Введение к работе
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект представляет собой взаимосвязь процессов намагничивания и поляризации в материале. В МЭ материалах внешнее магнитное поле индуцирует электрическую поляризацию (прямой МЭ эффект), а внешнее электрическое поле меняет намагниченность (обратный МЭ эффект). Поиск и исследование новых МЭ материалов является актуальной задачей физики конденсированного состояния, особенно в связи с перспективами их практического использования. Наличие МЭ взаимодействия в этих материалах делает их перспективными для создания устройств твердотельной электроники.
На сегодняшний день известно множество монокристаллических МЭ материалов. Однако недостаточная величина МЭ коэффициентов, характерная для монокристаллических материалов, затрудняет их практическое использование. В этой связи исследование композиционных структур на основе пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов, в которых величина МЭ коэффициентов на два-три порядка больше, чем в оксиде хрома, представляет большой научный и практический интерес.
К настоящему времени проведены исследования МЭ эффекта в различных материалах (монокристаллах, объемных и многослойных композитах), однако актуальным является переход к тонкопленочной технологии реализации МЭ эффекта, который позволит интегрировать устройства на их основе непосредственно с микросхемой на одной подложке.
В композиционных феррит-пьезоэлектрических структурах МЭ эффект имеет место благодаря механическому взаимодействию ферритовой и пьезоэлектрической фаз, поэтому использование электромеханических резонансов позволяет увеличить МЭ эффект. В слоистых структурах на основе монокристаллических ферритов и пьезоэлектриков хорошего качества степень магнитного упорядочения может быть достаточно высока, и в такого типа материалах возможно наблюдение эффектов, связанных с магнитоупругим взаимодействием. В области наложения частот электромеханического и магнитного резонансов можно ожидать значительное усиление МЭ эффекта.
Цель работы
Целью данной работы является исследование МЭ взаимодействия в слоистых структурах феррит – пьезоэлектрик в области магнитоакустичес-кого резонанса (МАР), направленное на получение структур с МЭ эффектом, величина которого достаточна для использования в устройствах твердотельной электроники.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
-
Изучить МЭ эффект в слоистых структурах феррит – пьезоэлектрик в области МАР при нормальном намагничивании.
-
Изучить МЭ эффект в слоистых структурах феррит – пьезоэлектрик в области МАР при касательном намагничивании.
-
Исследовать влияние неоднородного обменного взаимодействия на параметры МЭ взаимодействия в области МАР в феррит-пьезоэлектрических структурах.
-
Исследовать прецессию СВЧ-намагниченности, индуцированной внешним переменным электрическим полем, в феррит-пьезоэлектрических структурах.
-
Предложить феррит-пьезоэлектрические структуры для использования в устройствах твердотельной электроники, разработать рекомендации по созданию новых материалов с заданными МЭ свойствами.
Объекты и методы исследований
Объектами исследований данной диссертационной работы являются слоистые феррит-пьезоэлектрические структуры на основе поликристаллического цирконата-титаната свинца (ЦТС), монокристаллического ниобата свинца-магния – титаната свинца (PMN-PT) монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ), литиевой феррошпинели.
При моделировании МЭ взаимодействия использовались уравнения эластостатики, эластодинамики, электростатики, магнитостатики, электродинамики, термодинамики, уравнение движения вектора намагниченности. Решение уравнений с учетом неоднородного обменного взаимодействия осуществлялось методом интегрального преобразования Лапласа. Для нахождения волнового числа ферритовой фазы производилась линеаризация по параметру неоднородного обменного взаимодействия. Измерение МЭ эффекта проводилось методом регистрации ЭДС, возникающей на образце при приложении постоянного и переменного магнитных полей. Измерения МЭ восприимчивости в диапазоне СВЧ проводились на основе измерения поглощенной мощности внешнего электрического поля.
Научная новизна работы
-
Построена теоретическая модель двухслойной феррит-пьезоэлектрической структуры, позволяющая на основе точного решения получить выражение для МЭ коэффициента по напряжению в области МАР для двухслойной структуры феррит-пьезоэлектрик при подмагничивающем поле, направленном нормально к поверхности образца. Показано, что в таких структурах имеет место гигантский МЭ эффект в области МАР. Использование предложенной модели позволило впервые адекватно описать МЭ эффект в двухслойных структурах состава ЦТС – ЖИГ.
-
Построена теоретическая модель двухслойной феррит-пьезоэлектрической структуры, позволяющая на основе точного решения получить выражение для магнитоэлектрического коэффициента по напряжению в области магнитоакустического резонанса для двухслойной структуры феррит – пьезоэлектрик при подмагничивающем поле, параллельном плоскости образца. Показано, что в этом случае максимум МЭ коэффициента достигается при меньших значениях подмагничивающего поля по сравнению с нормальным намагничиванием.
-
Построена теоретическая модель, позволяющая описать влияние неоднородного обменного взаимодействия на МЭ эффект в области МАР. Показано, что с уменьшением толщины слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры наблюдается увеличение МЭ коэффициента по напряжению в области МАР. Усиление МЭ эффекта связано с влиянием неоднородного обменного взаимодействия в ферритовой компоненте.
-
Построена теоретическая модель слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, позволяющая на основе точного решения получить выражение для электрически индуцированной СВЧ-намагниченности. Показано, что прецессия СВЧ-намагниченности в подмагничивающем поле обуславливает поглощение энергии переменного электрического поля в области МАР.
-
Предложены феррит-пьезоэлектрические структуры на основе ЖИГ и ЦТС для использования в устройствах твердотельной электроники, разработаны рекомендации по созданию новых материалов с заданными МЭ свойствами.
Практическая ценность работы
-
Построенные модели МЭ эффекта в слоистых композиционных структурах дают возможность выбора оптимального соотношения параметров компонентов композита для достижения максимального МЭ эффекта в области МАР.
-
Предложен метод измерения МЭ восприимчивости на основе измерения поглощенной мощности при воздействии на образец переменного электрического поля.
-
Предложено использовать феррит-пьезоэлектрическую структуру ЖИГ – ЦТС в селективном датчике СВЧ-мощности. При этом избирательность датчика повышается вследствие наложения частот ЕМР и ФМР.
-
Рассмотрены методы параметрического возбуждения магнитоупругих волн с помощью внешнего электрического поля, а также методы возбуждения электромеханических волн изменяющимся во времени эффективным модулем упругости ферритовой компоненты.
Научные положения, выносимые на защиту
-
В слоистой феррит-пьезоэлектрической структуре наблюдается гигантский магнитоэлектрический эффект в диапазоне СВЧ, связанный с наложением электромеханического и магнитного резонансов.
-
Увеличение магнитоэлектрической восприимчивости слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры в области магнитоакустического резонанса при уменьшении толщины структуры обусловлено вкладом неоднородного обменного взаимодействия в ферритовой компоненте.
-
При помещении феррит-пьезоэлектрической структуры во внешнее электрическое СВЧ-поле наблюдается резонансное поглощение энергии электрического поля, обусловленное прецессией электрически индуцированной намагниченности в подмагничивающем поле.
-
Чувствительность и избирательность селективного датчика СВЧ-мощности на основе феррит-пьезоэлектрической структуры определяется частотной зависимостью магнитоэлектрической восприимчивости структуры.
Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты работы, полученные в диссертации, использованы при проведении научно-исследовательских работ по исследованию новых магнитоэлектрических материалов и устройств на их основе, а также в лекционных и лабораторных циклах при изучении учебных дисциплин: материаловедение и материалы электронных средств, техническая электродинамика, физика магнетиков и сегнетоэлектриков.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
– 11 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2005
Physics of Electronic Materials: 2nd International Conference. Kaluga, Russia, 2005
Annual APS March Meeting 2005, Los Angeles, USA
– XII научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. Великий Новгород, 2005
– XIII научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. Великий Новгород, 2006
– Annual APS March Meeting 2006, Baltimore, USA
– 12 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Новосибирск, 2006
– 2 Теренинской научно-практической конференции. Калуга, 2006
– Annual APS March Meeting 2007, Denver, USA
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 5 – в ведущих отечественных и зарубежных изданиях.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Каждая глава имеет свою нумерацию параграфов и формул.
