автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Магнитоэлектрический эффект в многослойных плёночных структурах ферромагнетик - пьезоэлектрик

На правах рукописи

О СТА ЩЕН КО АРТЁМ ЮРЬЕВИЧ

Магнитоэлектрический эффект в многослойных плёночных структурах ферромагнетик — пьезоэлекгрик

Специальность: 05 27£)1- Твердотельная алеюроника,радиоэлектронные компоненты, микро- и нано ал еюроника, приборына квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва -2006

Работа выполнена на кафедре «Физика ко ндет сиро ванных состояний» в

го суд ар сгвенно м обр азо вател ьно м у чр ежд ении высш его профессионального образования «Мэсковский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Фетисов Юрий Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бичурин МирзаИмамович

кандидат физико-математических наук, доцент Пятаков Александр Павлович

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

Российской Академии Наук(Мэсква)

Защита диссертации состоится « 26 » декабря 2006 г. на заседании диссертационного совета Д 212.131.02 в ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» по адресу: 119454, г. Москва, пр-т Вернадского 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

А вто реферат разослан « » ноября2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.131.02 ^ кандидат технических наук, '

доцент #

Вал вднер В.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы во многих исследовательских лабораториях развернулись интенсивные исследования магнитоэлектрических (МЭ) явлений в многослойных композитных структурах, содержащих ферромагнитные и пьезоэлектрические слои. В работе [1] показано, что величина МЭ эффекта в таких структурах может на несколько порядков превосходить величину эффекта в естественных материалах, что открывает широкие возможности для использования эффекта в различных областях микроэлектроники.

Магнитоэлектрический эффект представляет собой взаимосвязь намагничивания и электрической поляризации в материалах, обладающих одновременно как магнитным, так и электрическим упорядочением [2]. При помещении образца во внешнее магнитное поле Н изменяется его ди-польный момент Р, а приложение внешнего электрического поля Е вызывает изменение намагниченности М образца. Величину МЭ эффекта характеризуют с помощью коэффициента аЕ = Е/Н, где Е - напряжённость электрического поля, возникающего в образце, не имеющего короткого замыкания, под действием внешнего магнитного поля Н. Магнитоэлектрический эффект впервые был обнаружен в монокристаллах СггОз [3]. Однако в естественных материалах эффект слабый ан ~1-20 мВ/(смЭ) и наблюдается, как правило, при низких температурах.

В композитных структурах МЭ эффект возникает в результате совместного действия магнитострикции и пьезоэффекта благодаря механической связи между ферромагнитными и пьезоэлектрическими слоями. При использовании современных материалов с большой магнитострикцией (ферриты, металлы, редкоземельные сплавы) и большим пьезомодулем (цирконат-титанат строция, титанат бария-стронция и т.д.) МЭ коэффициент для многослойных структур может достигать при комнатной температуре значении аЕ ~ 102-104 мВ/(смЭ).

К началу работы над диссертацией были сделаны первые шаги в разработке технологии изготовления двухслойных и многослойных магнитоэлектрических структур различного состава со слоями ферромагнетика и пьезоэлектрика толщиной от единиц миллиметров до десятков микрон, измерены некоторые электрические и магнитные характеристики таких структур, теоретически установлены основные параметры структур, влияющие на величину МЭ эффекта.

Вместе с тем, целый ряд вопросов, касающихся особенностей МЭ взаимодействия в многослойных структурах, и представляющих несомненный интерес для применений, не рассматривался ни экспериментально, ни теоретически. В частности, отсутствовали сведения о частотных и

температурных характеристиках МЭ эффекта в многослойных структурах и влиянии собственной проводимости слоев структуры на величину МЭ эффекта. Не существовало теории, позволяющей рассчитать величину МЭ эффекта в структурах, нанесенных на подложку, и учитывающей изгибные деформации подложки. Требовалось исследовать возможности создания датчиков магнитного поля на основе МЭ структур и сравнить характеристики таких датчиков с датчиками других типов. Кроме того, полностью отсутствовали исследования МЭ эффекта в тонкопленочных структурах, представляющих интерес для микроэлектроники.

Необходимость решения всех этих вопросов и определяет актуальность и практическую значимость диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах ферромагнетик — пьезоэлектрик и определение возможностей использования МЭ эффекта для создания датчиков магнитных полей.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать зависимости характеристик МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах состава никель-цинковый феррит (НЦФ) - цирконат-титанат свинца (ЦТС) от величины, ориентации и частоты модуляции магнитного поля в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.

2. Исследовать температурные характеристики МЭ эффекта в структурах состава НЦФ-ЦТС в диапазоне температур - 180...+100 °С.

3. Разработать импульсный метод исследования характеристик МЭ эффекта, который позволил бы измерить частотные характеристики МЭ структур НЦФ-ЦТС в диапазоне частот модуляции магнитного поля до 1 МГц. 4. Разработать теорию и методики расчёта характеристик МЭ эффекта в пленочных двухслойных и многослойных МЭ структурах, а также в двухслойных МЭ структурах на подложке, с учётом изгибных деформаций.

5. Экспериментально продемонстрировать возможность применения многослойных магнитострикционных пленок на основе редкоземельных металлов для увеличения МЭ эффекта в многослойных структурах.

Объектами исследований в диссертационной работе являлись многослойные структуры, содержащие ферромагнитные пленки никель-цинкового феррита К1х2п1.хРе204 и пьезоэлектрические плёнки цирконата-титаната свинца PbZro.52Tio.48O3, изготовленные методами толстопленочной керамической технологии, а также структуры, содержащие многослойную магнитост-рикционную пленку ТЬСо/ТеСо, изготовленную методом магнетронного на-

пыления и нанесенную на подложку из цирконата-титаната свинца.

Характеристики МЭ эффекта в многослойных структурах в области низких частот измерялись методом гармонической модуляции магнитного поля, а в области средних частот - методом возбуждения структуры импульсами магнитного поля. Для измерения магнитострикции тонких плёнок использовался оптический метод измерения смещения свободного края балки.

Численные расчёты проводились с использованием математических пакетов Майюас! 11 и РЕМЬАВ.

Научная новизна работы

1. Исследованы зависимости МЭ коэффициента для многослойных пленочных структур НЦФ-ЦТС от величины и ориентации постоянного магнитного поля.

2. Впервые исследована зависимость МЭ коэффициента для многослойных пленочных НЦФ-ЦТС от частоты модуляции магнитного поля в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц.

3. Впервые измерены температурные зависимости МЭ коэффициента для многослойных плёночных структур НЦФ-ЦТС в области температур от -180°С до + 100°С

4. Показано, что МЭ коэффициент для многослойных структур НЦФ-ЦТС имеет максимум в области низких частот вследствие частотной зависимости проводимости и емкости слоёв.

5. Впервые построена теория, описывающая характеристики МЭ эффекта в двухслойных и многослойных толстоплёночных структурах и в тонкоплёночных структурах на подложке, с учётом изгибных деформаций.

6. Впервые обнаружен и исследован МЭ эффект в структурах, содержащих многослойную магнитострикционную пленку ТЪСо(5нм)/РеСо(5нм)х50, нанесённую на ЦТС подложку, в области полей спинового переориентационного фазового перехода.

Практическая ценность работы

1. Установленные в работе зависимости характеристик МЭ эффекта в многослойных структурах НЦФ-ЦТС от величины и ориентации постоянного магнитного поля, частоты модуляции переменного поля и температуры показывают возможность создания на основе таких структур датчиков магнитных полей.

2. Разработанный новый метод исследования (импульсный метод) МЭ эффекта в многослойных структурах позволяет расширить область частот и сократить время измерения частотных характеристик МЭ эффекта.

3. Рассчитаны механические деформации и характеристики МЭ эффекта в двухслойных плёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик и тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик на подложке с учётом изгабных деформаций. Сформулированы условия существования МЭ взаимодействия в тонкоплёночных структурах, нанесенных на подложку.

4. Продемонстрирована возможность использования спинового пере-ориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных пленках TbCo/FeCo для увеличения МЭ взаимодействия в композитных структурах.

Степень достоверности результатов проведённых исследований.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивалась строгим использованием адекватного математического аппарата, проверкой разработанных методов, обширным экспериментом и сопоставлением полученных результатов с результатами работ других авторов. Показан предельный переход формул для двухслойных структур с учётом изгиба в формулы для симметричных структур без него.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В многослойных плёночных структурах НЦФ-ЦТС МЭ коэффициент имеет максимум в области низких частот, после которого монотонно спадает с увеличением частоты, сильно возрастая лишь в области частот, соответствующих электромеханическому резонансу структуры.

2. Максимум в области низких частот МЭ коэффициент для плёночных структур НЦФ-ЦТС обусловлен зависимостью от частоты проводимости и ёмкости слоев многослойной структуры.

3. При расчёте характеристик МЭ эффекта в двухслойных структурах магнетик-пьезоэлектрик необходимо учитывать изгибные деформации, приводящие к уменьшению величины МЭ эффекта.

4. В тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик, нанесённых на подложку, МЭ эффект отсутствует, если намагниченность магнитной плёнки в размагниченном состоянии лежит в плоскости структуры, а пьезоэлектрическая плёнка поляризована по толщине.

5. Использование спинового переориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных плёнках позволяет увеличить их маг-нитострикционную восприимчивость и, как следствие, повысить МЭ коэффициент в структурах на их основе.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на международных и российских конференциях, в том числе:

Научная сессия МИФИ-2003; International Conference of Magnetism,

Rome, Italy, 2004; International Conference IEEE Sensors-2004, Vienna, Austria; XIX Международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», МГУ, 2004; Международная научная конференция «Тонкие плёнки и наноструктуры», Москва, 2004; Международная научная конференция «Relaxation Phenomena in Solids - 21», Воронеж, 2004; Международные научно-технические школы-конференции «Молодые учёные — 2005».

Публикации

По результатам работы опубликовано 9 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, 5 работ в материалах конференций.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в изготовлении тонкоплёночных структур, проведении расчётов и экспериментальных исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 150 страницы, в том числе 79 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список включает 60 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель диссертации и защищаемые положения. Указан объем и кратко изложено содержание диссертации по главам, приведены сведения об апробации работы.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу современного состояния и развития исследований МЭ эффекта.

В первом параграфе дано определение МЭ эффекта и описаны его экспериментальные исследования в монокристаллах. Отмечено, что существование МЭ эффекта в магнитоупорядоченных материалах было предсказано Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем [2], а Д.Н. Астров впервые обнаружил этот эффект экспериментально в оксиде хрома Сг203 [3].

Во втором параграфе приведен обзор исследований МЭ эффекта в объемных композитах. Показаны проблемы, встречавшиеся на разных этапах изготовления композитов и пути их решения.

В третьем параграфе обоснован выбор для исследований многослойных плёночных композитных структур магнетик-пьезоэлектрик. В композитных структурах МЭ эффект отсутствует в каждой из фаз по отдельно-

сти. Его возникновение обусловлено механическим взаимодействием между магнитострикционной и пьезоэлектрической фазами. Плёночные композитные структуры лишёны таких недостатков их предшественников, как низкие рабочие температуры и малая величина МЭ коэффициента для монокристаллов или перколяция для объёмных композитов. Там же описаны основные методы изготовления многослойных плёночных структур.

В четвёртом параграфе дан обзор экспериментальных работ по МЭ эффекту в области акустического резонанса.

В пятом параграфе обсуждены основные теоретические модели, используемые для описания МЭ эффекта в плёночных структурах.

В шестом параграфе кратко описаны возможные технические применения МЭ эффекта.

В заключение главы сформулированы выводы по результатам литературного обзора и поставлены задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованиям МЭ эффекта методом воздействия на образец переменным магнитным полем гармонического вида. Метод позволяет исследовать зависимость характеристик МЭ эффекта от величины постоянного и переменного магнитных полей в низкочастотной области (от десятков Гц до десятков кГц).

В первом параграфе описана толстоплёночная керамическая технология изготовления многослойных плёночных структур НЦФ-ЦТС и характеристики образцов, использованных в экспериментах. Типичные размеры многослойной структуры в плоскости составляли 3x6 мм2 и она содержала 10 слоёв ЦТС и 11 слоёв НЦФ с толщиной каждого слоя 18 мкм (см. фотографию бокового среза структуры на вставке рис.1).

Во втором параграфе описана экспериментальная установка и метод измерений. Многослойную плёночную структуру помещают в область переменного магнитного поля, изменяющегося по синусоидальному закону, и одновременно прикладывают к ней постоянное магнитное поле. Магнитострикция вызывает деформацию магнитных и пьезоэлектрических слоев структуры, что приводит к возникновению на обкладках структуры электрического напряжения той же частоты, что и частота переменного магнитного поля. Меняя частоту переменного магнитного поля, можно исследовать частотную зависимость характеристик МЭ эффекта, а, изменяя величину постоянного магнитного поля - измерять зависимость характеристик МЭ эффекта от поля смещения. Метод гармонической модуляции поля не позволяет подняться по частоте выше десятков килогерц, т.к. с ростом частоты растёт индуктивное сопротивление катушек и падает амплитуда создаваемого ими магнитного поля.

В третьем параграфе приведены зависимости МЭ эффекта от величины и ориентации постоянного магнитного поля смещения. Типичная зависимость

МЭ коэффициента от напряженности поля для НЦФ-ЦТС структуры показана на рис.1. Максимум вблизи поля 200 Э соответствует максимуму производной магнитострикции по величине постоянного магнитного поля.

/V

/ V :

IX

V

О 200 400 600 800

Магнитное пол© Н (Э):

1,0-

Я)

S т 0,8-

ш

*

и: 0,6-

а

г

га X 0,4-

5

а. о,2-

<>

X

0,0-1

V \\

Рис.1. Зависимость МЭ коэффициента НЦФ-ЦТС структуры от постоянного магнитного поля. На вставке показана фотография бокового среза структуры

20 40 60 80 100

Частота, кГц

Рис.2. Зависимость МЭ напряжения, генерируемого многослойной НЦФ-ЦТС структурой, от частоты модуляции поля: штриховая линия — эксперимент, сплошная линия - расчет

В четвёртом параграфе представлены результаты исследования поведения МЭ коэффициента для структур НЦФ-ЦТС при изменении амплитуды и частоты переменного магнитного поля. Типичный график зависимости МЭ напряжения от частоты поля показан на рис.2. Видно, что напряжение имеет максимум в области частот вблизи 1 кГц, который формируется из-за частотной зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости слоев структуры.

DOOOOOOOOOO

f = 800 Гц, Н = 250 Э

-200 -100 0 100 Температура Т(°С)

Рис.3. Температурная зависимость МЭ напряжения, снимаемого с обкладок НЦФ-ЦТС структуры

В пятом параграфе второй главы приведены результаты исследования зависимости МЭ коэффициента от температуры в многослойных плёночных структурах НЦФ - ЦГС. Типичный вид температурной зависимости МЭ напряжения представлен на рис.3. При охлаждении структуры до —180 °С амплитуда МЭ напряжения падала, по-видимому, из-за температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь структуры. При нагрева-

нии до 100°С величина напряжения снижалась менее, чем на 3 %.

В шестом параграфе на основании исследований, описанных в предыдущих параграфах, показана возможность создания датчиков постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей на основе МЭ эффекта. Проведено сравнение параметров датчика магнитного поля на основе МЭ эффекта с параметрами датчиков полей других типов. В заключении обобщены результаты и сделаны выводы по второй главе.

Третья глава посвящена исследованиям МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах импульсным методом. Метод является новым в частотных и динамических исследованиях МЭ эффекта. Он заключается в воздействии на структуру импульсами магнитного поля и регистрации временной эволюции электрического напряжения, генерируемого структурой. Временные зависимости возбуждающего импульса и отклика напряжения подвергаются преобразованию Фурье.

150 100500100-

10

Время (мкс)

50 100 Время (мкс)

(а)

(б)

Рис.4. Осциллограмма импульса магнитного поля (а) и отклика МЭ структуры (б)

400-

300-

со

5

.о 200-

СП

2,

ш 100-

а

—г-

200

400 600

Частота (кГц)

г—

800

Рис.5. Частотная зависимость МЭ коэффициента (Хе(/) для многослойной структуры НЦФ-ЦТС

Зависимость МЭ коэффициента от частоты находится путем деления спектра 1/ме(/) МЭ сигнала на частотный спектр Ь(/) импульса магнитного поля и толщину всех ЦТС слоёв структуры. Импульсный метод исследования МЭ эффекта превосходит метод гармонической модуляции магнитного поля, как по частотному диапазону, так и по быстроте измерений.

В первом параграфе главы описана экспериментальная установка и методика по измерению МЭ коэффициента импульсным методом.

Во втором параграфе приведена и описана схема токового усилителя, используемого в экспериментальной установке.

В третьем параграфе приведены результаты исследований МЭ эффекта короткими 1мкс) импульсами магнитного поля. На рис.4 приведены осциллограммы импульса поля, действующего на МЭ структуру, и отклика структуры на такое воздействие. Импульс поля возбуждает в структуре колебания напряжения, амплитуда которых спадает по экспоненциальному закону. Фурье обработка экспериментальных данных позволяет получить зависимость МЭ коэффициента аЕ от частоты для исследуемой структуры, типичный вид которой приведен на рис. 5.

Форма частотной зависимости аЕ(/) для МЭ эффекта в многослойной структуре НЦФ-ЦТС позволяет сделать следующие выводы:

- МЭ коэффициент аЕ имеет максимум в области низких частот;

- после максимума МЭ коэффициента^ в целом монотонно спадает с увеличением частоты из-за уменьшения сопротивления слоев структуры, существенно возрастая лишь в области определённых частот;

- сильное увеличение МЭ коэффициента аЕ в области определённых частот соответствует возбуждению стоячих акустических волн в плоскости образца.

В четвёртом параграфе третьей главы описаны результаты исследований МЭ коэффициента длинными (~100 мкс) импульсами магнитного поля. Использование длинных импульсов магнитного поля позволяет увеличить точность измерений в низкочастотной области (до 20 кГц) и сопоставить результаты, полученные данным методом, с результатами измерений методом гармонической модуляции поля.

В заключительном параграфе главы сделан вывод о том, что импульсный метод исследований МЭ эффекта является более оперативным и позволяет расширить область частотных исследований до 1 МГц и выше.

Четвёртая глава посвящена расчету МЭ эффекта в двухслойных плёночных структурах магнетик - пьезоэлектрик и в тонкоплёночных МЭ структурах, нанесённых на подложки. При теоретическом рассмотрении учитывались изгибные деформации структур.

Следуя теории упругости тонких пластин, вектор упругого смещения

(х,у,г) представлялся в виде степенного ряда по переменной г и сохранялись члены до третьей степени. Далее записывалась свободная энергия структур. Уравнения равновесия структуры были получены с помощью вариационного принципа. При этом для образца со свободными границами условие обращения в ноль первой вариации свободной энергии сводится к обращению в ноль производных от поверхностной плотности свободной энергии по независимым производным от смещений. Это приводит к сис-

теме четырёх уравнении, решение которых позволяет связать механические деформации с магнитострикцией. Далее, по найденным деформациям, рассчитывалась величина электрического напряжения, генерируемого в структурах вследствие пьезоэффекта.

В первом параграфе главы рассмотрен случай двухслойной структуры магнетик-пьезоэлектрик, нанесённой на подложку. Показано, что в двухслойных (и других асимметричных) структурах нельзя пренебрегать изгибными деформациями. Выражение для напряжения, возникающего на двухслойной структуре магнетик - пьезоэлектрик, нанесённой на подложку, имеет вид:

V--7-

+ м) (1 + <Г + /лГ ¡СоШ-е-(1 + м)-(1 + £+у) + М + 2)1

(4-м) 1 12 6 /

х!п

1+_ _

(1)

где Я. ц и Ад. — продольная и поперечная магнитострикция, су — упругие коэффициенты структуры, ву — пьезоэлектрические коэффициенты, выраженные в [Кл/м ], еТу— диэлектрическая проницаемость, с!т — толщина магнитного слоя, с1р — толщина пьезоэлектрического слоя, сЦ - толщина подложки, £ = <Лт ¡¿р ,/л = <1, ¡с1р.

Расчёт выполнен в предположении равенства упругих коэффициентов материалов слоев и незакреплённых границ образца. Полученная формула для двухслойных структур с учётом изгиба переходит в формулу для симметричных структур, полученную ранее [6], когда члены ответственные за изгиб, принимаются равными нулю.

Сравнение результатов расчета для двухслойных и многослойных структур показывает, что отсутствие изгиба в симметричных многослойных структурах приводит к бблыним величинам МЭ напряжения и МЭ коэффициента. Зависимость МЭ коэффициента от соотношения толщин магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев £ имеет разный вид и для случая симметричной структуры нарастает до насыщения быстрее с ростом

Во втором параграфе рассмотрена тонкоплёночная МЭ структура магнетик-пьезоэлектрик, нанесённая на подложку. Проанализирован случай, когда

намагниченность плёнки лежит в плоскости, намагничивание пленки также осуществляется в плоскости, а пьезоэлектрическая плёнка поляризована перпендикулярно плоскости. Для выбранных исходных условий расчёт показывает отсутствие МЭ эффекта в структуре с незакреплёнными границами образца. Для появления МЭ взаимодействия необходимо нарушить равенство продольных и поперечных деформаций в структуре. Это можно сделать путем неоднородного в плоскости напыления магнитной плёнки, либо закрепляя границы образца. Можно также использовать поляризованный в плоскости пьезоэлектрический слой или магнитострикционную плёнку с осью анизотропии, перпендикулярной плоскости плёнки.

В третьем параграфе приведен расчёт частотной зависимости МЭ напряжения для НЦФ-ЦТС структуры в области низких частот. Учитывалось, что структура обладает ёмкостью С и сопротивлением Я, которые самн зависят от частоты. Показано, что зависимость напряжения на обкладках МЭ структуры в этом случае дается выражением:

£/(/) = = , ™ ■ + ф), где ф = агс1ё(—) и и0 = , а т =Л С (2) С л/1 + гЛу2 тсо с

Сравнение результатов расчета по формуле (2) с данными измерений для образца НЦФ-ЦТС, приведенное на рис. 2, демонстрируют хорошее согласие теории с экспериментом в области частот вплоть до 20 кГц.

В заключительном четвёртом параграфе сделаны основные выводы по результатам теоретических исследований и расчётов.

Пятая глава посвящена исследованиям МЭ эффекта в структурах с многослойными магнитострикционными пленками, напыленными на пьезоэлектрические подложки.

В первом параграфе обоснована целесообразность использования многослойных магнитных пленок в качестве магнитострикционного компонента в МЭ структурах. Показано, что структура, состоящая из обменно-связанных пленок, обладающих гигантской магнитострикци-ей, и магнитомягких пленок, насыщающихся в малых магнитных полях, позволяет получить магнитострикцию значительно выше, чем у магни-томягкой пленки, а поле насыщения значительно ниже, чем у отдельно взятой пленки с гигантской магнитострикцией. Пленки с гигантской магнитострикцией изготавливались из редкоземельных сплавов состава ТЬСо, а в качестве магнитомягкого материала использовался РеСо. Путем напыления многослойной пленки во внешнем касательном магнитном поле в ней можно создать ось легкого намагничивания (ОЛН). В таких «одноосных пленках» в области малых магнитных полей наблюдается спиновый переориентационный фазовый переход (СПФП). Использование СПФП позволяет еще на порядок повысить восприимчи-

вость магнитострикции многослойной пленки к переменному магнитному полю, и, таким образом, увеличить эффективность МЭ взаимодействия в малых магнитных полях.

Во втором параграфе описана технология изготовления магнитоэлектрических структур на основе многослойных магнитострикционных пленок. Пленки, изготовленные методом магнетронного распыления, содержали до 50 двойных слоев ТЬСо(5 нм)/ТеСо(5нм). В качестве подложек использовали пластинки ЦТС в виде балок и квадратов с толщинами 0,2 — 0,3 мм и типичными размерами в плоскости 3><21 и 11x11 мм2.

Третий параграф содержит описание методики и результаты измерений магнитострикции в многослойных пленках ТЬСо/ТеСо. Использовался метод измерения угла отражения лазерного луча от свободного края зажатой балки, на одну из поверхностей которой была нанесена магнитосгрикционная пленка. Показано, что магаитоупрушй коэффициент для пленки, намагниченной в плоскости перпендикулярно оси легкого намагничивания, насыщается на уровне = —7 МПа в магнитном поле 200 Э, соответствующем полю СПФП.

Далее в четвертом параграфе описана экспериментальная установка и методика измерения МЭ эффекта в структурах, содержащих многослойную ТЪСо/РеСо пленку на ЦТС подложке. Установка позволяла одновременно регистрировать МЭ напряжение, генерируемое структурой, а также различные типы деформаций структуры при магнитных полях до 3 кЭ и частотах модуляции поля до 50 кГц.

В пятом параграфе представлены результаты измерений МЭ эффекта в структурах, содержащих многослойные ТЬСо/РеСо пленки, нанесенные на квадраты и балки из ЦТС. Типичная зависимость МЭ напряжения, снимаемого с ЦТС размерами 21x3^0.295 мм3, от по-

1 Э, /=3,45 кГц

-400 -300 -200 -100

100 200 300 400

Постоянное магнитное поле Н, Э

стоянного магнитного поля, приложенного перпен-дикулярно длине балки, приведена на рис. 6. Модуляция поля осуществлялась с амплитудой 1 Э и частотой 3.45 кГц, соответствующей первой моде кручения балки. Максимум МЭ напряжения достигается в поле ~200 Э, которое соответствует полю СПФП. Максимальная величина МЭ коэффициента для описанной структуры составляла «ме = 9 мВ/(см*Э). Измерения, проведенные на других резонансных частотах колебаний балки, также

Рис. 6. Зависимость МЭ напряжения, генерируемого структурой, содержащей многослойную пленкуТЬСо/РеСо на ЦТС балке, от постоянного магнитного поля

свидетельствуют о существенном увеличении величины МЭ напряжения в области СПФГТ.

В заключительном шестом параграфе сделаны выводы по пятой главе. В частности, подчёркнуто, что в результате исследований показана возможность создания тонкоплёночных датчиков магнитного поля на основе МЭ эффекта. Приводятся некоторые рекомендации по дальнейшим исследованиям МЭ эффекта в тонкоплёночных структурах.

В заключении сформулированы выводы и основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Измерены зависимости МЭ коэффициента от величины и ориентации постоянного магнитного поля, амплитуды и частоты переменного магнитного поля и температуры для многослойных структур никель-цинковый феррит - цирконат титанат свинца. Показано, что после максимума в области низких частот, МЭ коэффициент монотонно спадает с увеличением частоты, значительно возрастая лишь в области электромеханического резонанса структуры.

2. Разработан новый метод исследования частотной зависимости МЭ коэффициента, состоящий в воздействии на исследуемую структуру импульсами магнитного поля. Этот метод позволяет расширить диапазон частотных исследований характеристик МЭ эффекта (до 1 МГц и выше) и ускорить выполнение измерений, по сравнению с методом гармонической модуляции переменного магнитного поля.

3. Рассчитаны механические деформации, электрическое напряжение и МЭ коэффициент с учётом изгибных деформаций в двухслойных структурах магнетик-пьезоэлектрик и тонкоплёночных МЭ структурах, нанесённых на подложки.

4. Объяснёно наличие максимума частотной зависимости МЭ коэффициента в области низких частот (порядка 1 кГц) частотной зависимостью проводимости и емкости магнитострикционных и пьезоэлектрических слоёв структуры.

5. Измерены зависимости характеристик МЭ эффекта от величины постоянного и переменного магнитных полей в области спинового переориента-ционного фазового перехода в тонких магнитострикционных плёнках на основе редкоземельных интерметаллических соединений состава ТЬСо(5нм)/РеСо(5нм)х50, нанесённых на подложки ЦТС различной формы (квадраты и балки).

6. На основании выполненных экспериментов показана возможность

создания датчиков магнитных полей на основе МЭ эффекта, как в толстоплёночных, так и в тонкоплёночных МЭ структурах.

Результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Fetisov Y.K., Kamentsev К.Е., Ostashchenko A.Y. Magnetoelectric effect in multiplayer ferrite-piezoelectric structures // Journ. Magn. and Magn. Mat. 272276. - 2004. - T.3. - C.2064-2066.

2. Остащенко А.Ю., Каменцев K.E., Фетисов Ю.К., Сринивазан Г. Магнитоэлектрический отклик многослойной структуры феррит-пьезоэлектрик на импульс магнитного поля // Письма в ЖТФ. - 2004. -Т.30. — Вып. 18. — С.36-41.

3. Fetisov Y.K., Kamentsev К.Е., Ostashchenko A.Y., Srinivasan G. Wide-band magnetoelectric characterization of a ferrite-piezoelectric multiplayer using a pulsed magnetic field // Solid State Comm. - 2004. - T. 132. - Вып.1. — C.13-17

4. Y.K. Fetisov, A.A. Bush, K.E. Kamentsev, A Y. Ostashchenko, G. Srinivasan «Ferrite-piezoelectric multilayers for magnetic field sensors» // IEEE Sensors Journal - 2006. - T.6. - Вып.4. - С. 1-4.

5. Остащенко А.Ю., Каменцев К.Е., Фетисов Ю.К. и др. Магнитоэлектрический эффект в плёночной структуре феррит-пьезоэлектрик // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2003 / Сб. науч. тр. в 14 томах. Т.4: Физика твёрдого тела. -2003. - М. - МИФИ. - С.256

6. Остащенко А.Ю., Каменцев К.Е., Фетисов Ю.К. Измерение частотных характеристик магнитоэлектрического эффекта в многослойной структуре феррит-пьезоэлектрик импульсным методом // Сб. тр. XIX междунар. школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» - 2004. - М. -МГУ. — С.415-417.

7. Остащенко А.Ю., Фетисов Ю.К., Каменцев К.Е. Температурная зависимость магнитоэлектрического коэффициента в многослойной плёночной структуре феррит-пьезоэлектрик // Материалы Международной научной конференции «Тонкие плёнки и наноструктуры», М., 7-10 сентября 2004, часть 1, — С. 173-175.

8. Fetisov Y.K., Bush А.А., Ostashchenko A.Y. и др. Magnetic field sensor using magnetoelectric effect in multiplayer ferrite-piezoelectric structure // Proceedings of IEEE, Vienna, Austria, October 24-27,2004, ч.З, - C.l 106-1108.

9. Остащенко А.Ю., Фетисов Ю.К. Частотная зависимость магнитоэлектрического напряжения в многослойной пленочной структуре феррит-пьезоэлектрик // Материалы Международной научно-

технической школы-конференции «Молодые ученые-2005», 26-30 сент. 2005, ч. 1, - С.133-136.

Список цитированной литературы

1 Fiebig M. Revival of magnetoelectric effect // J. Phys. D: Appl. Phys. -2005. - T. 38. — C.l-30.

2 Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Электродинамика сплошных сред. - M.: Наука, 1982.-532 с.

3 Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома II ЖЭТФ. - 1961. - Т. 40. - С. 1035-1041.

4 Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Сринивазан Г. Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах - Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2005. - 228с.

5 Бараночников М.Л., Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК, 2001. с.

544

6 Harshe G., Dougherty J. P. and Newnham R. E. Theoretical modelling of multilayer magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromag. Mater. -1993.-T.4.-C.145.

7. Quandt E. Giant magnetostrictive thin film materials and application // Journal of Alloy and Compounds. - 1997. - T.258. - C.126-132.

Подписано в печать 13.11.2006. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 681

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние исследований магнитоэлектрического эффекта (литературный обзор).

§1.1. Определение магнитоэлектрического эффекта. Магнитоэлектрический эффект в монокристаллах.

§1.2. Магнитоэлектрический эффект в объёмных композитах.

§1.3. Магнитоэлектрический эффект в пленочных структурах.

§1.4. Магнитоэлектрический эффект в области резонанса.

§1.5. Теоретические модели магнитоэлектрического эффекта.

§1.6. Возможные применения магнитоэлектрического эффекта.

§1.7. Выводы по главе 1 и постановка задачи.

ГЛАВА 2. Исследование магнитоэлектрического взаимодействия в многослойных плёночных структурах методом гармонической модуляции магнитного поля.

§2.1. Описание образцов и технология изготовления многослойных структур феррит-пьезоэлектрик.

§2.2. Экспериментальная установка и методика измерений.

§2.3. Зависимость магнитоэлектрического коэффициента от величины и ориентации постоянного магнитного поля.

§2.4. Зависимость магнитоэлектрического коэффициента от частоты и амплитуды переменного магнитного поля.

§2.5. Температурная зависимость магнитоэлектрического коэффициента в многослойной структуре феррит-пьезоэлектрик.

§2.6. Датчики магнитного поля на основе магнитоэлектрического эффекта.

§2.7. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Исследование частотной зависимости магнитоэлектрического коэффициента в многослойных структурах импульсным методом.

§3.1. Методика измерений и экспериментальная установка.

§3.2. Схема и описание токового усилителя.

§3.3. Результаты экспериментальных исследований для коротких импульсов магнитного поля.

§3.4. Результаты экспериментальных исследований для длинных импульсов магнитного поля.

§3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Теоретические исследования магнитоэлектрического эффекта.

§4.1. Расчёт магнитоэлектрического эффекта в двухслойной структуре магнетик-пьезоэлектрик и магнетик-пьезоэлектрик-подложка для случая толстых плёнок.

§4.2. Расчёт магнитоэлектрического эффекта в двухслойной структуре магнетик - пьезоэлектрик для случая тонких плёнок, нанесённых на подложку.

§4.3. Моделирование поведения частотной зависимости магнитоэлектрического напряжения на многослойной структуре в области низких частот.

§4.4. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. Магнитоэлектрический эффект в структурах с многослойными магнитострикционными тонкими плёнками.

§5.1. Многослойные магнитострикционные плёнки и их свойства.

Спиновый переориентационный фазовый переход в них.

§5.2. Технология изготовления и описание образцов.

§5.3. Измерение магнитострикции оптическим методом зажатой изгибающейся балки.

§5.4. Описание установки и методики измерения магнитоэлектрического эффекта.

§5.5. Измерения магнитоэлектрического эффекта в тонкоплёночных магнитострикционных плёнках с осью лёгкого намагничивания, напылённых на балки и квадраты цирконата титаната свинца.

§5.6. Выводы по главе 5.

Предметом исследований диссертационной работы явился магнитоэлектрический (МЭ) эффект в многослойный плёночных композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик. Магнитоэлектрический эффект представляет собой взаимосвязь процессов намагничивания и поляризации в материале. Процесс перемагничивания материала приводит к появлению поляризации, а приложение к материалу электрического напряжения приводит к изменению намагниченности. Подобная взаимосвязь позволяет создавать новый тип датчиков магнитного поля. Преимуществом датчиков магнитного поля на основе МЭ эффекта является их энергонезависимость от внешнего источника питания. К настоящему времени проведены исследования МЭ эффекта в различных материалах (монокристаллах, объёмных и многослойных композитах), однако представляет интерес переход к тонкоплёночной технологии реализации МЭ эффекта, который позволит интегрировать датчики магнитного поля непосредственно с микросхемой на одной подложке.

Использованию МЭ монокристаллов в твердотельной электронике препятствует малая величина эффекта. Развитие технологии изготовления композитных материалов позволило создать МЭ феррит - пьезоэлектрические структуры. Величина МЭ эффекта в композитах больше, чем в монокристаллах. В композитных материалах МЭ эффект возникает вследствие механического взаимодействия между магнитострикционной (МС) и пьезоэлектрической (ПЭ) составляющими. Использование в качестве МС составляющей интерметаллических сплавов на основе редкоземельных металлов позволяет существенно увеличить деформации в магнитной фазе, т.е. эти сплавы обладают гигантской магнитострикцией. Это приводит к большим величинам МЭ эффекта, обнаруживаемого в структурах на их основе.

Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах магнетик - пьезоэлектрик и определение возможностей использования МЭ эффекта для создания датчиков магнитных полей.

В работе решалась следующая научная задача: всесторонние исследования характеристик МЭ эффекта различными методами и переход к исследованиям МЭ эффекта в тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик.

Актуальность научной задачи состоит в разработке нового метода исследования МЭ эффекта и определении возможностей создания датчиков магнитных полей на основе МЭ эффекта. В связи с тенденциями к миниатюризации, переход к тонкоплёночным структурам, обладающим МЭ эффектом, также представляется актуальным.

В настоящее время МЭ эффект исследован в монокристаллических, объёмных и плёночных композитных материалах. Определены трудности в получении максимальных характеристик МЭ эффекта для материалов каждого типа. Измерен МЭ эффект вблизи частот электромеханических резонансов для различных материалов. Выполнены теоретические расчёты МЭ эффекта как функции магнитного поля без учёта изгибных деформаций образцов. Предложен ряд практических применений МЭ эффекта в устройствах твёрдотельной электроники.

Диссертация содержит пять глав, список цитированной литературы и приложение. В первой главе проведен обзор литературы, посвященной исследованиям МЭ эффекта. Дано определение МЭ эффекта. Сказано о теоретическом предсказании существования МЭ эффекта в определённом классе кристаллов и его экспериментальном обнаружении. Описана эволюция исследований МЭ эффекта от монокристаллов к композитным плёночным структурам и проблемы, которые решались на каждом этапе эволюции. Показано состояние исследований МЭ эффекта в области частот вблизи электромеханического резонанса, а также состояние теоретических исследования МЭ эффекта в плёночных структурах. Завершается первая глава описанием возможных применений МЭ эффекта, выводами по главе и постановкой задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованиям МЭ эффекта методом, состоящим в воздействии на образец постоянным магнитным полем и переменным магнитным полем гармонического вида. Этот метод позволяет исследовать зависимость характеристик МЭ эффекта от величины постоянного и переменного магнитных полей в низкочастотной области (от десятков Гц до десятков кГц). Описана толстоплёночная технология изготовления многослойных плёночных структур никель цинковый феррит (НЦФ) - цирконат титанат свинца (ЦТС) и их характеристики. Далее приведена экспериментальная установка, методика измерений и результаты исследования характеристик МЭ эффекта от величины и направления постоянного магнитного поля, амплитуды и частоты переменно магнитного поля и температуры. В конце главы, по результатам экспериментальных исследований, показана возможность создания датчиков переменных и постоянных магнитных полей на основе МЭ эффекта. Проведено сравнение типичных параметров датчика на основе МЭ эффекта с датчиками других типов, обобщены результаты и сделаны выводы.

Третья глава посвящена исследованиям зависимости МЭ коэффициента от частоты методом, который является новым в частотных исследованиях МЭ коэффициента. Он заключается в воздействии на МЭ структуру импульсами магнитного поля различной длительности и регистрации временной эволюции электрического напряжения, генерируемого МЭ структурой. Далее, временные зависимости возбуждающего импульса и отклика напряжения подвергаются преобразованию Фурье, а их отношение позволяет рассчитать частотную зависимость МЭ коэффициента. Импульсный метод превосходит возможности метода гармонической модуляции магнитного поля, как по частотному диапазону исследований, так и по быстроте выполнения данной операции. Описана экспериментальная установка и методика измерений. Представлены результаты экспериментальных исследований и сделаны выводы по ним. Показано, что импульсный метод является более оперативным и позволяет расширить область частотных исследований МЭ эффекта вплоть до 1 МГц и выше.

Четвёртая глава посвящена теоретическим исследованиям МЭ эффекта с учётом изгибных деформаций в двухслойных плёночных структурах магнетик - пьезоэлектрик и в тонкоплёночных МЭ структурах, нанесённых на подложки. Наличие изгибных деформаций приводит к уменьшению МЭ эффекта, по сравнению со структурами без изгиба. Показан предельный переход формул, учитывающих изгибные деформации, в полученные ранее формулы, не учитывающие изгиба. Далее рассмотрена тонкоплёночная МЭ структура магнетик-пьезоэлектрик, нанесённая на подложку. Предполагалось, что в размагниченном состоянии намагниченность МС плёнки лежит в плоскости плёнки. Намагничивание до насыщения также осуществляется в плоскости плёнки, а ПЭ плёнка поляризована перпендикулярно плоскости. Показано, МЭ эффект в такой структуре отсутствует, если границы образца не закреплены. Сформулированы критерии, при которых МЭ эффект в тонкоплёночных структурах будет отличен от нуля. Далее выполнен расчёт зависимости МЭ коэффициента в низкочастотной области. В заключительном параграфе сделаны выводы по результатам теоретических исследований и расчётов.

Пятая глава посвящена МЭ эффекту в тонкоплёночных многослойных магнитострикционных плёнках, обладающих анизотропией типа ось лёгкого намагничивания, нанесённых на балки ЦТС. Такие магнитострикционные плёнки обладают спиновым переориентационным фазовым переходом, что позволяет увеличить восприимчивость магнитострикции к магнитному полю в окрестности перехода и, как следствие, МЭ эффект. Описаны многослойные тонкоплёночные структуры TbCo/FeCo и их преимущества, объяснена суть спинового переориентационного фазового перехода. Приведены параметры образцов, технология и режимы напыления многослойных тонкопленочных МС структур. Описана экспериментальная установка и методика измерений магнитострикции оптическим методом в тонкоплёночных МС структурах, а затем установка и методика измерения МЭ эффекта в этих структурах, нанесённых на различные пьезоэлектрические подложки. Обсуждены результаты исследований и сделаны выводы.

В заключении сформулированы выводы и основные результаты.

Научная новизна работы

1. Исследованы зависимости МЭ коэффициента для многослойных структур НЦФ - ЦТС от величины и ориентации постоянного магнитного поля.

2. Впервые исследована зависимость МЭ коэффициента для многослойных структур НЦФ - ЦТС от частоты модуляции магнитного поля в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц.

3. Впервые измерены температурные зависимости МЭ коэффициента для многослойных плёночных структур НЦФ - ЦТС в области температур от -180°С до+ 100°С

4. Показано, что МЭ коэффициент для многослойных структур НЦФ -ЦТС имеет максимум в области низких частот вследствие частотной зависимости проводимости и емкости слоёв.

5. Впервые построена теория, описывающая характеристики МЭ эффекта в двухслойных и многослойных толстоплёночных структурах и в тонкоплёночных структурах на подложке, учитывающая изгибные деформации.

6. Впервые обнаружен и исследован МЭ эффект в структурах, содержащих многослойную магнитострикционную пленку ТЬСо(5нм)/РеСо(5нм) х50, нанесённую на ЦТС подложку, в области магнитных полей спинового переориентационного фазового перехода.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В многослойных плёночных структурах НЦФ-ЦТС МЭ коэффициент имеет максимум в области низких частот, после которого монотонно спадает с увеличением частоты, сильно возрастая лишь в области частот, соответствующих электромеханическому резонансу структуры.

2. Максимум МЭ коэффициента в области низких частот для плёночных структур НЦФ-ЦТС обусловлен зависимостью от частоты проводимости и ёмкости слоёв многослойной структуры.

3. При расчёте характеристик МЭ эффекта в двухслойных структурах магнетик-пьезоэлектрик необходимо учитывать изгибные деформации, приводящие к уменьшению величины МЭ эффекта.

4. В тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик, нанесённых на подложку, МЭ эффект отсутствует, если намагниченность магнитной плёнки в размагниченном состоянии лежит в плоскости структуры, а пьезоэлектрическая плёнка поляризована по толщине.

5. Использование спинового переориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных плёнках позволяет увеличить их магнитост-рикционную восприимчивость и, как следствие, повысить МЭ коэффициент в структурах на их основе.

Апробация работы проводилась на Международных и Российских конференциях, в том числе:

Научная сессия МИФИ-2003; International Conference of Magnetism, Rome, Italy, 2004; International Conference IEEE Sensors-2004, Vienna, Austria; XIX Международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», МГУ, 2004; Международная научная конференция «Тонкие плёнки и наноструктуры», Москва, 2004; Международная научная конференция «Relaxation Phenomena in Solids - 21», Воронеж, 2004; Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые учёные - 2005», Москва.

По результатам работы опубликовано 9 научных работ, из них 4 статьи в журналах и 5 трудов конференций.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в изготовлении тонкоплёночных структур, выполнении теоретических расчётов, и проведении экспериментальных исследований.

§5.6. Выводы по главе 5

В данной главе измерен МЭ эффект в тонких многослойных МС плёнках TbCo/FeCo, напылённых на подложки ЦГС. Описана технология напыления многослойных тонких МС плёнок, обладающих анизотропией типа ОЛН и основные методы измерения их МС и МЭ свойств. Описаны теоретические основы спинового переориентационного фазового перехода и сильное увеличение магнитострикционной восприимчивости плёнки к малому внешнему магнитному полю вблизи СПФП. Были измерены основные полевые, линейные и частотные зависимости МЭ напряжения, возникающего на подложках ЦГС (балках и квадратах), которые были покрыты тонкими многослойными МС плёнками состава ТЬСо(5нм) / FeCo(5HM) х 50. Показано, что в области СПФП происходит существенное увеличение МЭ напряжения, порождаемого малым переменным магнитным полем. Так, для балки ЦТС толщиной 295 мкм в поле СПФП равном 200 Э, величина МЭ напряжения составляла порядка 251 мкВ при приложении переменного магнитного поля амплитудой 1 Э на частоте первой моды кручения балки/= 3,45 кГц, что соответствует величине МЭ коэффициента «ме=8,51 мВ/(см*Э).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные выводы, которые можно сделать по результатам диссертационных исследований:

1. Измерены зависимости МЭ коэффициента от величины и ориентации постоянного магнитного поля, амплитуды и частоты переменного магнитного поля и температуры для многослойных структур никель-цинковый феррит - цирконат титанат свинца. Показано, что после максимума в области низких частот, МЭ коэффициент монотонно спадает с увеличением частоты, значительно возрастая лишь в области электромеханического резонанса структуры.

2. Впервые разработан новый метод исследования частотной зависимости МЭ коэффициента, состоящий в воздействии на исследуемую структуру импульсами магнитного поля. Этот метод позволяет расширить диапазон частотных исследований характеристик МЭ эффекта (до 1 МГц и выше) и ускорить выполнение измерений, по сравнению с методом гармонической модуляции переменного магнитного поля.

3. Впервые рассчитаны механические деформации, электрическое напряжение и МЭ коэффициент с учётом изгибных деформаций в двухслойных структурах магнетик-пьезоэлектрик и тонкоплёночных МЭ структурах, нанесённых на подложки.

4. Объяснено наличие максимума частотной зависимости МЭ коэффициента в области низких частот (порядка 1 кГц) частотной зависимостью проводимости и емкости магнитострикционных и пьезоэлектрических слоёв структуры.

5. Впервые измерены зависимости характеристик МЭ эффекта от величины постоянного и переменного магнитных полей в области спинового пере-ориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных плёнках на основе редкоземельных интерметаллических соединений состава ТЬСо(5нм) / FeCo(5HM) х 50, нанесённых на подложки ЦТС различной формы (квадраты и балки). 6. На основании выполненных экспериментов показана возможность создания датчиков магнитных полей на основе МЭ эффекта, как в толстоплёночных, так и в тонкоплёночных МЭ структурах.

Полученные результаты являются основой для дальнейших исследований магнитоэлектрического эффекта в тонкоплёночных МЭ структурах, нанесённых на подложки, и могут быть использованы для изготовления датчика переменных магнитных полей, обладающих высокой чувствительностью благодаря использованию спинового переориентационного фазового перехода. Поле смещения, необходимое для работы структуры, может быть создано дополнительным магнитным слоем на основе редкоземельных сплавов, например, SmCo или TbPt. Использование такого слоя, вводящего магнитост-рикционную плёнку в область СПФП, позволит отказаться от внешнего постоянного поля смещения.

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.-532с.

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. - Вып. 4. - С.1035-1041.

4. Brown W.F. Jr, Hornreich R.M., Shtrikman S. Upper Bound on the Magneto-electric Susceptibility // Phys. Rev. -1968. T. 168. - C.574-577.

5. Ryu J., Priya S., Uchino K., Kim H.E. Magnetoelectric Effect in Composites of Magnetostrictive and Piezoelectric Materials // J. of Electroceramics. 2002. - T. 8 — C.107-119.

6. Van Suchtelen J. Product properties: A new application of composite materials // Philips Res. Rep. 1972. - T. 27. - C.28.

7. Van den Boomgaard J., Terrel D.R, Born RAJ. и др. An in situ grown eutectic magnetoelectric composite material: Parti//J. Mater. Sci.-1974.-T. 9.- C.1705-1710.

8. Van den Boomgaard J., Terrel D.R., Scholing J.H An in situ grown eutectic magneto-electric composite material: Part 2 //J. Mater. Sci. -1974. T. 9. - C. 1710-1715.

9. Van den Boomgaard J., Van Run A.M.J.G., Van Suchtelen J. Piezoelectric-Piezomagnetic composites with magnetoelectric effect // Ferroelectrics. 1976. -T. 14.-C. 727-732.

10. J. van den Boomgaard and R. A. J. Born, "A sintered magnetostrictive composite material BaTi03-Ni(Co^bi)Fe204HI Mater. Sci. -1978. T. 13. -C.l538-1539.

11. Ryu J.,Carado A., Uchino К. и др. Piezoelectric and Magnetoelectric properties of Lead Zirconate Titanate/ Ni-Ferrite Particulate composites // J. of Electroceramics. -2001. T. 7. - C.l 7-24.

12. Dong S.X., Li J.F., Viehland D. Caracterisation of magnetoelectric laminate composites operated in longitudinal-transverse and transverse-transverse modes // J. Appl. Phys. 2004. - T. 95. - C. 2625-2630.

13. Bayrashev A., Robbins W.P., Ziaie B. Low frequency wireless powering of microsistem using piezoelectric-magnetostrictive laminate composites // Sensors Actuators A. 2004. - Т. 114. - C. 244-249.

14. Ryu J.,Carado A., Uchino К. и др. Magnetoelectric properties in piezoelectric and magnetostrictive laminate composites // Jpn. J. Appl. Phys. 2001. - T. 40, - C.4948-4951

15. Kuwata J, Uchino K., Nomura S. Phase transitions in the Pb(Zni/3Nb2/3)03-PbTi03 system // Ferroelectrics. 1981. - T. 37. - C. 579-582.

16. Patankar K.K., Nipankar R.P., Mathe V.L., Mahajan R.P., Patil S.A. Role of sintering on magnetoelectric effect in CuFei.8Cro204 BaosPbo2Tio sZro203 composite ceramics // Ceramics Int. - 2001. - T. 27. - C. 853-858.

17. Mori K., Wuttig M. Magnetoelectric coupling in Terfenol-D/polyvinylidenedifluoride composites//Appl. Phys. Lett-2002.-T. 81.-C. 100-101.

18. Mathe V.L., Patankar K.K., Jadhav U.V., Patil A.N., Lotake S.D., Patil S.A. Studies on structural, dielectric and magnetoelectric properties in CuFei 8СГ02О4 -Pb(MgI/3V2/3)03 composites // Ceramic Int. 2001. - T. 27. - C. 531-535.

19. Srinivasan G., Rasmussen E.T., Bush A.A., Kamentsev K.E., Meshcheiyakov V.F. and Fetisov Y.K. Structural and magnetoelectric properties of MFe^-PZT (M=Ni,Co) and Lax(Ca,Sr)1.xMn03-PZT multilayer composites // Appl. Phys. A. 2004. - Т. - C. 721-728.

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

21. Laletsin U., Padubnaya N., Srinivasan G., Devreugd C.P. Frequency dependence of magnetoelectric interactions layered structures of ferromagnetic alloys and piezoelectric oxides // Appl. Phys. A. 2004. - T. 78. - C.33-36.

22. Laletsin V.M., Srinivasan G. Magnetoelectric effects in composites of nickel ferrite and barium lead zirconate titanate // Feiroelectrics. 2002. - T. 280. - C.343-352.

23. Nan C.W., Cai N., Liu L., Zhai J., Ye Y., Lin Y. Coupled magnetic-electric properties and critical behavior in multiferroic particulate composites // J. Appl. Phys. 2003. - T. 94. - C. 5930-5936.

24. Harshe G., Dougherty J. P., Newnham R. E. Theoretical modelling of multilayer magnetoelectric composites // Int. J. Appl. Electromag. Mater. -1993. T. 4, - C.145.

25. Srinivasan G., Rasmussen E.T., Gallegos J. и др. Magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides // Physical Review B. 2001. - T. 64. - C. 214408.

26. Srinivasan G., Rasmussen E.T., Levin B.J. и др. Magnetoelectric effects in bilayers and multilayers of magnetostrictive and piezoelectric perovskite oxides // Phys. Rev. B. 2002. - T. 65. - C. 134402.

27. Bichurin ML, Filippov D.A., Petrov V.M. и др. Theory of low-frequency coupling in magnetostrictive-piezoelectric bilayers // Phys. Rev. B. 2003. - T. 68. - C.054402.

28. Srinivasan G., Rasmussen E.T. Hayes R. Magnetoelectric effects in ferrite-Iead zirconate titanate layered composites: The influence of zinc substitution in ferrites // Phys. Rev. B. 2003. - T. 67. - C.014418.

29. Zhai J.Y., Cai N., Shi Z. и др. Couled magnetodielectric properties of laminated PbZrossT^A/NiFeA ceramics // J. Appl. Phys. 2004. - T. 95. - C. 5685-5690.

30. Cai N., Nan C.W., Zhai J.Y. и др. Large high-frequency magnetoelectric response in laminated composites of piezoelectric ceramics, rare-earth iron alloys and polymer // Appl. Phys. Lett. 2004. - T. 84. - C. 3516-3518.

31. Srinivasan G., De Vreugd C.P., Flattery C.S. и др. Magnetoelectric interaction in hot-pressed nickel zinc ferrite and lead zirconate titanate composites // Appl. Phys. Lett. 2004. - T. 85, - C. 2550-2552.

32. Srinivasan G., De Vreugd C.P., Hayes R., Bichurin M.I. Petrov V.M. / Magnetoelectric Interaction Phenomena in crystals. ed. M. Fiebig et al. - Dordrecht: Kluwer.-2004. -C.35.

33. Tilley D.R., Scott J.F. Frequency dependence of magnetoelectric phenomena in BaMnF4 // Phys. Rev. B. 1982. - T. 25. - C. 3251-3260.

34. Alshin B.I., Astrov D.N., Zorin R.V. Magnetoelectric effect in BaCoF4// JETP. 1973. - T. 36-C.1161.

35. Bichurin M.I., Petrov V.M., Kiliba Y.V. и др. Magnetic and magnetoelectric susceptibilities of a ferroelectric/ferromagnetic composite at microwave frequencies // Phys. Rev. B. 2002. - T. 66. - C. 134404.

36. Wood V.E., Austin A.E. Possible applications for magnetoelectric materials // Int. J. Magn. -1973. T. 5. - C. 181-193.

37. Schmid H. MuM-ferroic magnetoelectrics // Feiroelectrics. -1994. T.l 62. - C.317-33 8

38. Li J.F., Viehland D. Voltage gain effect in a ring-type magnetoelectric laminate // Appl. Phys. Lett. 2004. - T. 84. - C. 4188-4190.

39. Бараночников M.JI., Микромагнитоэлектроника. M.: ДМК, 2001. с. 544

40. Srinivasan G., Rasmussen E.T., Bush A.A. и др. Structural and magnetoelectric properties of MFe204-PZT (M=Ni, Co) and Lax(Ca, Sr^MnCb PZT multilayer composites // Appl. Phys. A. 2003. - T. 76. - C. 1-8.

41. Осгащенко А.Ю., Каменцев KE., Фетисов Ю.К. и др. Магнитоэлектрический эффект в плёночной структуре феррит-пьезоэлектрик // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2003 / Сб. науч. тр. в 14 томах. Т.4: Физика твёрдого тела М: МИФИ, 2003. - С.256.

42. Fetisov Y.K., Kamentsev К.Е., Ostashchenko A.Y. Magnetoelectric effect in multi-player ferrite-piezoelectric structures // Journ. Magn. and Magn. Mat. 272-276. 2004. -T.3. - C.2064-2066.

43. Fetisov Y.K., Bush A.A., Ostashchenko A.Y. и др. Magnetic field sensor using magnetoelectric effect in multiplayer ferrite-piezoelectric structure // ШЕЕ Sensors. 2004. -October 24-27. - Vienna, Austria.

44. Осгащенко А.Ю., Каменцев KE., Фетисов Ю.К., Сринивазан Г. Магнитоэлектрический отклик многослойной структуры феррит-пьезоэлектрик на импульс магнитного поля // Письма в ЖТФ. 2004. - Т.30. - Вып. 18. - С.36-41.

45. Fetisov Y.K., Kamentsev К.Е., Ostashchenko AY., Srinivasan G. Wide-band magnetoelectric characterization of a ferrite-piezoelectric multiplayer using a pulsed magnetic field// Solid State Comm. -2004. -T. 132. Вып.1. - C.13-17.

46. Quandt Е. Giant magnetostrictive thin film materials and application // Journal of Alloy and Compounds. 1997. -T.258. - C. 126-132.

47. Stoner E.C., Wohlfarth E.P. A Mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys // Reprinted from 1947 in Transaction on Magnetics. -1991. T. 27. -Вып.4

48. Landau L., Lifchitz E. Physique Theorique : Physique Statistique. Ellipses. -1994.-C.616.

49. Bellesis G.H., Harllee P.S., Renema А. и др. Magnetostriction measurement by interferometry // IEEE Transaction on Magnetics/ 1993. - T.29. - Вып.6. -C.2989-2991.

50. Betz J.: These de doctoral de l'universite Joseph Fourier Grenoble I : « Magnetostriction geante de couches minces et microactionneurs magnetstrictifs pour des technologies integrees », preparee au laboratoire Louis Neel de Grenoble, (Avril 1997).

51. E. du Tremolet de Lacheisserie, Peuzin J.C. Magnetostriction and internal stresses in thin films : the cantilever method revisited // Journ. Magn. and Magn. Mat.-1994.-T. 136. -C.189-196.

52. Bichurin M.I., Filippov D.A., Petrov V.M., и др. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composits // Phys. Rev. B. 2003. -T. 68.-C. 132408.

53. Nan C.W., Li M., Huang J.H. Calculation of giant magnetoelectric effects in ferroic composites of rare-earth-iron alloys and ferroelectric polymers // Phys. Rev. В-2001. T.63. -C.144415.

54. Бардзокас Д.И., Зобнин А.И., Сенник Н.А., Филыптинский M.JI. Математическое моделирование в задачах механики связанных полей. Т.2. -М.:КомКнига, 2005. 376 с.

55. Fetisov Y.K., Bush А.А., Kamentsev К.Е., Ostashchenko A.Y., Srinivasan G. Ferrite-piezoelectric multilayers for magnetic field sensors // IEEE Sensors Journal 2006. - T.6. - Вып.4. - С. 1 -4.

56. Остащенко А.Ю. Дипломная работа «Многослойные активные плёночные магнитострикционные структуры для микроэлектромеханических систем (МЭМС)», М., МИРЭА, 2002.