТНМ -РЬ(]У^1/з№>2/з)Оз - РЬТЮз)) и цирконата-титаната свинца (ЦТС). Предложен метод наблюдения ферромагнитного резонанса во внешнем постоянном электрическом поле в МЭ материалах. Метод основан на эффекте изменения частоты магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.

2. Разработаны рекомендации по практическому применению МЭ материалов в устройствах твердотельной электроники. Наблюдаемая величина сдвига резонансного магнитного поля для слоистого композита монокристаллический ЖИГ - ЦТС, равная 100-120 МГЦ в постоянном электрическом поле 3 кВ/см при ширине линии ФМР 10 МГц позволяет рекомендовать композит указанного состава для создания электрически перестраиваемых устройств твердотельной электроники.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность практической реализации микроволновых МЭ устройств твердотельной электроники на основе новых МЭ материалов. Структура на основе монокристаллический ЖИГ - ТНМ/ЦТС использована при изготовлении МЭ резонатора, позволяющего реализовать электрическую перестройку частоты на величину, превышающую на порядок ширину линии магнитного резонанса.

4. Получены расчётные соотношения для вычисления коэффициента передачи и фазовых характеристик устройств, управляемых с помощью электрического поля. Основой для расчета и конструирования резонансных микроволновых устройств твердотельной электроники являются результаты исследования связи твердотельных резонаторов с линиями передачи. Степень связи характеризуется коэффициентом, через который представляются основные характеристики линии передачи с резонатором -коэффициенты отражения, прохождения и поглощения электромагнитной энергии.

5. Предложена и изготовлена конструкция однорезонаторного и двухрезонаторного МЭ фильтров с возможностью электрического управления, на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры состава монокристаллический ЖИГ - ЦТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертационная работа представляет собой совокупность теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение научно-технической задачи, а именно, исследование и проектирование магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур, которая имеет существенное значение для создания устройств твердотельной электроники на основе МЭ эффекта.

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1976. 564с.

2. Дзялошинский И.Б. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. 1959. Т. 37. с. 881-882.

3. Астров Д. Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома // ЖЭТФ. 1961. Т. 40 с.1035 1041.

4. Magnetoelectric interaction phenomena in crystals // Eds. Freeman A. I., Schmid H. London, N.-Y., Paris: Gordon and Breach, 1975. 228p.

5. Schmid H. On a magnetoelectric classification of materials // Ibid. P. 121-146.

6. Бичурин M. И., Петров В. M., Фомич Н. Н., Яковлев Ю. М. Магнитоэлектрические материалы. Физические свойства на сверхвысоких частотах // Обзоры по электронной технике. Материалы. 1985. Вып. 2 (1113). с. 1-80.

7. М.И. Бичурин, В.М. Петров, Магнитоэлектрические материалы на сверхвысоких частотах // НовГУ им. Ярослава Мудрого. Новгород, 1997. -159 с.

8. Бичурин М.И., Петров В.М. и др. Магнитоэлектрические материалы. Физические свойства на сверхвысоких частотах // Обзоры по электрон, технике, сер.80, Материалы, 1985, №2(1113).

9. Бичурин М.И. и др. Магнитоэлектрические материалы: особенности технологии и перспективы применения // Сегнетомагнитные вещества. М.: Наука. 1990. С. 118-133.

10. Татаренко A.C., Бичурин М.И., Сринивасан Г., Магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства // Вестник НовГу, сер. "Технические науки", 2004.-26, С. 168-172.

11. И. A.S. Tatarenko, V. Gheevarughese, G. Srinivasan, Magnetoelectric microwave bandpass filter // J. Electronics Letters, 2006. V.42, 9, P. 540.

12. Веневцев Ю.Н., Гагулин В.В., Любимов В.Н. Сегнетомагнетики. М.: Наука, 1982, 224 с.

13. Сегнетомагнитные вещества / ред. Ю.Н.Веневцев, В.Н.Любимов, М., Наука, 1990, 184 с.

14. Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals. / Eds. Freeman A.I., Schmid H. London, N.-Y., Paris. Gordon and Breach, 1975, 228p.

15. Van Wood E., Austin A.E. Possible application for magnetoelectric materials. -Intern. J. Magn., 1974. V.5, P. 303-315.

16. C.M.Krowne // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1993. 41. -P. 1289.

17. G.Harshe, J.P.Dougherty and R.E.Newnham / Mathematics in Smart Structures // SPIE, 1993.- 1919.-P. 224.

18. L.P.M. Bracke andR.G. van Vliet//M J. Electronics, 1981. 51. - P. 225.

19. S. Lopatin, I. Lopatina, I. Lisnevskaya / Magnetoelectric PZT/Ferrite Composite Materials // Ferroelectrics, 1994. V.162, P. 63-68.

20. Ferroelectrics, 1997. V. 241.

21. Бичурин М.И., Петров B.M., Фомич H.H. Яковлев Ю.М. / Магнитоэлектрические материалы. Физические свойства на сверхвысоких частотах // Обзоры по электронной технике. Серия 6 "Материалы" вып. 2 (1113), М., ЦНИИ "Электроника", 1985, 80 с.

22. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / H.H. Антонов, И.М. Бузин, О.Г. Вендик и др.; Под ред. О.Г. Вендика // М.: Сов. Радио, 1979.-272 с.

23. Бичурин М.И., Петров В.М. / Влияние одноосного давления на спектр магнитного резонанса в ферримагнетиках // Новгород, 1986. 17 с. Деп. В ВИНИТИ 27.01.86, №588-В.

24. Лысенко В.А., Бичурин М.И. / Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов // Тез. Докл. I Всесоюз. конф. М., 1981. С. 26-27.

25. С. Н. Дудорев, В. В. Мериакри, М. П. Пархоменко / Фазовращатели миллиметрового диапазона на ферритовых волноводах // Сборник тезисовшколы-семинара "Физика и применение микроволн", Май 1997 года, Красновидово, Московская область.

26. А. В. Kozyrev, А. V. Ivanov, О. I. Soldatenkov, А. V. Tumarldn, S. V. Razumov, and S. Yu. Aigunova / Ferroelectric (Ba,Sr)TiO 3 Thin-Film 60GHz Phase Shifter// Technical Physics Letters, 2001. V. 27, No. 12, P. 1032.

27. A.B. Kozyrev, M. M. Gaidukov, A. G. Gagarin, A. V. Tumarkin, and S. V. Razumov / A Finline 60-GHz Phase Shifter Based on a (Ba,Sr)TiO 3 Ferroelectric Thin Film // Technical Physics Letters, 2002. Vol. 28, No. 3, P. 239.

28. Б. Лаке и К. Баттон / Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики //М, 675 е., 1965.

29. Смоленский Г.А., Леманов В.В. / Ферриты и их техническое применение //М.: Наука, 1975.-219 с.

30. Т.С. Касаткина, С.Л. Мацкевич, Ю.М. Яковлев / Высокодобротные поликристаллические СВЧ феррогранаты (супергранаты) // Обзоры по электронной технике. Серия 6 "Материалы" вып. 5 (1469) -М., 1989, 63.

31. Гуревич А.Г. / Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках // М, Наука, 1973.- 591 с.

32. Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. / Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr203 //Phys. Rev. Lett. 1961. V.6. №11. P. 607-608.

33. Asher E. / The interaction between magnetization and polarization: Phenomenological symmetry consideration. // J. Phys. Soc. J. 1969 V.28. P.7-16.

34. Santoro R.P. and Newnham R.E. / Survy of Magnetoelectric Materials // Teahnical Report AFML TR-66-327, Air Force Materials Lab., Ohio, 1966.

35. Yatom H. and Englman R. / Theoretical Methods in Magnetoelectric Effect // Pphys. Rev. B, 1969, V. 188, с/ 793-802.

36. Englman R. and Yatom H. / Low Temperature Theories of Magnetoelectric Effect // Proc. Of Symposium on Magnetoelectric Interaction in Crystals, USA, 1973 /Ed Freeman A and Schmid A. Gordon and Breach Sci. Publ., N.-Y, 1975, p. 17-29.

37. Schmid A. / On a Magnetoelectric Classification of Materials // Proc. Of Symposium on Magnetoelectric Interaction in Crystals, USA, 1973 /Ed Freeman A and Schmid A. Gordon and Breach Sci. Publ., N.-Y, 1975, p. 121134.

38. Rado G.T. / Statistical Thery of Magnetoelectric Effect in an Antiferromagnetics //Phys. Rev. Lett., 1962, v. 128, p. 2546-2529.

39. Opechovski W. / Magnetoelectric Symmetry // Proc. of Symposium on Magnetoelectric Interaction in Crystals, USA, 1973 /Ed Freeman A and Schmid A. Gordon and Breach Sci. Publ., N.-Y, 1975, p. 47-58.

40. O'Dell Т.Н. / The electrodynamics of magnetoelectric media // Amsterdam: North-Holland Publ. Company, 1970, 304p.

41. Fuchs R. / Wave Propagation in a Magnetoelectric Medium // Phyl Mag., 1965, V. 11, p. 647-658.

42. Aubert G. / A Novel Approaxh of the Magnetoelectric Effect in Antiferromagnets //J. Appl. Phys., 1982, V. 53, p. 8125-8129.

43. Шавров В. Г. / О магнитоэлектрическом эффекте // ЖЭТФ. 1965. Т. 48, N5. С. 1419- 1426.

44. Akexander S. and Shtrikman S. / On the Origin of Axial Magnetoelectric Effect od Cr203 // Sol. State. Comm., 1966, V. 4, p. 115-125.

45. Asher E. / The interaction between magnetization and polarization: Phenomenological symmetry consideration. // J. Phys. Soc. J. 1969 V.28. P.7-16.

46. Brown Jr. W. F. et al. / Upper Bound on the Magnetoelectric Susceptibility // Phys. Rev, 1968, V. 168, P. 574-588.

47. Rado G.T. / Observation and Possible Mechanisms of Magnetoelectric Effect in Ferromagnet // Phys. Rev. Lett., 1964, V. 13, p. 335-337.

48. Rado G.T. / Present Status of the Theory of Magnetoelectric Effects // Proc. of Symposium on Magnetoelectric Interaction in Crystals, USA, 1973 /Ed Freeman A and Schmid H. Gordon and Breach Sci. Publ., N.-Y, 1975, p. 3-22.

49. Бичурин М.И., Петров B.M. / Влияние электрического поля на спектр антиферромагнитного резонанса в борате железа // ФТТ, 1987, т.29, № 8, с.2509-2510.

50. Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals / Eds. A. J Freeman, H. Schmid. London. N.-J. Paris: Gordon and Breach, 1975. 228 p.

51. Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнетомагнетики // УФН, 1982. Т. 137, №3. С. 415-448.

52. Сегнетомагнитные вещества // Под ред. Ю.Н.Веневцева, В.Н.Любимова, М.: Наука, 1990. 184с.

53. Proceedings Of The 2nd International Conference On Magnetoelectnc Interaction Phenomena In Crystals (MEIPIC-2, Ascona) // Ferroelectrics. 1993. V. 161, 162.

54. Proceedings Of The 3rd International Conference On Magnetoelectric Interaction Phenomena In Crystals (MEIPIC-3, Novgorod) // Ferroelectrics 1997. V. 204.

55. Proceedings Of The Fourth Conference On Magnetoelectric Interaction Phenomena In Crystals (MEIPIC-4, Veliky Novgorod) // Ferroelectrics 2002. V. 279-280.

56. Магнитоэлектрические материалы. Физические свойства на сверхвысоких частотах / М.И. Бичурин, В.М. Петров, Н.Н. Фомич, Яковлев Ю.М. // Обзоры по электронной технике. Сер. 6, 1985. Вып. 2 (1113). М. 80 с.

57. Van Suchtelen J. / Product properties: A New Application of Composite Materials // Philips Res. Rep., 1972, V. 27, p. 28-37.

58. Van Suchtelen J. / Non structural Application of Composite Materials // Ann. Chim. Fr, 1980, V.5,p. 139-145.

59. Дзялошинский И. E. / Проблема пьезомагнетизма // ЖЭТФ, 1957, т. 33, с 807-812.

60. Van den Boomgard J. et al. / An In Situ Grown Eutectic Magnetoelectric Composite Materials: Part I // J. Mater. Sci., 1974, V. 9, p. 1705-1710.

61. Van Run A.M.J.G et al. / An In Situ Grown Eutectic Magnetoelectric Composite Materials: Part II // J. Mater. Sci., 1974, V. 9, p. 1710-1715.

62. Van den Boomgard J., van Run A.M.J.G. and van Suchtelen J. / Magnetoelectricity in Piezoelectric-magnetostrictive Composites // Ferroelectrics, 1976, V. 10, p. 295-299.

63. Van den Boomgard J., van Run A.M.J.G. and van Suchtelen J. / Piezoelectric-Piezomagnetic Composites with Magnetoelectric Effect// Ferroelectrics, 1976, V. 14, p. 727-732.

64. Van den Boomgard J., van Run A.M.J.G. / Poling of a Ferroelectric Medium by means of a Built-in Space Charge Field with Special Reference to Sintered Magnetoelectric Composites // Solid State Comm., 1976, V. 19, p. 405-407.

65. Van den Boomgard J. and Born R.A.J. / Sintered Magnetoelectric Composite Material BaTi03Ni(Co, Mn)Fe204//J. Mater. Sci., 1978, V. 13, p. 1538-1539.

66. Bunget I. and Raetchi V. / Magnetoelectric Effect in the Heterogeneous System NiZn Ferrite PZT Ceramic // Phys. Stat. Sol., 1981, V. 63, p. K55.

67. Bunget I. and Raetchi V. / Dynamic Magnetoelectric Effect in the Composite System of NiZn Ferrite and PZT Ceramics // Rev. Roum. Phys., 1982, V. 27, p. 401-404.

68. Bracke L.P.M. and van Vliet R.G. / Broadband Magneto-Electric Transducer Using a Composite Material // Int. J. Electronics, 1981, V. 51, p. 255-263.

69. Rottenbacher R., Oel H.J. and Tomandel G. / Ferroelectrics Ferromagnetics // Ceramics Int., 1091, V. 106, p. 106-109.

70. Гелясин А.Е., Лалетин В.М. / Влияние магнитного поля на резонансную частоту композиционной керамики феррит пьезоэлектрик // Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, вып. 19, с. 1746-1748.

71. Бичурин М.И., Петров В.М. / Магнитный резонанс в слоистых феррит-сегнетоэлектрических структурах // ЖТФ, 1988, №11, т.58, с.2277-2278.

72. Бичурин М. И., Дидковская О. С., Петров В. М., Софроньев С. Э. / Резонансный магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах // Изв. вузов. Сер. Физика. 1985, N 1, с. 121 -122.

73. Бичурин М.И. / Резонансные магнитоэлектрические эффекты в парамагнитных и магнитоупорядоченных средах на сверхвысоких частотах: докторская диссертация // Новгородский политехи, ин-т. Новгород, 1988.288 с.

74. Бичурин М. И., Петров В.М. и др. / Магнитоэлектрические материалы: особенности технологии и перспективы применения // Сегнетомагнитные вещества. М.: Наука. 1990. С. 118 133.

75. Бичурин М.И., Петров В.М., Корнев И.А. / Магнитный резонанс в магнитоэлектрических композиционных материалах // Тез. I Объедин. конф. по магнитоэлектронике, ИРЭ РАН, М. 1995, с. 123.

76. Bichurin М. I., Petrov V. М. / Influence of external electric field on magnetic resonance frequency in magnetic ferroelectrics // Ferroelectrics, 1995, v. 167, p. 147-150.

77. Бичурин М.И., Петров B.M., Фомич H.H. / Магнитоэлектрическая восприимчивость ферримагнетиков в диапазоне СВЧ и методы измерений // Сегнетомагнитные вещества. М.: Наука. 1990. С. 67-79.

78. Bichurin M.I., Petrov V.M. / Composite magnetoelectrics: their microwave properties // Ferroelectrics, 1994, v. 162, p.33-35.

79. Harshe G., Dougherty J. P., and Newnham R. E. / Theoretical Modelling of 30.0-3 Magnetoelectric Composites // Int. J. Appl. Electromagn. Mater., 1993, V. 4, P. 161-171.

80. Гуревич А. Г. / Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках //М.: Наука, 1973. 591 с.

81. Bichurin M.I., Petrov V.M., Kiliba Y.V. and Srinivasan G. / Magnetic and Magnetoelectric Susceptibilités of a Ferroelectric.Ferromagnetic Composite at microwave Frequencies // Phys. Rev. B, 2002, v. 66, p. 134404 (1-10).

82. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A. and G. Srinivasan. / Influence of constant and ac electric fields on ferromagnetic resonance in magnetoelectric composites // Bull. Am. Phys. Soc., 2004, P. 223.

83. Bichurin M.I., Petrov V.M. et al. / Resonance Magnetoelectric Effect in Multilayer Composites // Ferroelectrics, 2002, v. 280, p. 187-197.

84. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A. and G. Srinivasan. / Influence of constant and ac electric fields on ferromagnetic resonance in magnetoelectric composites // Bull. Am. Phys. Soc., 2004, P. 223.

85. Рогозин B.B., Чуркин В.И. / Ферритовые фильтры и ограничители мощности // М.: Радио и связь, 1985. 262 с.

86. Бичурин М.И., Петров В.М. / Магнитоэлектрические материалы на сверхвысоких частотах // НовГУ им. Ярослава Мудрого. Новгород, 1998.- 154 с.

87. Ильченко М.Е., Кудинов Е.В. / Ферритовые и диэлектрические резонаторы СВЧ // Киев, 1973. издательство Киевского университета, 174 с.

88. Антенны и устройства СВЧ / под ред. Д.И. Воскресенского // Радио и Связь, М, 1981,431 с.

89. Конструирование и расчет полосковых устройств / Под ред. И.С. Ковалева//М., Сов. радио, 1974. 295 с.

90. Carter P.S. // IEEE Trans. МТТ, 1970, 18, N2.

91. Татаренко А.С., Бичурин М.И., Сринивасан Г. / Магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства // Вестник НовГУ, 2004. сер. "Технические науки", 26, С. 168-172.

92. Srinivasan G., Tatarenko A.S., Bichurin M.I. / Electrically Tunable Microwave Filters Based on Ferromagnetic Resonance in Ferrite-Ferroelectric Bilayers // Electronics Letters, 2005. V.41, 10, P. 596.

93. A.S. Tatarenko, G. Srinivasan, M.I. Bichurin / A Magneto-Electric Microwave Filter // Bull. American Phys. Soc., 2006.

94. A.S. Tatarenko, V. Gheevarughese, G. Srinivasan / Magnetoelectric microwave bandpass filter // J. Electronics Letters, 2006. V.42, 9, P. 540.

95. S. Shastry and G. Srinivasan, M.I. Bichurin, V. M. Petrov, A.S. Tatarenko / Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate lead titanate // Phys. Rev. B, 2004, V. 70, p. 064416.