Отзыв оппонента (Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик и датчики магнитных полей на их основе)

ОТЗЫВофициального оппонентана диссертацию Чашина ДмитрияВладимировича «Резонансные магнитоэлектрические эффекты вструктурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрикидатчики магнитных полей на их основе», представленную на соисканиеученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 –Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- инаноэлектроника, приборы на квантовых эффектахВ начале этого века магнитоэлектрические мультиферроики испыталинастоящий «ренессанс» (Science, 2005), что отразилось в огромном ростенаучных публикаций во всем мире, включая самые рейтинговые издания.

Ксожалению, как и в магнитных или пьезо-полупроводниках, в однофазныхмультиферроиках трудно одновременно обеспечить сильное проявлениесвойств каждой из подсистемы (магнитной и ферроэлектрической). Поэтомуначались и продолжаютсянаправленныенапо настоящее время интенсивные исследования,созданиеновыхкомпозитныхмультиферроидныхимагнитоэлектрических (МЭ) структур, которые являются достаточно сильнымиферро (пьезо) электриками и одновременно ферромагнетиками (ФМ), причемпри комнатных температурах.

Результаты этих исследований привели ксозданию ряда устройств: управляемых внешними полями высокочастотныхустройств современной микроэлектроники, МЭ-ячеек для устройств соспиновой логикой, а также новых магнитных сенсоров и датчиков, которым ипосвящена представленная работа.В частности, оказалось, что используядавно известные и вполне доступные сегнетоэлектрические и ФМ-материалы инесложные технологии для их сочетания можно наблюдать достаточнобольшиеМЭ-эффекты. Например, «Магнитоэлектрический сенсор за одинцент»- название работы в Nature Materials, вышедшей в 2008 г.

Первая работасоискателя, вошедшая в диссертацию, выходит в этом же году в Appl.Phys.Lett., где демонстрируется МЭ-эффект в двуслойной структуре никельцирконат-титанат свинца (ЦТС)1в условиях, соответствующихупругимрезонансам МЭ-структуры. В дальнейшем эта и последующие работы,вошедшие в диссертацию, широко цитировались, что говорит о том, чтоисследования автора своевременны, находятся на мировом уровне и отчастиопределяют его.Исследованиядиссертационнойработы,направленныенаусовершенствование технологий изготовления композитных МЭ-структур,поископтимальныхвзаимодействий,существенномутакихгеометрий,какувеличениюисследованиеособенностейрезонансныеэффекты,МЭ-отклика,поискуМЭ-приводящихновыхсструктур,демонстрирующих МЭ-эффекты, являются, несомненно, актуальными длядальнейшего применения композитных МЭ-структур в датчиках магнитногополя.Диссертация содержит введение, пять разделов, заключение и списокиспользованных источников из 98 наименований, содержащий в том числестатьи и патенты соискателя (ссылки [74-95]).

Работа изложена на 127страницах, содержит 63 рисунка и 4 таблицы.В первом разделе диссертации дается обзор современных исследованийМЭ эффектов в композитных структурах, содержащих ферромагнетикпьезоэлектрик (ФМ-ПЭ) и немагнитный металл-пьезоэлектрик (М-ПЭ), вконтексте ихвозможного использования для создания датчиков магнитныхполей. Формулируются задачи, стоявшие в этой области исследований намомент начала работы над диссертацией.

Во втором разделе диссертацииописывается три основных типа исследовавшихся МЭ-структур: двухслойныеФМ-ПЭ диски (никель-ЦТС), и два типа М-ЦТС структур, демонстрирующихпьезоиндукционный эффект; описываются методики их изготовления иизмерительные методики. В третьем и четвертомразделах приводятсярезультаты теоретических и экспериментальных исследований соответственнодля ФМ-ПЭ и М-ПЭ-структур.

В пятом разделе приводятся характеристикиразработанных автором макетов датчиков магнитных полей на основепьезоиндукционного эффекта, и приводится их сравнение с характеристиками2датчиков на эффекте Холла, эффекте гигантского магнетосопротивления иэффекте перемагничивания ферромагнетика. В заключении суммированыосновные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций.Автором были получены ряд новых результатов, которые в совокупностиопределяют научную новизну диссертационной работы. Новизна результатовподтверждается их публикацией в известных зарубежных и российскихжурналах, и высокой цитируемостью работ автора.Среди наиболее значимых результатов отметим следующие.1.

Обнаружен и исследован резонансный МЭ-эффект в двухслойных дисковыхструктурахникель-ЦТС,обусловленныймагнитострикциейФМипьезоэффектом ПЭ-слоев. Установлено, что эффект наблюдается на низшихчастотахизгибныхирадиальныхрезонатора, которые могут менятьсяакустическихколебанийсоставногов широких пределах путем подборатолщины слоев за счет изменения эффективной плотности и эффективногомодуля Юнга структуры.

Продемонстрировано, что МЭ- коэффициентдостигает величины 1 В/(см∙Э).2. Впервые обнаружен резонансный пьезоиндукционный эффект в радиальнополяризованном металлизированном кольце из ЦТС, помещенном в аксиальныепостоянноеипеременноемагнитныеполя.Показано,чтовзаимноепреобразование переменных магнитных и электрических полей происходит врезультате комбинации пьезоэффекта, силы Ампера и электромагнитнойиндукции и наблюдается на частоте акустического резонанса ПЭ-кольца.3. Обнаружена генерация переменного напряжения вбиморфных ПЭ-структурах, помещенных в постоянное магнитное поле, при пропускании черезсредний электрод или внешние катушки переменного тока с частотой, равнойчастоте изгибных колебаний биморфных ПЭ-структур.

Установлено, чтоамплитударегистрируемогонапряженияпропорциональнаакустическойдобротности структуры, амплитуде тока и напряженности магнитного поля.4. Продемонстрировано, что резонансные пьезоиндукционные эффекты, в ПЭкольцевых резонаторах и биморфных балках, могут быть использованы для3создания датчиков магнитных полей с чувствительностью до 26 В/(А∙кЭ),работающих в диапазоне полей от единиц миллиэрстед до десятков килоэрстед.Т.о., предложенные датчики способны регистрировать магнитные поля на 2порядка более слабые, чем регистрируемые датчиками Холла, и имеютзначительно более широкий диапазон, чем у магниторезистивных датчиков иферрозондов.Практическая значимость работы состоит в разработке и изготовлениимакетов резонансных датчиков постоянных магнитных полей различныхгеометрий, использующих комбинацию пьезоэффекта и силы Ампера.Предложенные конструкции могут послужить прототипами для изготовлениянедорогихустройств,которыемогутсоставитьраспространенным датчикам на эффекте Холла.технологияизготовлениямонолитныхконкуренциюширокоРазработанная авторомкомпозитныхструктурФМ-пьезокерамика с использованием электролитического осаждения никеляпозволяет создавать композитные структуры сложной формы, обладающиевысокой акустической добротностью и большими МЭ-коэффициентами.

Т.о.,несмотря на то, что созданные и исследованные автором ФМ-ПЭ-структурыобладают пока меньшей чувствительностью, чем М-ПЭ,они такжепредставляются перспективными для дальнейшего исследования с цельюприменения их в магнитосенсорике.Результаты диссертации защищены 4-мя патентами и были использованыпривыполнении3-хНИОКР,что,очевидно,такжеподтверждаютпрактическую значимость работы.Достоверность и обоснованность научных положений и полученныхрезультатовисследованийневызываетсомненийиопределяется:использованием при построении моделей общепризнанных физических законови обоснованных приближений; количественным совпадением результатоврасчетов, полученных с помощью разработанных моделей, с результатамиэкспериментальныхисследований;применениемдостоверныхэкспериментальных методик и обоснованностью оригинальных методов4исследования; подтверждением выводов и заключений диссертационнойработырезультатами более поздних исследований других независимыхавторов.Недостатки и замечания по диссертационной работе.1.В работе изучаются различные МЭ-структуры на основе ЦТС, которыйявляется не только пьезоэлектриком, но также и сегнетоэлектриком.

Поэтомубылобыжелательночеткообозначить,какуюрольиграетсегнетоэлектричество (наличие спонтанного момента) в рассматриваемыхэффектах, пояснить с какой целью создается и используется та или инаяполяризация сегнетоэлектрика в изучаемых структурах. Например, о биморфахсказано что «слои поляризовали навстречу друг другу, что обеспечиваломаксимум генерируемого напряжения…».

Но почему это происходит именнопри такой поляризации слоев, не поясняется.2.Притеоретическомописаниипьезомагнитныхэффектоввпьезоэлектрическом кольце (раздел 4) использованы уравнения (4.1.) неучитывающие деформацию по ширине кольца из-за эффекта Пуассона. Какихлибо комментариев, оправдывающих справедливость такого приближения ивытекающую отсюда возможную погрешность расчетов, не приведено, чтоследовало бы сделать.3.При изучении структур на основе ЦТС –Ni, следовало бы обсудитьвлияние процессов намагничивания Ni при изменении магнитного поля,влияние доменной структуры или остаточной намагниченности Ni в слабыхполях на пьезомагнитные эффекты.4.Поскольку предлагаемые датчики могут измерять достаточно малые поля10-3 Э, то встает вопрос о локальности измерений и однородности поля.Желательно было бы обсудить вопросы о пространственном разрешениемалых изменений магнитного поля.5.Ключевыми в диссертации являются оценки резонансных частотисследуемых структур и сравнение их с экспериментальными.

При этомвыводы формул резонансных частот ( 3.1, 3.3, 4.14) не приводятся, а дается5ссылка на монументальный труд [73], содержащий 440 стр. и огромноеколичество формульных единиц. Считаю, что стоило бы отослать читателя поболее конкретным адресам, указав конкретные страницы или номера формул в[73] .Довольно часто автор использует выражение «известно, что…» без6.указания источника этих знаний. Например, на стр.