автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик

На правах рукописи

БУРДИН ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗОНАНСНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНЕТИК-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИК

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

- 7 ОКТ 2015

Москва 2015

005562948

Работа выполнена в Научно-образовательном центре «Магнитоэлектрические материалы и устройства» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники" (МИРЭА)

Научный руководитель: Фетисов Юрий Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-образовательного центра "Магнитоэлектрические материалы и устройства" МИРЭА.

Официальные оппоненты: Филиппов Дмитрий Ачександрович, профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой "Технология машиностроения" федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого». Устинов Алексей Борисович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физической электроники и технологии федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится 16 ноябра 2015 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д212.131.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники" по адресу: 119454 Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте МИРЭА http://www.mirea.ru/

Автореферат разослан «2 У

Учёный секретарь диссертационного совета А. Н. Юрасов

Д212.131.02

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Магнитоэлектрические (МЭ) эффекты в композитных структурах, содержащих ферромагнитные (ФМ) и пьезоэлектрические (ПЭ) слои, интенсивно изучают в последние годы в связи с перспективами их использования для создания новых устройств твердотельной электроники, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, электрически управляемые устройства обработки радиосигналов и элементы магнитной памяти, переключаемые электрическим полем [1]. МЭ эффекты проявляются в изменении электрической поляризации структуры Р под действием внешнего магнитного поля Я (прямой эффект) или изменении ее намагниченности М под действием внешнего электрического поля Е (обратный эффект) и возникают в результате комбинации магнитострик-ции ФМ слоя и пьезоэффекта в ПЭ слое из-за механической связи между слоями. Экспериментально продемонстрировано, что величина прямого МЭ эффекта в композитных структурах, характеризуемая коэффициентом преобразования аЕ= ЪР/ЪН, при комнатных температурах может достигать значений ~ 1-Ю3 В/Эсм, что на 2-3 порядка превосходит величину МЭ эффекта во всех известных природных однофазных материалах.

К настоящему времени достаточно хорошо изучены физические характеристики линейных МЭ эффектов в структурах со слоями из различных материалов и различной геометрии. Показано, что для увеличения эффективности МЭ преобразования следует использовать в структурах ФМ слои из материалов с большой магнитострикцией X (металлы N1, Со, сплавы пермендюр, галфенол, терфенол, метглас) и ПЭ слои из материалов с большим пьезомодулем с1 (керамика цирконата-титаната свинца, кристаллы магниониоба-та-титаната свинца, лангатата и т.д). Обнаружено, что эффективность МЭ взаимодействия резонансно возрастает на 2-3 порядка при совпадении частоты возбуждающего магнитного поля с частотой изгибных либо пленарных акустических колебаний структур [2]. Появились первые работы, в которых описаны нелинейные МЭ эффекты удвоения и смешения частот, возникающие из-за нелинейной зависимости магнитострикции ферромагнетика от магнитного поля [3]. В результате проведенных исследований созданы макеты МЭ датчиков переменных магнитных полей, обладающие рекордно высокой чувствительностью (до ~10~" Т) [4], и работающие, в отличие от квантовых сверхпроводящих интерферометров, при комнатных температурах.

Вместе с тем, многие важные характеристики МЭ взаимодействий в композитных структурах, определяющие возможности и перспективы их применений, оставались практически не изученными до начала данной работы. Так, отсутствовали какие-либо сведения

о зависимости эффективности и частоты резонансных МЭ эффектов в структурах различных составов от температуры, необходимые для улучшения характеристик и разработки методов термостабилизации устройств. Не были исследованы нелинейные МЭ эффекты в композитных структурах с ферромагнитными слоями из различных материалов, что важно для формулировки рекомендаций по оптимизации параметров структур с целью повышения эффективности МЭ взаимодействий. Требовались дополнительные исследования, демонстрирующие возможности создания новых твердотельных устройств с использованием нелинейных МЭ эффектов. Необходимость решения перечисленных проблем и определяет актуальность темы данной диссертационной работы

Целью работы является исследование влияния температуры на характеристики прямого резонансного МЭ эффекта в планарных композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, изучение нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах различных составов и демонстрация возможностей создания новых устройств твердотельной электроники с использованием нелинейных МЭ эффектов.

Основные задачи работы следующие:

1. Разработать и изготовить установку для исследования температурных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах;

2. Исследовать влияние температуры на характеристики резонансного МЭ эффекта в композитных структурах различных составов;

3. Исследовать характеристики нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах различных составов.

4. Исследовать возможность создания высокочувствительных МЭ датчиков магнитных полей, работающих без магнитного поля смещения.

Научная новизна работы:

1. Впервые измерены температурные характеристики МЭ резонансного эффекта в композитных структурах различных составов, установлена связь характеристик с параметрами слоев структур.

2. Впервые исследованы нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты и смешения частот в композитных структурах с различными магнитными слоями, установлена связь эффективности нелинейных эффектов с параметрами магнитных слоев.

3. Впервые обнаружен и исследован эффект статической деформации ферромагнетиков в переменном магнитном поле.

Практическая важность работы. Создана установка для исследования температурных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах. Определены температурные характеристики МЭ эффектов в структурах различных составов и предложен метод термостабилизации частотных и амплитудных характеристик МЭ взаимодействий. Изготовлены и исследованы макеты высокочувствительных датчиков магнитных полей, работающих без постоянного магнитного поля смещения, что значительно упрощает конструкцию датчиков.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы основана на использовании проверенных физических моделей, современных методов экспериментальных исследований и подтверждается совпадением полученных результатов с данными более поздних исследований других авторов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Эффективность МЭ взаимодействия в композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик со слоями из пьезокерамики падает с увеличением температуры из-за увеличения диэлектрической проницаемости пьезослоя и уменьшения магнитострикции ферромагнетика. В структурах с пьезослоем из монокристалла лангатата эффективность МЭ взаимодействия падает с ростом температуры, в основном, из-за уменьшения акустической добротности кристалла.

2. Резонансная частота МЭ взаимодействия в композитных структурах ферромаг-нетик-пьезоэлектрик со слоями из пьезокерамики падает с увеличением температуры из-за уменьшения модуля Юнга материалов. В структурах со слоем из монокристалла лангатата, имеющего положительный температурный коэффициент модуля Юнга, и тонким ферромагнитным слоем зависимость резонансной частоты от температуры имеет параболическую форму, что позволяет термостабшшзировать резонансную частоту.

3. Эффективность нелинейного удвоения частоты и смешения магнитных полей в композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициенту ферромагнитного слоя структуры, имеет максимум в отсутствие постоянного магнитного поля смещения и квадратично растет с увеличением амплитуды переменного поля.

4. Переменное магнитное поле вызывает статическую деформацию ферромагнетика, величина деформации пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициенту материала, с увеличением амплитуды переменного поля деформация растет квадратично при малых полях и линейно при больших полях.

5. Магнитоэлектрические датчики магнитных полей, работающие без постоянного магнитного поля смещения, могут быть изготовлены за счет использования в композитной структуре магнитных слоев с гистерезисом и за счет использования нелинейного МЭ эффекта смешения магнитных полей в композитных структурах.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на следующих конференциях: XXII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань, 2012; Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM"2011, Партенит, 2011; Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM'2013, Ялта-Гаспра, 2013; V Международная конференция «Функциональная база наноэлектроники», Харьков-Кацивели, 2012; VI Международная конференция «Функциональная база наноэлектроники», Алушта, 2013; IX Международная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Анапа, 2013; IX Международная конференция «European Magnetic Sensors and Actuators Conference», EMSA-2012, Прага, 2012.; Международная конференция «Moscow International Symposium on Magnetism», MISM 2014, Москва, 2014.; Международная конференция «IEEE International Magnetic Conference», INTERMAG'2015, Beijing, 2015.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9-ти статьях в международных и российских журналах, входящих в Перечень ВАК, в 5-ти сборниках научных трудов, в 6-ти тезисах докладов международных конференций и защищены 2-мя патентами.

Личный вклад автора. Автором лично были выполнены измерения упругих и электрических параметров пьезоэлектрических и ферромагнитных материалов в зависимости от температуры; измерения частотных, полевых, амплитудных и температурных характеристик резонансного МЭ эффекта в композитных структурах; измерения характеристик нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах. Автором, совместно с сотрудниками НОЦ "Магнитоэлектрические материалы и устройства" МИРЭА была разработана и изготовлена автоматизированная измерительная установка. Постановка задач и анализ полученных результатов проведены совместно с руководителем. Измерение характеристик нелинейных МЭ эффектов на структуре состава PZT-Metglas проведено совместно с Л. Ю. Фетисовым. Измерение зависимости намагниченности ФМ материалов от магнитного поля выполнено в МГУ им. Ломоносова Л. Ю. Фетисовым. Автор участвовал в подготовке материалов к публикации и лично представлял результаты исследований на конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит введение, пять разделов, список цитированной литературы и приложение. Диссертация изложена на 131 странице и содержит 89 рисунков. Библиография включает 111 наименований.

В разделе 1 кратко рассмотрены физические механизмы возникновения МЭ эффектов в кристаллах, объёмных композитах и слоистых композитных структурах, изложены существующие модели широкополосного и резонансного линейных МЭ эффектов. Описаны обнаруженные недавно в композитных структурах нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты и сложения магнитных полей. Приведены сведения об устройстве, принципах действия и характеристиках датчиков переменных магнитных полей, использующих линейный МЭ эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик. Сформулированы цели и задачи исследований.

Раздел 2 содержит описание использованных в работе образцов, методик исследования и экспериментальных установок.

В подразделе 2.1 обоснован выбор материалов для исследований. В измерениях использовали пленарные структуры с размерами в плоскости - 5 х 25 мм, содержащие ферромагнитные (ФМ) и пьезоэлектрические (ПЭ) слои толщиной -20-500 мкм (Рис.1). ФМ слои изготавливали из материалов с высокой магнитострикцией: никель (N1), пермендюр (Fe0.49Co0.49V0.02 - Рс1), аморфный сплав Metglas 260553А состава Ре8ИЗС (далее - Metglas). ПЭ слои изготавливали из материалов с большим пьезоэффектом: керамика цирконата-титаната свинца (РЬо.955го.о5)(2го.5зТ1о.47)0 - ЦТС-19 (РгТ), монокристаллы лангатата (La3Ga5.5Tao.5O14 (1ХГГ), производства ОАО "Фомос-материалс"). ФМ и ПЭ слои структур механически соединяли эпоксидным клеем "ЬосШе-499", либо слои № толщиной до 30 мкм электролитически осаждали на электроды ПЭ пластины.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

НЛк$>т.(Ш)

пэ

и

1

а Ь

Рис.1. Внешний вид композитной структуры (а) и геометрия наблюдения МЭ эффекта.

(Ь).

В подразделе 2.2 описаны методы измерения упругих, электромеханических и магнитострикционных характеристик материалов и их зависимости от температуры. Модуль Юнга и акустическую добротность ФМ образцов измеряли методом возбуждения и регистрации стоячих продольных акустических волн с помощью двух электромагнитных катушек в диапазоне частот 1-500 кГц. Упругие свойства ПЭ образцов определяли по измеренной частотной зависимости электрического импеданса. Магнитострикцию ФМ материалов измеряли с точностью ~ КГ6 в диапазоне полей до 5 кЭ с помощью тензодатчика. наклеенного на поверхность образца.

Подраздел 2.3 содержит описание разработанной и изготовленной в работе автоматизированной установки для исследования температурных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах методом низкочастотной модуляции магнитного поля. Температуру образца изменяли в диапазоне от 200 К до 400 К путем его обдува потоком газообразного азота с заданной температурой. Установка содержит (см. рис. 2): сосуд Дьюара с жидким азотом, внутрь которого помещен резистивный испаритель; нагреватель азота, позволяющий изменять температуру потока газа; термоячейку с внутренними размерами 3 х 3 х 5 см3 в которой располагаются исследуемый образец и датчик температуры: катушки Гельмгольца, служащие для создания постоянного поля смещения и модулирующего магнитного поля. Управляемый от компьютера термоконтроллер позволял изменять температуру образца по заданному закону и поддерживать ее с точностью 0.2 "С. При фиксиро-

Рис. 2. Внешний вид установки дня исследования температурных характеристик МЭ эффектов в композитных структурах.

ванных температурах регистрировали зависимости генерируемого структурой напряжения u(J) от частоты возбуждающего поля /-10 Гц - 2 МГц с амплитудой до h -10 Э при постоянных полях смещения Н ~ 0 - 3 кЭ и зависимости напряжения на постоянной частоте от поля смещения и(Н). Разработанное программное обеспечение в среде Lab View позволило синхронизировать управление температурой с регистрацией амплитудно-частотных характеристик образца и после обработки данных получать зависимости характеристик МЭ взаимодействия от температуры. При исследовании нелинейных МЭ эффектов к структуре прикладывали два поля с частотами f\ wfi и амплитудами hi и hi и регистрировали выходное напряжение u(fi± fi) на суммарной или разностной частотах. Созданная автоматизированная установка позволила существенно сократить время исследований температурных характеристик МЭ эффектов по сравнению с использованием традиционных термошкафов.

Раздел 3 посвящен исследованию температурных характеристик резонансного МЭ эффекта в композитных структурах.

В подразделе 3.1 содержатся результаты исследований характеристик линейных резонансных МЭ эффектов в изготовленных композитных структурах различных составов. Систематизированы типы акустических колебаний в структурах прямоугольной формы, приведены формулы для расчёта эффективных параметров композитных структур и их резонансных частот, выражения, описывающие связь эффективности МЭ преобразования Ие в структурах с магнитными, диэлектрическими и акустическими параметрами слоев.

Приведены измеренные частотные зависимости МЭ напряжения в структурах PZT-Pd, PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni и LGT-Metglas. Для всех структур наблюдали резонансные пики с амплитудами и\ и иг на частотах основных мод изгибных (/i) и пленарных (fi) акустических колебаний, которым соответствовали резонансные эффективности МЭ преобразования: яе1 и «Е2 (аБ1.2 — ) • Типичная зависимость МЭ напряжения от частоты для структуры Ni-PZT показана на рис. За. Наибольшее значение эффективности имела структура LGT-Metglas, у которой яе2=450 В/(см Э), а также PZT-Metglas с аЕ2=135 В/(см-Э). Структуры с Ni имели значительно более низкую эффективность: аЕ2=45 В/(см Э) у LGT-Ni и аЕ2=3 В/(см Э) у PZT-Ni.

Следует отметить, структуры, содержащие слой LGT, имеют МЭ коэффициент для продольных колебаний яе2 в 2.5 раза больше, чем структуры на основе PZT, что обусловлено значительно более высокой добротностью монокристаллического лангатата.

50-

0,4

0,0

Л

а)

Н, кЭ 300

Ь)

л, э

С)

Рис. 3. Зависимости МЭ напряжения и: а - от частоты/при фиксированных полях Я и h; b - от поля Я при фиксированных частоте/и поле Л; с - от амплитуды переменного поля h при фиксированных/и Я.

Приведены также измеренные зависимости МЭ напряжения и от постоянного поля смещения Я для исследованных структур. В перечисленных структурах с увеличением Я напряжение возрастало от нуля до максимума при оптимальном поле Ят, соответствующем максимуму пьезомагнитного коэффициента q = dA/8H для каждого материала, а затем монотонно падало до нуля с насыщением ФМ слоя (рис. ЗЬ). Оптимальное поле смещения для никеля равнялось Ят = 100 Э, для пермендюра - 260 Э, для Metglas - 6 Э. В образцах PZT-Ni и LGT-Ni наблюдали генерацию МЭ напряжения (до 0.6-t/max) и при Н= О, что связано с гистерезисом намагниченности №. Описаны измеренные амплитудные характеристики резонансного МЭ эффекта в исследованных структурах на частотах изгиб-ных и продольных акустических колебаний при оптимальных полях смещения. Показано, что при амплитудах возбуждающих полей h < 0.3Нт зависимости u(h) линейны, а затем насыщаются при h~Hm (рис. Зс).

В подразделе 3.2 изложены результаты измерений зависимостей параметров пьезоэлектрических (PZT, LGT) и ферромагнитных (Ni, Metglas) материалов от температуры в диапазоне 200 - 380 К. Акустическая добротность пластины LGT с ростом температуры уменьшилась от 25-Ю3 до 7-Ю3, в то время как добротность пластин PZT от температуры практически не зависела и имела величину -120. Модуль Юнга PZT пластины с ростом температуры уменьшается на 6%, а модуль Юнга LGT - увеличивается на 0.7%. Добротности ферромагнитных материалов были равны по порядку величины и изменялись с увеличением температуры: у Ni - уменьшилась от 241 до 63, у Metglas - росла от 50 до 100. Модули Юнга ферромагнитных материалов с ростом температуры уменьшались: у Ni - на 8%, у Metglas - на 14 %. Измерения на дисковых PZT образцах показали, что относительная диэлектрическая постоянная £ PZT с ростом температуры монотонно увеличивается от -1000 до —4000, а тангенс угла диэлектрических потерь от температуры практически не зависит и равен 2 -10"3.

В подразделе 3.3 приводятся измеренные температурные зависимости эффективности и резонансной частоты МЭ взаимодействия структурах РгТ-№, РгТ-Ме1§1аз, 1ХЗТ-№, LGT-Metglas. Для удобства сравнения используем нормированный коэффициент а\.г = » гДе «Ешах - максимальный коэффициент в диапазоне температур 200-К380 К.

Зависимость аг' для исследованных структур показана на рис. 4. Для структуры Р2Т-№ с ростом температуры от 200 до 380 К коэффициент аг' монотонно уменьшался от - 1 до ~ 0,5. При этом резонансная частота продольных колебаний уменьшалась на 0.9%. а добротность практически не менялась. Для структуры Р2Т-Ме1§1а8 характер зависимости резонансной частоты и добротности от температуры был тот же, а коэффициент аг' в диапазоне температур до 320 К сначала рос, а затем довольно резко падал на -50%. В структурах иЗТ-№ и 1ХТ-Ме1§1а5 с ростом температуры от 200 К до 380 К коэффициент аг' всех структур уменьшался примерно в -4 раза, что обусловлено главным образом падением акустической добротности резонансов.

г, к

Рис.4. Зависимости нормированной эф- Рис.5. Температурные зависимости резо-фективности МЭ взаимодействия от тем- нансных частот для пластин №, ЬСТ и пературы. структуры 1ХЗТ-№.

В указанном диапазоне температур модуль Юнга структуры ЬйТ-№ изменялся не более, чем на 0.2%, а для структуры 1Х}Т-Ме1§1а5 - не более, чем на 0.8%.

Подраздел 3.4 содержит результаты измерений температурных характеристик резонансного МЭ эффекта в композитных структурах ЬОТ-№ и РгТ-№ с разной толщиной ФМ слоя: 30 мкм и 200 мкм. Результаты исследований позволяют определить влияние толщины слоя N1 на параметры структур. Во всех структурах увеличение толщины слоя N1 привело к значительному (до 20 раз) ухудшению температурной стабильности резонансной частоты. Добротность <2 структуры ЬОТ-№ при утолщении ФМ слоя уменьшилась с 5000 до 200 при комнатной температуре, при этом также ухудшилась и температурная стабильность эффективности резонансного МЭ преобразования.

Подраздел 3.5 посвящен анализу результатов исследования температурных характеристик резонансного МЭ эффекта в структурах PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni, LGT-Metglas. Сопоставляются температурные зависимости модулей Юнга и добротности ФМ и ПЭ материалов с полученными зависимостями для композитных структур на их основе.

Показано, что структуры со слоем из керамики PZT и со слоем монокристаллического LGT имеют различные причины температурной нестабильности МЭ коэффициента а'. Так, падение эффективности резонансного МЭ преобразования с увеличением температуры в структурах с PZT слоем вызвано, главным образом, ростом относительной диэлектрической проницаемости сегнетокерамики. А в структурах с LGT уменьшение эффективности определяется падением акустической добротности лангатата.

Все исследованные материалы, исключая лангатат, имели отрицательный температурный коэффициент модуля Юнга. Этим объясняется преимущественно монотонное уменьшение резонансных частот композитных МЭ структур, содержащих данные материалы. Структуры со слоем LGT и тонкими слоями ферромагнитного материала имеют иной характер температурной зависимости резонансной частоты акустических колебаний. На рис.5 приведены температурные зависимости резонансной частоты продольных акустических колебаний пластины Ni, пластины LGT и композитной структуры LGT-Ni. Видно, что сочетание материалов с различными знаками температурной зависимости модуля Юнга может быть использовано для термостабилизации резонансной частоты МЭ структуры. Резонансная частота продольных колебаний структуры LGT-Metglas зависит от температуры подобным образом, однако меняется значительно сильнее.

Раздел 4 посвящен исследованию нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах различных составов.

В подразделе 4.1 изложена простая теоретическая модель, описывающая нелинейные МЭ эффекты, возникающие из-за нелинейной зависимости магнитострикции магнитного слоя от приложенного магнитного поля. Напряжение, генерируемое композитной структурой, в общем случае можно представить в виде

u = AdnX(H), (1)

где А - коэффициент, зависящий от параметров и размеров слоев структуры, ЦН) - магни-тострикция ФМ слоя, di\ - пьезомодуль ПЭ слоя.

Раскладывая магнитострикцию в окрестности точки Но в ряд Тейлора, получаем:

ЦН) = Л(Ни ) + qh + (l/ 2)ph2 +..., (2)

где q = 8X!8H |Hj - линейный пьезомагнитный коэффициент (первая производная от маг-нитострикции по полю), р = с2 А / дН2 |„о - нелинейный пьезомагнитный коэффициент (вторая производная от магнитострикции по полю) ФМ слоя структуры. При возбуждении структуры двумя переменными магнитными полями с амплитудами hi и Лг с частотами f\ и fi. h{t) = /г, cos(2/T/"1r) + h2 cos(2,7f2i), генерируемое структурой напряжение имеет вид:

и = м<(" + н,(" cos(2^i) + uf cos(2^20 + и'2' cos(4^",i) + м<2) cos(4>/20 + + «„„, со8[2л-С/; +/2)/] + и„,„ cos[2^(7] -/,)/]. ' (3)

Компоненты выходного сигнала описывают следующие МЭ эффекты:

а) Постоянная составляющая ит = Ad3l[A(II0) + (1 /2)p(h2 + /»*)], соответствует статической деформации ФМ слоя. Величина статической деформации, вызванной переменными полями h 1 и hi, пропорционально нелинейному коэффициенту р.

б) Переменные составляющие с амплитудами uf" = Ad3,qh, и н(2" = Ad3lqh2 и частотами /i и fi соответствуют известному линейному МЭ эффекту. Амплитуды этих составляющих достигают максимума при поле Нт, отвечающем максимуму q. Величина линейного МЭ эффекта определяется коэффициентом а'/1 = и"' /(arhl) с размерностью В/смЭ.

в) Переменные составляющие с амплитудами г/,<2) = (}/2)Ad,lph2 и «22) = (l/2)Ad3tph2 и частотами 2/i и 2/5 соответствуют нелинейному эффекту удвоения частоты. Эффективность удвоения частоты пропорциональна нелинейному коэффициенту р и определяется коэффициентом а)2' = и'2' l(aph2), имеющим размерность В/см Э 2.

г) Переменные составляющие с амплитудой итх = (1/2)Aduphih2a частотами |/i ±fi I, соответствуют нелинейному смешению магнитных полей. Эффективность нелинейного смешения пропорциональна нелинейному коэффициенту р и определяется коэффициентом а""х = иМх /(aphji2) с размерностью В/смЭ 2.

Все перечисленные МЭ эффекты в работе были обнаружены и исследованы экспериментально.

В подразделе 4.2 описаны экспериментальные исследования нелинейных МЭ эффектов удвоения частоты и смешения магнитных полей в композитных структурах различных составов, содержащих ФМ слои из материалов с сильно отличающимися магнито-стрикциями насыщения As и полями насыщения #s: PZT-Ni, PZT-Pd и PZT-Metglas. Были измерены полевые зависимости магнитострикции Х(Н) для выбранных материалов и по

ним рассчитаны полевые зависимости линейного <?(//) и нелинейного р(11) пьезомагнитно-го коэффициентов. Рисунок 6 демонстрирует совпадение формы полевой зависимости напряжения второй гармоники ит на частоте акустического резонанса с полевой зависимостью нелинейного пьезокоэффициента р(Н) для всех структур, подтверждающее выводы теории. Экспериментально показано, что области малых амплитуд возбуждающего магнитного поля Л амплитуда второй гармоники напряжение и(2) ~ Л2, что также согласуется с предсказанием теории. Рисунок 7 иллюстрирует эффект смешения магнитных полей в композитной структуре РгТ-№. На нем приведены зависимости амплитуды сигнала, генерируемого структурой при изменении частоты одного магнитного поля/1 и различных фиксированных частотах второго магнитного поля /г. Пики на кривых соответствуют выполнению условий частотного синхронизма =| /, ± /21, когда частота генерируемого напряжения совпадает с частотой резонанса изгибных колебаний структуры. Показано, что эффективность удвоения частоты и эффективность нелинейного смешения магнитных полей в структуре РгТ-Ме1§1аз достигает ет"' = 4.5 В/см-Э2 и более, чем на порядок, превышает эффективность нелинейных взаимодействий в структурах со слоями N1 и Рё.

500

н. э

Рис. 6. Полевые зависимости МЭ напряжения и (штриховые линии) и нелинейного коэффициента р сплошные линии) для структур PZT-Metglas (й=1 Э), РГГ-№ (й=7 Э), РгТ-Рё (Л=10 Э) при //=0.

Рис. 7. Зависимости МЭ напряжения ит\х на выходе РгТ-№ структуры от частоты /1 магнитного поля /» для разных частот /2 поля /¡2 (//=0, Й1=Л2=1 Э) при нелинейном смешении магнитных полей.

Таким образом, структуры со слоями из аморфного сплава Ме1£1аз, обладающего высокой магнитострикцией ^ ~ 25-КГ6 и малым полем насыщения ~ 50 Э, является наиболее подходящими для наблюдения нелинейных МЭ эффектов и создания устройств на их основе.

На рис.8 в качестве примера показана зависимость 5о(#о) для образца из РеСо.

Видно, что статическая деформация 5о максимальна без поля смещения, меняет знак при увеличении Но и стремится к нулю при насыщении образца. Сплошной линией на рисунке изображена полевая зависимость нелинейного пьезомагнитного коэффициента р(Но). Показано, что величина деформации пропорциональна второй производной от маг-нитострикции по магнитному полю и растет квадратично с увеличением амплитуды поля А. Величина индуцированной переменным полем деформации может быть сравнима с магнитострикцией насыщения ферромагнетика.

В разделе 5 описаны предложенные в работе высокочувствительные МЭ датчики магнитных полей.

Подраздел 5.1 посвящен рассматрению датчика переменных магнитных полей, работающего без дополнительного постоянного поля смещения. Датчик реализован на основе двухслойной композитной структуры Р2Т-№. Показано, что благодаря магнитному гистерезису слоя №, после намагничивания структуры до насыщения и последующего выключения постоянного поля в структуре наблюдается достаточно сильный МЭ эффект при Н= 0. Измерена зависимость выходного сигнала датчика от амплитуды переменного поля на частоте акустического резонанса структуры 79 кГц. Зависимость имеет линейный характер в диапазоне амплитуд переменного поля от 1 нТл до 1 мТл, чувствительность датчика составляет 1000 В/Тл. Таким образом показано, что композитные структуры, содержащие ферромагнитные слои с гистерезисом, могут послужить основой для создания МЭ датчиков переменных полей, работающих без дополнительного постоянного поля смещения, что значительно упрощает конструкцию датчиков.

н (кэ)

Рис. 8. Зависимость статической деформации 5о (точки), индуцированной переменным полем Л = 200 Э и рассчитанная зависимость нелинейного коэффициента р(Но) (сплошная линия) от поля смещения Но в пластине БеСо.

В подразделе 5.2 описан высокочувствительный широкополосный датчик переменных магнитных полей, использующий нелинейный МЭ эффект смешения магнитных полей, рассмотренный в Разделе 4. Датчик представляет собой двухслойную структуру LGT-Metglas, помещённую внутрь электромагнитной катушки (рис.9). Через катушку от внешнего генератора пропускали переменный ток, который создавал переменное магнитное поле накачки с частотой /г и амплитудой Лг . При помещении датчика во внешнее измеряемое магнитное поле с частотой /1 и амплитудой Й1. структура генерирует напряжение и(/Ф /2) на разностной или суммарной частоте. При совпадении этой частоты с частотой акустического резонанса структуры /0 =1 /, ± /21 амплитуда выходного сигнала с датчика возрастает в добротность Q ~ 1400 раз. Датчик работает без постоянного магнитного поля смещения. В процессе измерений частоту поля накачки /г перестраивали и выходной сигнал регистрировали на частоте акустического резонанса структуры /о = 71.15 кГц. Диапазон частот измеряемых магнитных полей макета датчика достигал 1 - 70 кГц, а разрешение по частоте составляло ~ 50 Гц.

На рис. 10 приведена зависимость выходного сигнала со структуры от амплитуды измеряемого поля Аь Зависимость линейна в интервале полей от 10 нТл до 1 мТл. Для сравнения на рис. 10 даны также зависимости МЭ напряжения от амплитуды переменного поля в широкополосном линейном и в резонансном режимах. Чувствительность МЭ датчика, использующий эффект смешения магнитных полей, составляла и/А =1.8 В/Э, что в -320 раз выше чувствительности широкополосного датчика, использующего линейный МЭ эффект, и всего в -4 раза ниже чувствительности линейного МЭ датчика в резонансном режиме.

■п-и

ЬШ И

ю -

10' т

а Ю 1 10' 10

10

—■-Г"

ю"2 ь, э

—I— 10°

Рис. 9. Конструкция МЭ датчика, использующего эффект смешения магнитных полей.

Рис.10. Зависимость МЭ напряжения и, генерируемого структурой LGT-Metglas, от переменного магнитного поля А в различных режимах работы: 1 - широкополосный режим, 2 — линейный резонансный режим, 3 — режим смешения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Изготовлена автоматизированная установка для исследования температурных характеристик МЭ эффекта в композитных структурах методом низкочастотной модуляции магнитного поля в диапазоне температур от 200 К до 400 К.

2. Исследованы температурные характеристики резонансного МЭ взаимодействия в двухслойных структурах РСТ-№, Р2Т-Ме(п1аз, ЬСТ-№, 1ЛЗТ-Ме1£1аз на частотах изгиб-ных и пленарных колебаний. Для исследованных структур температурный диапазон эффективного резонансного МЭ преобразования составляет от 200 К до 380 К. Показано, что с ростом температуры коэффициент резонансного МЭ преобразования еш в структурах со слоем пьезокерамики падает из-за увеличения относительной диэлектрической проницаемости, а в структурах со слоем монокристаллического лангатата - из-за уменьшения акустической добротности кристалла. Установлено, что изменение резонансной частоты композитных МЭ структур с температурой определяется изменением модулей Юнга материалов слоев. Показана возможность термостабилизация резонансной частоты структур путем использования ферромагнитных и пьезоэлектрических слоев с разными температурными коэффициентами модулей Юнга.

3. Исследованы и объяснены нелинейные резонансные МЭ эффекты удвоения частоты и смешения магнитных полей в композитных структурах с магнитными слоями из №, пермендюра и аморфного сплава, возникающие из-за нелинейности магнитострикции ферромагнетика. Показано, что величина эффектов пропорциональна нелинейному пьезо-магнитному коэффициенту магнитного слоя, амплитуда сигнала с удвоенной частотой растет квадратично с увеличением поля, эффективность смешения полей линейно зависит от их амплитуды. Наибольшие по величине нелинейные эффекты наблюдаются в структурах со слоями из аморфного ферромагнетика Metglas.

4. Обнаружен, исследован и объяснен эффект статической деформации ферромагнетика в переменном магнитном поле, обусловленный нелинейной зависимостью магнитострикции от постоянного магнитного поля.

5. Изготовлены и исследованы макеты высокочувствительных МЭ датчиков магнитных полей, работающих без постоянного поля смещения. Датчик, на основе структуры №-РгТ, содержащий слой из ферромагнитного материала (никель) с гистерезисом, имел чувствительность 1 В/Э. Широкополосный датчик, использующий нелинейный МЭ эффект смешения магнитных полей в структуре LGT-Metglas имел чувствительность 0.2 В/Э, работал в полосе частот 1-70 кГц и обладал частотным разрешением ~ 50 Гц.

Цитируемая литература

1. Nan C.-W., Bichurin M. I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magneto-electric composites: Historical perspective, status and future directions // J. Appl. Phys. - 2008. -V.103.-paper 031103.

2. Bichurin M. I., Filippov D. A., Petrov V. M. et al., Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. B. - 2003. - V.68. - paper 132408.

3. Kamentsev К. E., Fetisov Y. K., and Srinivasan G. Low-frequency nonlinear magnetoelectric effects in a ferrite-piezoelectric multilayer// Appl. Phys. Lett. - 2006. - V.89.-paper. 142510.

4. Wang Y., Li J., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: Status, challenges and perspectives // Materials Today. - 2014. - V.17. - No 6. - P. 268-275.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах

1. Б>рдин Д А, Фетисов Ю. К, Чашин Д В, Экономов Н. А Влияние температуры на характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в стругауре магниониобат-таганат свинца — никель //Письма в ЖГФ.—2012.—Т. 38. - № 6. - С. 4М7.

2. Buidin D. A, Fetisov Y. К., Chashin D. V., Segalla A G, Srinivasan G. Multiferroic bending mode resonators and studies on temperature dependence of magnetoelectric interactions // Appl. Phys. Lett. - 2012. -Vol.100.-Paper242902.

3. Бурдин Д А, Фетисов Ю. К, Чашин Д В., Экономов Н. А Температурные характеристики магнитоэлектрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконат-шганат свинца — никель // Журнал технической физики.-2013.—Т.83 - С.107-112.

4. Бурдин Д А, Фетисов Ю. К., Чашин Д В., Экономов Н. А. Температурные характеристики магнитоэлектрического взаимодействия в композишых резонаторах лангатат-ферромагнетик. // Известия РАН Серия физическая. -2014. - Т.78. -№ 2. - СЛ00-202.

5. Buidin D. A, Fetisov Y. 1С, Chashin D. V., Ekonomov N. A., Fetisov L Y„ Shrinivasulu G. et al. Resonance mixing of alternating current magnetic fields in a multiferroic composite // Journal of Applied Physics.—2013.—V.l 13.-Paper 033902.

6. DA Buidin, D. V. Chashin, N. A. Ekonomov, L. Y. Fetisov, Y. K. Fetisov, G. Srinivasan G. Sreeni-vasulu, Nonlinear magnetoelectric effects in planar ferromagnetic-piezoelectric structures // JMMM. - 2014. -V358- 359. - P.98-104.

7. Бурдин Д А., Фетисов Ю. К, Чашин Д В., Экономов Н. А Д атчик магнитных полей гетеродинного типа на основе нелинейного магнитоэлектрического эффекта // Нано- и микросистемная техника -2014. - № 2 - С 39-42.

8. Бурдин Д Л., Фетисов JL Ю., Фетисов Ю. 1С, Чашин Д В. и Экономов Н. А. Резонансный магнитоэлектрический эффект без поля смещения в монодтной структуре пьезоэлектрический ла [гагат - ферромагнетик с гистерезисом // ЖГФ. -2014. - Т.84. - Вып. 9. - С.90-95.

9. Fetisov Y. К., Burdin DA, Chashin D.V, Ekonomov NA. High-Sensitivity Wideband Magnetic Field Sensor Using Nonlinear Magnetoelectric Effect // IEEE Sensors Journal. - 2014. - V.14. - Issue 7. - P. 2252-2256.

Патенты

1. Бурдин Д А., Серов В. П., Фетисов Ю. К, Фетисов JIЮ., Экономов П. А., Чашин Д В. Датчик переменного маплпного поля. // Патент на полезную модель №136189, зарегистрирован в ГРПМ РФ 27.12.2013

2. Бурдин Д А, Серов В. Н. Фетисов Ю. К, Фетисов JL Ю, Экономов Н. А, Чашин Д В. Датчик маплпного поля. // Патент на полезную модель №138040, зарегистрирован в ГРПМ РФ 05.02.2014.

Статьи в сборниках трудов

1. Бурдин Д А., Фетисов Ю. К., Чашин Д В., Экономов Н. А Магнитоэлектрический эффе кт в структуре аморфный ферромагнешк-пьезоэлеетрик // Сборник научных трудов 5 Международной научной конференции «Функциональная база наноэлеюроники», 30 сенг.-5 окг. 2012, Харьков-Кацивели, С. 210-211.

2. Бурдин Д А, Фетисов Ю. К,Чашин Д В. Экономов II. А Пьезоэлектрический датчик постоянных магнитных полей с пленарной возбуждающей катушкой // Сборник научных трудов 5 Международной научной конфера щии «Функциональная база наноэлеюроники», 30 сенг.-5 окг. 2012, Харь-ков-Кацивели, С. 224-227.

3. Бурдин Д А Фетисов Ю. К, Чашин Д В. Экономов НА Температурные характеристки мапллютеюрического взаимодействия в дисковых резонаторах цирконат-тошнат свинца — никель // Сборник трудов 22 Международной конференции «Новое в магнепвме и маппгшых материалах», Астрахань, 17-21 сентября 2012 С.583-586.

4. Бурдин Д А^ Фетисов Ю. 1С, Чашин Д В. Магнитоэлектрические стругауры типа преобразователя Ланжевена // Сборник трудов 22 Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань, 17-21 сентября 2012 С.593.

5. Бурдин Д А, Даниличев С. А,Чашин Д В., Экономов Н. А. Автоматизированная установка для исследования температурных характеристик тонкоплёночных магнитоэлектрических структур //

Сборник научных трудов VI Международ ной научной конференции «Функциональная база наноалек-троники», Харьков-Крым, 30 сенгября-4 октября 2013 г, CJ246-250.

Тешсы докладов конференций

1. Buidin D. A., Chashin D.V., Economov N. A, Fetisov Y. К. and Segalla A G. Viscoelastic characteristics of piezoelectric ceramics measured by the resonant ultrasound spectroscopy // Сборник тезисов международной научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2011, 3-8 октября 2011, Симферополь-Партенит,С218.

2. Buidin D. A, Chashin D. V., Economov N.A, Fetisov YJC Temperature characteristics of piezoelectric sensor of permanent magnetic fields // Сборник тезисов международной научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2011,3-8 октября 2011, Симферополь-Парташт, С220.

3. Buidin D. A, Chashin D. V, Economov N. A, Fetisov Y. К. Nonlinear magnetoelectric effect in ferromagnetic-piezoelectric composite structures // Сборник тезисов научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2013, 29 сентября-5 октября 2013, Ялга-Гаспра, С234.

4. Buidin D. A., Chashin D. V., Economov N. A, Fetisov Y. K. Zero-biased ac magnetic field magnetoelectric sensor based on langatate-nickel structure // Сборник тезисов международной научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2013,29 сентября-5 октября 2013, Ялта-Гастра, С251.

5. Buidin D. A., Chashin D. V, Economov N. A, Fetisov Y. К. Resonant magnetoelectric effects in langatate-metglas and langatate-nickel structures temperature dependences of characteristics // Сборник тезисов международной научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2013, 29 сентября-5 октября 2013, Ялта-Гаспра, С252.

6. Buidin D. A., Chashin D. V, Economov N. A, Fetisov Y. К. High-sensitive and frequency-selective alternating current mangetoeledric magnetic field sensor based on langatate-metgflas composite // Сборник тезисов международной научной конференции "FunctionalMaterials" ICFM-2013, 29 сентября-5 октября 2013, Ялта-Гаспра, С253

7. Buidin D. A, Chashin D. V, Economov N. A, Fetisov Y. К., Slavin А N. Static deformation of a ferromagnet in alternative current magnetic field. // Abstracts of the IEEE International Magnetic Conference, May 4-8,2014, Dresden, GV-16.

8. Economov N. A, Buidin D. A, Chashin D. V., Fetisov Y. K. Magnetostriction of ferromagnet in AC magnetic field. // Abstracts of the 7-th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics, September 16-19,2014, Chisinau, Moldova, p. 118.

9. Buidin D. A., Chashin D. V., Economov N. A, Fetisov Y. 1С Magnetoelectric effect in bilayer composites: temperature dependences. // Abstracts of the 7-th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics, September 16-19,2014, Chisinau, Moldova, P.120.

10. Fetisov YJC, Chashin D.V., Buidin DA, Ekonomov NA and Fetisov L.Y. Correlation between magnetoelectric and magnetic properties of ferromagnetic-piezoelectric structures. // Abstracts of the IEEE International Magnetic Conference, May 11-15,2015, Jeijing, FT-05.