Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных путей решения задач разработки новых элементов и устройств твердотельной электроники, повышения их технико-экономических характеристик является использование магнитоэлектрических (МЭ) материалов. В МЭ материалах одновременно существуют магнито- и электрически упорядоченные подсистемы, взаимодействие между которыми вносит ряд особенностей в свойства материала, в реакцию системы на электрическое и магнитное поля.
Практическому использованию МЭ монокристаллов в твердотельной электронике препятствует малая величина эффекта, а также то, что МЭ эффект в большинстве из них наблюдается при температурах, значительно ниже комнатной. Перспективным путем решения этой проблемы стало развитие технологии изготовления композиционных МЭ материалов на основе ферритов и пьезоэлектриков. Наличие у них ряда важных для устройств твердотельной электроники свойств (диэлектрических, магнитных, оптических и др.) позволяет создавать на их основе новые элементы и устройства. Кроме того, вследствие существования взаимосвязи между диэлектрическими и магнитными подсистемами эти вещества могут найти принципиально новые применения. В частности, это могут быть управляющие устройства магнитного типа, управление параметрами которых осуществляется электрическим полем, что позволяет: снизить мощность, потребляемую в цепи управления; избавиться от наводок, возникающих при управлении магнитным полем; осуществить развязку цепей управления при управлении одновременно электрическим и магнитным полем; расширить функциональные возможности управляющих устройств.
Широкое применение МЭ материалов в технике сдерживается отсутствием у имеющихся материалов необходимой величины МЭ эффекта. Учитывая отмеченные преимущества таких устройств, исследование МЭ материалов и построение на их основе устройств твердотельной электроники с электрическим управлением представляются весьма актуальными.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлась разработка магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать обоснованные требования к феррит-пьезоэлектрическим структурам по физическим параметрам и величине МЭ эффекта с целью построения на их основе фильтрующих СВЧ устройств.
-
Изготовить феррит-пьезоэлектрические структуры с магнитоэлектрическими характеристиками, позволяющими создавать фильтрующие СВЧ устройства на основе МЭ эффекта.
-
Провести теоретический расчёт магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе слоистых феррит-
пьезоэлектрических структур, используя инженерные и электродинамические
методы.
4. Разработать конструкции и экспериментально исследовать
магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим
управлением на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур.
Объектами исследований были выбраны слоистые композиционные феррит-пьезоэлектрические материалы на основе монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ - УзРе5Оі2) и пьезоэлектрических твердого раствора титаната ниобата магния (ТНМ - РЬ(Мі/з№>2/з)Оз - РЬТі63) и цирконата-титаната свинца (ЦТС - Pb(Zr,Ti)03).
Методы проведенных исследований. При математическом моделировании МЭ взаимодействия использовались уравнения эластостатики, электростатики, магнитостатики, электродинамики. Для измерения МЭ эффекта применялся метод регистрации э.д.с, возникающей на образце при приложении постоянного и переменного магнитных и электрических полей. Для измерений в микроволновом диапазоне применялся метод ферромагнитного резонанса. Для измерений параметров исследуемых устройств использовался векторный анализатор фирмы Хьюлет Паккард (HP PNA Е-8361).
Научная новизна работы заключается в следующем: в диссертационной работе решена научная задача по разработке магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических структур:
-
Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе монокристаллического ЖИГ и пьезоэлектрических ТНМ и ЦТС. Установлено, что величина сдвига линии магнитного резонанса возрастает с увеличением доли пьезоэлектрика.
-
Получены расчётные соотношения для вычисления амплитудно-частотных характеристики (АЧХ) магнитоэлектрических фильтрующих СВЧ устройств с электрическим управлением на основе феррит-пьезоэлектрических композитов.
-
Экспериментально исследованы магнитоэлектрические фильтрующие СВЧ устройства с электрическим управлением. Управляющее электрическое поле 3 кВ/см позволило осуществить перестройку полосно-пропускающего фильтра в полосе частот равной 120 МГц, что на порядок превышает ширину резонансной линии.
Практическая ценность работы.
-
Предложен оригинальный метод наблюдения МЭ эффекта в области магнитного резонанса, основанный на эффекте изменения частоты магнитного резонанса при воздействии на образец внешнего постоянного электрического поля. При этом система магнитной развертки может быть упрощена или исключена, а для перестройки частоты магнитного резонанса используется источник напряжения.
-
Теоретически и экспериментально показано, что величина МЭ эффекта в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах на основе
монокристаллического ЖИГ и ЦТС достаточна для построения резонансных МЭ устройств.
3. Показано, что для эффективного управления характеристиками управляющих СВЧ фильтров с резонатором на основе слоистой структуры монокристаллический ЖИГ-ЦТС достаточно управляющего поля 3 кВ/см, то есть при толщине пьезоэлектрического слоя 50 мкм достаточно управляющего напряжения 15 В, это позволяет рекомендовать их как для существующих, так и для вновь создаваемых систем телекоммуникации и связи. Научные положения, выносимые на защиту.
-
Коэффициент передачи управляющих СВЧ фильтров на основе МЭ резонатора в рабочей полосе частот определяется МЭ восприимчивостью и коэффициентом связи МЭ резонатора с линией передачи.
-
СВЧ резонатор на основе слоистой структуры состава монокристаллический ЖИГ — ЦТС характеризуется электрической перестройкой резонансной частоты в пределах 100-120 МГц при ширине линии магнитного резонанса ~ 10 МГц.
-
Электрическая перестройка АЧХ фильтрующего СВЧ устройства на основе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур достигает ±120 МГц при управляющем поле ±3 кВ/см.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические
результаты работы, полученные в диссертации, являются частью научно-
исследовательских работ и грантов: НИР Министерства высшего и
профессионального образования «Исследование механизмов резонансного
магнитоэлектрического эффекта в материалах функциональной электроники
СВЧ» (1997-1999); НИР Министерства высшего и профессионального
образования «Поиск и исследование новых сегнетомагнетиков в виде керамики
и композиционных материалов» (1997-2000); НИР Министерства образования
«Исследования магнитоэлектрических взаимодействий в композиционных
материалах» (2000-2002); Грант РФФИ на тему "Исследование
магнитоэлектрических взаимодействий в многослойных композиционных
материалах на основе манганитов" (2001-2002); Грант "Университеты России"
на тему «Исследование многослойных и объемных композиционных
магнитоэлектрических материалов в широком диапазоне частот» (2002-2003);
Грант по Программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным
направлениям науки и техники» на тему «Керамические многослойные
материалы на основе ферритов и сегнетоэлектриков» (2003-2004); Грант
конкурса по фундаментальным исследованиям в области естественных и
точных наук на тему «Исследование магнитоэлектрического эффекта в
многослойных композиционных материалах» (2003-2004); Грант
"Университеты России" на тему "Исследование гигантского
магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических
композиционных материалах" (2004-2005); Грант РФФИ на тему "Феррит-сегнетоэлектрические композиты для многофункциональных микроволновых устройств" (2006 -2007); Грант РФФИ на тему "Резонансные и релаксационные явления в магнитострикционно-пьезоэлектрических композиционных материалах в широком диапазоне частот" (2006 -2008).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных и Российских конференциях, в том числе: Пятой Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" НИТ-2000, Рязань, 2000; Всероссийской конференции "Магнитоэлектрические взаимодействия в кристаллах" (MEIPIC-4), Великий Новгород, 2001; Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2002), Нижний Новгород, 2002; Пятой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference), Нижний Новгород, 2002; V International conference "Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals" (MEIPIC-5), Sudak, Ukraine, 2003; Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2004), Нижний Новгород, 2004; V Международной конференции "Электротехнические материалы и компоненты", Алушта, Крым, 2004; III Международной научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств", Новополоцк, Беларусь, 2004; Annual APS March Meeting 2004, Montreal, Canada; Annual APS March Meeting 2005, Los Angeles, CA, USA; Annual APS March Meeting 2006, Baltimore, MD, USA
По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 10 -статьи, в том числе входящих в список ВАК - 2, 15 - тезисы докладов.
Личный вклад автора диссертационной работы заключается в том, что им были выработаны методы исследований, предложены расчетные методики и получены основные научные результаты, изготовлены макеты разработанных устройств и проведено их экспериментальное исследование.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации 119 страниц, в том числе 27 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 96 наименований.
