Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИНа правах рукописиБУРДИН ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧТЕМПЕРАТУРНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИРЕЗОНАНСНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ВСТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНЕТИК-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКСпециальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахдиссертация на соискание учёной степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор Фетисов Ю. К.Москва 20152Оглавление1. Обзор литературы .....................................................................................................

101.1 Магнитоэлектрический (МЭ) эффект ............................................................... 101.2 Магнитоэлектрический эффект в композитных структурах .......................... 111.3 Резонансный МЭ эффект .................................................................................... 141.4 Температурные характеристики МЭ эффекта в композитных структурах ... 161.5Нелинейныемагнитоэлектрическиевзаимодействиявкомпозитныхструктурах .............................................................................................................................

211.6 Датчики магнитного поля на основе композитных МЭ структур .................. 221.6.1 Магнитоэлектрические датчики переменных магнитных полей ............. 221.6.2 Магнитоэлектрические датчики постоянных магнитных полей ............. 322. Структуры и методы измерений.............................................................................. 392.1 Материалы и методы изготовления композитных структур .......................... 392.2 Методы измерения характеристик материалов ................................................ 442.2.1 Измерение упругих свойств ФМ материалов ............................................ 442.2.2 Измерение электромеханических свойств ПЭ материалов ...................... 462.2.3 Измерение магнитострикции ферромагнитных материалов ....................

472.2.4 Измерение относительной диэлектрической проницаемости, тангенсаугла диэлектрических потерь ПЭ материалов ............................................................... 492.3 Автоматизированная установка для измерения частотных, полевых итемпературных зависимостей резонансного магнитоэлектрического эффекта ............ 492.4 Характеристики резонансного МЭ эффекта в композитных структурах ......

552.4.1 Типы колебаний в композитных структурах ............................................. 552.4.2 Частотные характеристики МЭ эффекта в композитных структурах ..... 572.4.3 Полевые характеристики МЭ эффекта ....................................................... 582.4.4 МЭ эффект в структурах с гистерезисом ................................................... 5932.4.5 Амплитудные характеристики МЭ эффекта ..............................................

602.4.6 Зависимость резонансной частоты и добротности от магнитного поля . 612.4.7 Эффективность резонансного МЭ взаимодействия в исследованныхструктурах ......................................................................................................................... 632.5.

Выводы по главе ................................................................................................. 653. Температурные характеристики резонансного МЭ эффекта в композитныхструктурах .................................................................................................................................

673.1 Температурные характеристики ферромагнитных и пьезоэлектрическихматериалов ............................................................................................................................ 673.2 Температурные характеристики МЭ эффекта в структурах с разными ПЭматериалами .......................................................................................................................... 713.3 Температурные характеристики МЭ эффекта в структурах с ФМ слоямиразной толщины ................................................................................................................... 753.4 Анализ и обобщение результатов ......................................................................

793.4.1 Зависимость МЭ коэффициента от параметров слоёв структуры ........... 793.4.2 Зависимость резонансной частоты МЭ структуры от температуры ....... 823.5 Выводы по главе .................................................................................................. 844.

Нелинейные МЭ эффекты в композитных структурах ......................................... 854.1 Теоретическое описание нелинейных МЭ эффектов ...................................... 854.2 Исследование нелинейных эффектов удвоения частоты и смешениямагнитных полей ..................................................................................................................

884.2.1 Образцы и метод исследования нелинейных МЭ эффектов .................... 884.2.2 Магнитострикция материалов ..................................................................... 894.2.3 Линейный МЭ эффект в структурах PZT-Ni, PZT-P, PZT-Metglas ......... 904.2.4 Эффект удвоения частоты в структурах PZT-Ni, PZT-P, PZT-Metgals ...

934.2.5 Эффект нелинейного смешения магнитных полей в структурах PZT-Ni,PZT-P, PZT-Metglas .......................................................................................................... 9644.2.6 Сравнение линейных и нелинейных МЭ характеристик структур сразными ФМ материалами .............................................................................................. 994.3 Статическая деформация ферромагнетика в переменном поле ...................

1004.4 Выводы по главе ................................................................................................ 1045. Высокочувствительные датчики магнитных полей ............................................ 1065.1 Датчик, содержащий ФМ слой с гистерезисом .............................................. 1065.1.1 Характеристики МЭ эффекта в структуре LGT-Ni ................................. 1065.1.2 Связь характеристик МЭ эффекта с намагниченностью ........................

1085.1.3 Характеристики линейного датчика магнитного поля с нулевым полемсмещения ......................................................................................................................... 1105.2 Датчик на эффекте смешения полей ............................................................... 1135.3 Выводы по главе ................................................................................................ 117Основные результаты и выводы диссертации .........................................................

119Основные публикации по теме диссертации ................................................................ 120Список литературы ..................................................................................................... 1235ВведениеМагнитоэлектрические (МЭ) эффекты в композитных структурах, содержащихферромагнитные (ФМ) и пьезоэлектрические (ПЭ) слои, интенсивно изучают впоследние годы в связи с перспективами их использования для создания новыхустройств твердотельной электроники, таких как высокочувствительные датчикимагнитных полей, электрически управляемые устройства обработки радиосигналов иэлементы магнитной памяти, переключаемые электрическим полем. МЭ эффектыпроявляются в изменении электрической поляризации структуры P под действиемвнешнего магнитного поля H (прямой эффект) или изменении ее намагниченности Mпод действием внешнего электрического поля E (обратный эффект) и возникают врезультате комбинации магнитострикции ФМ слоя и пьезоэффекта в ПЭ слое из-замеханической связи между слоями.

Экспериментально продемонстрировано, чтовеличинапрямогоМЭэффектавкомпозитныхструктурах,характеризуемаякоэффициентом преобразования αE = δE/δH, при комнатных температурах можетдостигать значений ~ 1-103 В/Э∙см, что на 2-3 порядка превосходит величину МЭэффекта во всех известных природных однофазных материалах.К настоящему времени достаточно хорошо изучены физические характеристикилинейных МЭ эффектов в структурах со слоями из различных материалов и различнойгеометрии. Показано, что для увеличения эффективности МЭ преобразования следуетиспользовать в структурах ФМ слои из материалов c большой магнитострикцией λ(металлы Ni, Co, сплавы пермендюр, галфенол, терфенол, метглас) и ПЭ слои изматериалов с большим пьезомодулем d (керамика цирконата-титаната свинца,кристаллы магниониобата-титаната свинца, лангатата и т.д).

Обнаружено, чтоэффективность МЭ взаимодействия резонансно возрастает на 2-3 порядка присовпадении частоты возбуждающего магнитного поля с частотой изгибных либопланарных акустических колебаний структур. Появились первые работы, в которыхописаны нелинейные МЭ эффекты удвоения и смешения частот, возникающие из-занелинейной зависимости магнитострикции ферромагнетика от магнитного поля.

Врезультате проведенных исследований созданы макеты МЭ датчиков переменныхмагнитных полей, обладающие рекордно высокой чувствительностью (детектируемоеполе - до ~10−11 Т), и работающие, в отличие от квантовых сверхпроводящихинтерферометров, при комнатных температурах.6Вместе с тем, многие важные характеристики МЭ взаимодействий в композитныхструктурах, определяющие возможности и перспективы их применений, оставалисьпрактически неизученными до начала данной работы.