Резонансный магнитоэлектрический эффект в композитных планарных структурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик

На правах рукописиФЕТИСОВ ЛЕОНИД ЮРЬЕВИЧРЕЗОНАНСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙЭФФЕКТ В КОМПОЗИТНЫХ ПЛАНАРНЫХСТРУКТУРАХФЕРРОМАГНЕТИК-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК01.04.11 – «Физика магнитных явлений»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2012Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Перов Николай СергеевичОфициальные оппоненты:Звездин Анатолий Константинович, докторфизико-математическихнаук,главныйнаучный сотрудник института общей физикиимени А.М.

Прохорова РАННикитин Сергей Александрович, докторфизико-математических наук, профессоркафедрыобщейфизикиифизикиконденсированного состояния физическогофакультета МГУ имени М.В. ЛомоносоваВедущая организация:Институт металлургии и материаловеденияим. А.А. Байкова РАНЗащита состоится «20» декабря 2012 г.

вч. на заседании диссертационного советаД 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу:119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр. 35, МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКПфизического факультета, конференц-зал.С авторефератом и диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.А.М.

Горького МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27, фундаментальнаябиблиотека).Автореферат разослан «» ноября 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессорПлотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ последние годы в научных лабораториях России и за рубежом интенсивно исследуютмультиферроики - твердые тела, обладающие одновременно как магнитным, так и электрическимупорядочением. В таких веществах обнаружены магнитоэлектрические (МЭ) эффекты,проявляющиеся в изменении электрической поляризации образца P под действием внешнегомагнитного поля H (прямой эффект) или в изменении намагниченности образца M под действиемэлектрического поля E (обратный эффект) [1].

Исследования МЭ эффектов в мультиферроикахважны для более глубокого понимания электромагнитных явлений в твердых телах ипредставляют интерес для создания нового поколения устройств твердотельной электроники,таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, элементы хранения и обработкиинформации, автономные источники электрической энергии и т.д. [2, 3].В большинстве природных мультиферроидных кристаллов (Cr2O3 и других) МЭ эффектымалы по величине - коэффициент прямого МЭ взаимодействия не превышает αE = E/H ~10 мВ·Э-1·см-1 - и наблюдаются, как правило, при низких температурах или в больших магнитныхполях, что ограничивает их применение.

Гораздо больший по величине МЭ эффект обнаружен вискусственно созданных композитных структурах, содержащих ферромагнитные (ФМ) исегнетоэлектрические (СЭ) слои. В композитных структурах эффект возникает в результатекомбинации магнитострикции ФМ слоя и пьезоэффекта в СЭ слое вследствие механической связимежду слоями [3]. Использование материалов с высокой магнитострикцией λ (никелевый феррит,металлы Ni и Co, редкоземельные сплавы) и большим пьезомодулем d (цирконат-титанат свинца– PZT, магниониобат-титанат свинца – PMN-PT и других) позволило достичь эффективностивзаимодействия αE ~ 1-10 В/Э·см [3]. Эффективность МЭ взаимодействия в композитныхструктурах удалось увеличить еще на 1-2 порядка до αE ~102 В/Э·см в режиме резонансноговозбуждении образца переменным магнитным полем, частота которого совпадает с частотойсобственных акустических колебаний образца [4].К моменту начала работ над диссертацией (2008 год) определились наиболее актуальныезадачи инаправленияисследований,среди которых: повышение эффективности МЭвзаимодействий за счет использования в композитных структурах новых ФМ и СЭ материалов,детальное исследование полевых и частотных характеристик МЭ взаимодействий, в том числе врезонансныхрежимах,разработкановыхметодовуправленияхарактеристикамивзаимодействий и поиск новых МЭ эффектов для применений в твердотельной электронике.МЭЭффективность МЭ взаимодействий в композитных структурах можно повысить за счетиспользования магнитных материалов с большим пьезомагнитным коэффициентом q = δλ/δH ивысокой намагниченностью насыщения, обладающих при этом малой коэрцитивной силой.Материалы, используемые для изготовления СЭ слоев должны иметь высокий пьезомодуль d,малые диэлектрические потери tgδ и наименьшийсегнетоэлектрический гистерезис.

Дляповышения эффективности МЭ взаимодействий в резонансных режимах как ФМ, так и СЭ слоикомпозитных структур должны обладать высокой акустической добротностью. ХарактеристикамиМЭ взаимодействий в композитных структурах (эффективность взаимодействия, резонанснаячастота, потери) также можно управлять при помощи постоянного электрического поля,приложенного к сегнетоэлектрическому слою. Большинство работ было посвящено изучениюлинейных МЭ эффектов в переменных полях, когда отклик мультиферроидного образцарегистрировали на частоте возбуждающего поля, и амплитуда отклика линейно зависела отвеличины поля. Вместе с тем, для ФМ материалов характерна нелинейная зависимостьмагнитострикции от магнитного поля λ(H), а для ФЭ материалов - нелинейная зависимостьпьезомодуля от электрического поля d(E).

Это открывает возможности наблюдения новыхнелинейныхМЭэффектоввкомпозитныхмультиферроиках.Изучениенелинейныххарактеристик МЭ эффекта в композитных структурах представляет большой интерес и можетпривести к новым фундаментальным и практическим результатам.Интерес к исследованию МЭ эффекта вызван не только научной новизной выбранногонаправления исследований, но также перспективами его практического использования вразличных областях техники. Одним из основных применений является изготовление датчиковмагнитных полей. Их основными достоинствами является высокая чувствительность прикомнатной температуре, линейность по отношению к амплитуде измеряемого поля, а такжеотсутствие источника тока, необходимого, например, для работы датчиков Холла.

Достигнутая насегодняшний день максимальная чувствительность МЭ датчиков составляет 10-12 Тл прикомнатной температуре, что сравнимо с чувствительностью СКВИД-магнитометров. Другимиперспективными направлениями являются: разработка автономных источников энергии,преобразующих энергию механических колебаний и переменных магнитных полей вэлектрическую энергию, создание новых устройств высокочастотной электроники, новых типовмагнитной памяти и различных логических элементов.Подтверждениемактуальностиисследованиймагнитоэлектрическихэффектоввкомпозитных мультиферроидных структурах является резкий рост числа публикаций по даннойтематике за последние несколько лет. Динамика публикационной активности в этой области,начиная с 2001, продемонстрирована на рисунке 1 [4].Рис.

1 Количество публикаций по тематике магнитоэлектрических материалов имультиферроиков в текущем столетии (по данным ISI Web of Knowledge) [4].Таким образом, исследование МЭ свойств композитных слоистых структур являетсяперспективным направлением и представляет большой интерес как с научной, так и практическойточек зрения.Цель работыЦелью настоящей работы является исследование как линейных, так и нелинейных МЭрезонансных эффектов в новых мультиферроидных слоистых композитных структурах на основеферромагнитных и сегнетоэлектрических материалов, в том числе ранее не применяемых дляизготовления таких структур.Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи1. Исследованы магнитные и МЭ характеристики композитных структур с магнитнымислоями из никеля, галфенола, пермендюра и аморфного сплава на основе железа.2.

Исследованы МЭ характеристики композитных структур со слоями из пьезоэлектриковлангатата и кварца.3. Исследовано влияние постоянного электрического поля на характеристики МЭ эффекта вкомпозитных слоистых структурах.4. Исследованы нелинейные МЭ взаимодействия в мультиферроидных композитныхструктурах.5. Исследован МЭ отклик мультиферроидной композитной структуры на импульсымагнитного поля большой амплитуды.Научная новизна1.

Получены данные о величинах прямого и обратного магнитоэлектрических эффектов вкомпозитных структурах с магнитными слоями из галфенола и пермендюра.2. Впервые получены данные о величинах магнитоэлектрического эффекта в композитныхструктурах с пьезоэлектрическими материалами, такими как кварц и лангатат.3. Впервые показана возможность изменения характеристик МЭ эффекта в композитныхслоистых структурах с помощью постоянного электрического поля, приложенного ксегнетоэлектрику.4.

Обнаружены и объяснены нелинейные МЭ эффекты: возникновение электрическогосигнала на акустической резонансной частоте образца, возбуждаемого переменныммагнитнымполемсчастотой,вдвоеменьшейрезонансной,иформированиеэлектрического сигнала на резонансной частоте образца под действием двух переменныхмагнитных полей с частотами, удовлетворяющими условиям синхронизма.5.