Диссертация (Получение, физико-химические и электрофизические исследования однофазных и композитных магнитоэлектриков), страница 10

Известно только несколько однофазных материалов, являющихся магнитоэлектриками при комнатной температуре. Многие магнитоэлектрики являются плохими изоляторами. Из-за слабой МЭ связи в магнитоэлектриках для переключения в них намагниченности (поляризации) нужноприкладывать к ним сильные электрические (магнитные) поля.Сенсоры магнитного поля.

Магнитные датчики представляют собойнаиболее очевидное и проработанное направление использования МЭ эффекта.На основе композиционных МЭ материалов создаются датчики постоянного ипеременного магнитных полей, намного превосходящих по чувствительностидатчики, работающие на основе эффекта Холла и гигантского магнитосопротивления – ГМС (до 1 пТл в частотном диапазоне 10-2-103 Гц [5]). Дополнительным преимуществом МЭ датчиков является то, что для их работы, в отличие отхолловских и ГМС датчиков, нет необходимости в пропускании электрическоготока.

МЭ датчики значительно дешевле, чем СКВИДы, что позволяет говоритьоб их использовании в магнитоэнцефалографии и магнитокардиографии.Детектирование и генерация магнитного поля в устройствах магнитной памяти. Необходимость дальнейшего увеличения плотности записи информации требуют уменьшения геометрических размеров битов, вплоть до критического размера (~10 нм). При меньших размерах, из-за достижения суперпарамагнитного предела [5], биты начинают спонтанно перемагничиваться термическими флуктуациями. Преодоление суперпарамагнитного предела осуществляетсяиспользованием сред с большой коэрцитивной силой, что требует высоких магнитных полей для записи информации и соответственно возрастание омическихпотерь в индуктивных катушках записи и потерь на вихревые токи.Замена традиционно используемых индукционных головок (рис.

1.13) ём-55Рисунок 1.13.Рисунок 1.14.Рисунок 1.13. – Процесс считывания информации в виде МЭ доменов противоположной полярности.Рисунок 1.14. – Головка записи на основе ёмкостного МЭ элемента: 1) МЭслой между обкладками, на которые подано электрическое напряжение, 2)магнитопровод, 3, 4) – домены с противоположной ориентацией намагниченности, соответствующие битам информации «0» и «1».костными МЭ – элементами (рис. 1.14) позволяет уменьшить размеры головокзаписи и потери в них. Приложение электрического напряжения к конденсаторус МЭ диэлектрическим слоем приводит к возникновению магнитного поля, достаточного для записи бита информации.Память на МЭ доменах. Компьютерная память на основе МЭ –материалов была предложена еще в 1965 [5].

В качестве битов информации втаких материалах выступают АФМ домены, не создающие полей размагничивания и являющиеся одновременно и МЭ доменами, способными переориентироваться под действием внешнего магнитного поля.Существенным ограничением такой памяти является сложность процессазаписи, включающего нагревание выше температуры Нееля и охлаждение в присутствии магнитного и электрических полей до температуры ниже точки Нееля.Однако магнитоэлектрики могут служить основой для постоянных запоминающих устройств без возможности перезаписи (ROM – read only memory) с56высоким быстродействием: МЭ коэффициент остаётся постоянным при повышении частоты вплоть до ~100 ГГц – частоты АФМ резонанса.МЭ память - MeRAM.

В качестве энергонезависимой памяти новогопоколения используются различные виды магниторезистивной памяти произвольного доступа (MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory). Вузле MRAM (рис. 1.15-а [5]) расположен туннельный контакт – устройство наоснове ГМС, объединяющее в себе и среду записи (перемагничиваемыйслой) и устройство считывания информации (контакт, сопротивление которого зависит от состояния намагниченности в слое записи).

Доступ к каждомуузлу памяти осуществляется подачей токов записи/считывания на соответствующие битовую и разрядную шины, в месте пересечения которых находитсяданный бит информации. Управление намагниченностью в битах основано натоковых сигналах, поэтому внедрение таких узлов MRAM не решает полностьюпроблему уменьшения энергетических потерь. При этом по мере увеличениястепени интеграции устройств, становится всё труднее создать конфигурациюподводящих проводов, изменяющую направление намагниченности в отдельномузле, и не влияющую на соседние узлы.

Кроме того, при миниатюризации заметным становится явление электромиграции ионов металла при протекании электрического тока большой плотности.Отмеченные проблемы могут быть решены при записи информации на основе МЭ эффекта. Так как в МЭ узле перемагничивание происходит под действием статического электрического поля, а не тока, то дополнительные токовыеэнергетические потери уменьшаются. На рис. 1.15 б представлен один из вариантов реализации такого элемента памяти на основе гетероструктуры из магнитоэлектрика и многослойной структуры типа «спиновый клапан», используемой вMRAM.

Слой магнитоэлектрика обменно связан с ферромагнитным проводящимслоем. Приложение электрического напряжения к МЭ слою вызывает изменениеего поляризации и перестройку магнитной структуры, которая, в свою очередь,конвертируется в переключение намагниченности прилежащего магнитного57Битовая шинаРазряднаяшинаИзолирующийтранзистора)б)Рисунок 1.15.

Узлы памяти MRAM (а) и MeRAM (б) [4, 5].слоя. Последнее приводит к изменению относительной ориентации спиновогоклапана и, следовательно, к скачкообразному изменению электрического сопротивления структуры (рис. 1.15 б). Так как в МЭ элементе магнитное поле возникает под действием статического электрического поля, а не тока, то это позволяеттакже избежать омических потерь. Такую память называют MeRAM (Magnetoelectric Random Access Memory).Хранение двоичных данных в ячейке MeRAM осуществляется в виде намагниченности M нижнего ФМ металлического слоя, лежащего на МЭ слое (рис.1.15 б).

Считывание информации производится за счёт изменения сопротивлениятрёхслойной туннельной магнитной структуры (низкоомное состояние при одинаковой ориентации намагниченности верхнего и нижнего ФМ слоёв, высокоомное состояние при противоположной ориентации). MeRAM сочетает низкое потребление энергии с высокой плотностью и скоростью записи, сохранениеинформации после выключения электропитания.Использование магнитоэлектриков в спинтронике.

Особый интересвызывают перспективы применения магнитоэлектриков в спинтронике, новойотрасли микроэлектроники, использующей транспортные свойства спинполяризованных электронов. Основной проблемой спиновой электроники явля-58ется преобразование информации, представленной в виде намагниченности, вэлектрическое напряжение. В настоящее время эта задача решается использованием явления ГМС – зависимости сопротивления материала от его намагниченности. Использование материалов с гигантским МЭ эффектом позволяетрешить как данную проблему, так и обратную: управление намагниченностью спомощью электрического напряжения.Использование МЭ материалов в СВЧ технике. МЭ материалы перспективны для различных практических применений в СВЧ приборах и интегральной СВЧ технике: для создания МЭ фильтров, модуляторов, переключателей, фазовращателей. В основе их использования лежит возможностьуправления частотой магнитного резонанса как магнитным, так и электрическим полем.

МЭ материал размещается в поле постоянного магнита так, чточастота его АФМ резонанса была близкой к частоте используемого СВЧ излучения. Приложение электрического напряжения вызывает небольшие изменения магнитного поля, в котором находится МЭ материал, и, тем самым,сдвигает частоту МЭ резонанса, что приводит к существенному изменениюпоглощаемой мощности СВЧ излучения.Поскольку магнитоэлектрики относятся к материалам с нарушенной временной инверсией, то они могут использоваться в невзаимных устройствах СВЧдиапазона: вентилях, циркуляторах и др.

Квадратичные МЭ эффекты могут использоваться в приборах удвоения частоты.В СВЧ диапазоне МЭ эффект сильнее всего проявляется в виде сдвига резонансной линии ФМР под действием управляющего электрического поля ибольшинство предложенных СВЧ устройств работает именно на этом эффекте.Он может быть использован для построения электрически управляемых аттенюаторов, модуляторов, переключателей, фильтров, датчиков мощности, фазовращателей и невзаимных устройств (вентилей, циркуляторов).

Прототипамиэтих устройств могут служить соответствующие резонансные ферритовые приборы, при условии замены магнитной управляющей системы на систему элек-59тродов, подключённых к источнику управляющего напряжения.Нелинейная МЭ связь в принципе позволяет осуществлять ограничениемощности, генерацию высших гармоник и параметрическую генерацию, чтоможно использовать для построения соответствующих СВЧ устройств.1.5.Выводы из литературного обзора и постановка задач исследованийПриведённые в литературном обзоре сведения свидетельствуют о том, чтовещества, проявляющие МЭ эффект, представляют в настоящее время большойнаучный и практический интерес, работы по получению и исследованию такихвеществ активно ведутся во всём мире. Это связано с тем, что магнитоэлектрикипроявляют интересные для развития физики твёрдого тела физические свойстваи эффекты, позволяющие создавать на их основе устройства электронной техники нового типа: магнитные сенсоры, головки записи/считывания, многобитовыеэлементы памяти, устройства СВЧ техники, спинтроники и др.Однако подавляющее большинство известных магнитоэлектриков проявляют МЭ эффект только при низких температурах и, как правило, они характеризуются АФМ типом магнитного упорядочения с равной нулю результирующей намагниченностью и низкими коэффициентами МЭ связи, что затрудняет их исследования и реализацию перспектив практического применения.В последние годы практический и научный интерес к данным материалам значительно повысился, что вызвано выявлением гигантского МЭэффекта в слоистых МЭ композитах и несобственных мультиферроиках, вкоторых сегнетоэлектричество индуцируется магнитными фазовыми переходами.

К наиболее полно удовлетворяющим техническим требованиям относятся однофазные мультиферроики типа BiFeO3, Sr3Co2Fe12O41, Co(Ni,Fe)Cr2O4, ферро(и)магнитные - сегнетоэлектрические слоистые композиты. Работы, направленные на расширение круга подобных МЭ веществ и оптимизацию технологий их получения, относятся к наиболее актуальным направлениям развития исследований магнитоэлектриков.60Выбор рассматриваемых в диссертационной работе МЭ фаз в качествеосновных объектов исследований обусловлен их перспективностью для применений в электронной технике и недостаточной изученностью.Фазы ACr2O4, A = Co, Ni, Fe со структурой шпинели являются весьмаперспективными объектами для исследований МЭ эффекта в ферримагнитных системах. Эти фазы (особенно CoCr2O4) являются в настоящее времяобъектами весьма интенсивных исследований. Однако в литературе отсутствуют сведения о концентрационных областях образования твёрдых растворовв системах CoCr2O4 – ACr2O4, данные о диэлектрических и магнитных свойствах образцов этих систем.Особый интерес вызывает выявление в 2010 году мультиферроидныхсвойств в гексафферите Z-типа Sr3Co2Fe24O41 с критическими температурами (Tc> 300 K), лежащими намного выше критических температур всех других известных ранее магнитно-индуцированных сегнетоэлектрических веществ.