Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы во многих исследовательских лабораториях развернулись интенсивные исследования магнитоэлектрических (МЭ) явлений в многослойных композитных структурах, содержащих ферромагнитные и пьезоэлектрические слои. В работе [1] показано, что величина МЭ эффекта в таких структурах может на несколько порядков превосходить величину эффекта в естественных материалах, что открывает широкие возможности для использования эффекта в различных областях микроэлектроники.
Магнитоэлектрический эффект представляет собой взаимосвязь намагничивания и электрической поляризации в материалах, обладающих одновременно как магнитным, так и электрическим упорядочением [2]. При помещении образца во внешнее магнитное поле Н изменяется его ди-польный момент Р, а приложение внешнего электрического поля Е вызывает изменение намагниченности М образца. Величину МЭ эффекта характеризуют с помощью коэффициента аЕ = Е/Н, где Е - напряжённость электрического поля, возникающего в образце, не имеющего короткого замыкания, под действием внешнего магнитного поля Н. Магнитоэлектрический эффект впервые был обнаружен в монокристаллах СггОз [3]. Однако в естественных материалах эффект слабый ан ~1-20 мВ/(смЭ) и наблюдается, как правило, при низких температурах.
В композитных структурах МЭ эффект возникает в результате совместного действия магнитострикции и пьезоэффекта благодаря механической связи между ферромагнитными и пьезоэлектрическими слоями. При использовании современных материалов с большой магнитострикцией (ферриты, металлы, редкоземельные сплавы) и большим пьезомодулем (цирконат-титанат строция, титанат бария-стронция и т.д.) МЭ коэффициент для многослойных структур может достигать при комнатной температуре значений <хе ~ 102-10 мВ/(смЭ).
К началу работы над диссертацией были сделаны первые шаги в разработке технологии изготовления двухслойных и многослойных магнитоэлектрических структур различного состава со слоями ферромагнетика и пьезоэлектрика толщиной от единиц миллиметров до десятков микрон, измерены некоторые электрические и магнитные характеристики таких структур, теоретически установлены основные параметры структур, влияющие на величину МЭ эффекта.
Вместе с тем, целый ряд вопросов, касающихся особенностей МЭ взаимодействия в многослойных структурах, и представляющих несомненный интерес для применений, не рассматривался ни экспериментально, ни теоретически. В частности, отсутствовали сведения о частотных и
температурных характеристиках МЭ эффекта в многослойных структурах и влиянии собственной проводимости слоев структуры на величину МЭ эффекта. Не существовало теории, позволяющей рассчитать величину МЭ эффекта в структурах, нанесенных на подложку, и учитывающей изгибные деформации подложки. Требовалось исследовать возможности создания датчиков магнитного поля на основе МЭ структур и сравнить характеристики таких датчиков с датчиками других типов. Кроме того, полностью отсутствовали исследования МЭ эффекта в тонкопленочных структурах, представляющих интерес для микроэлектроники.
Необходимость решения всех этих вопросов и определяет актуальность и практическую значимость диссертационной работы.
Цель и задачи работы
Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах ферромагнетик — пьезоэлектрик и определение возможностей использования МЭ эффекта для создания датчиков магнитных полей.
В работе были поставлены следующие задачи:
-
Экспериментально исследовать зависимости характеристик МЭ эффекта в многослойных пленочных структурах состава никель-цинковый феррит (НЦФ) - цирконат-титанат свинца (ЦТС) от величины, ориентации и частоты модуляции магнитного поля в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
-
Исследовать температурные характеристики МЭ эффекта в структурах состава НЦФ-ЦТС в диапазоне температур - 180...+100 С.
-
Разработать импульсный метод исследования характеристик МЭ эффекта, который позволил бы измерить частотные характеристики МЭ структур НЦФ-ЦТС в диапазоне частот модуляции магнитного поля до 1 МГц. 4. Разработать теорию и методики расчёта характеристик МЭ эффекта в пленочных двухслойных и многослойных МЭ структурах, а также в двухслойных МЭ структурах на подложке, с учётом изгибных деформаций.
5. Экспериментально продемонстрировать возможность применения многослойных магнитострикционных пленок на основе редкоземельных металлов для увеличения МЭ эффекта в многослойных структурах.
Объектами исследований в диссертационной работе являлись многослойные структуры, содержащие ферромагнитные пленки никель-цинкового феррита NixZni.xFe204 и пьезоэлектрические плёнки цирконата-титаната свинца , изготовленные методами толстопленочной керамической технологии, а также структуры, содержащие многослойную магнитост-рикционную пленку TbCo/FeCo, изготовленную методом магнетронного на-
пыления и нанесенную на подложку из цирконата-титаната свинца.
Характеристики МЭ эффекта в многослойных структурах в области низких частот измерялись методом гармонической модуляции магнитного поля, а в области средних частот - методом возбуждения структуры импульсами магнитного поля. Для измерения магнитострикции тонких плёнок использовался оптический метод измерения смещения свободного края балки.
Численные расчёты проводились с использованием математических пакетов Mathcad 11 и FEMLAB.
Научная новизна работы
-
Исследованы зависимости МЭ коэффициента для многослойных пленочных структур НЦФ-ЦТС от величины и ориентации постоянного магнитного поля.
-
Впервые исследована зависимость МЭ коэффициента для многослойных пленочных НЦФ-ЦТС от частоты модуляции магнитного поля в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц.
-
Впервые измерены температурные зависимости МЭ коэффициента для многослойных плёночных структур НЦФ-ЦТС в области температур от -180С до + 100С
-
Показано, что МЭ коэффициент для многослойных структур НЦФ-ЦТС имеет максимум в области низких частот вследствие частотной зависимости проводимости и емкости слоев.
-
Впервые построена теория, описывающая характеристики МЭ эффекта в двухслойных и многослойных толстоплёночных структурах и в тонкоплёночных структурах на подложке, с учётом изгибных деформаций.
-
Впервые обнаружен и исследован МЭ эффект в структурах, содержащих многослойную магнитострикционную пленку ТЪСо(5нм)/РеСо(5нм)х50, нанесённую на ЦТС подложку, в области полей спинового переориентационного фазового перехода.
Практическая ценность работы
-
Установленные в работе зависимости характеристик МЭ эффекта в многослойных структурах НЦФ-ЦГС от величины и ориентации постоянного магнитного поля, частоты модуляции переменного поля и температуры показывают возможность создания на основе таких структур датчиков магнитных полей.
-
Разработанный новый метод исследования (импульсный метод) МЭ эффекта в многослойных структурах позволяет расширить область частот и сократить время измерения частотных характеристик МЭ эффекта.
-
Рассчитаны механические деформации и характеристики МЭ эффекта в двухслойных плёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик и тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик на подложке с учётом изгибных деформаций. Сформулированы условия существования МЭ взаимодействия в тонкоплёночных структурах, нанесенных на подложку.
-
Продемонстрирована возможность использования спинового пере-ориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных пленках TbCo/FeCo для увеличения МЭ взаимодействия в композитных структурах.
Степень достоверности результатов проведённых исследований.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивалась строгим использованием адекватного математического аппарата, проверкой разработанных методов, обширным экспериментом и сопоставлением полученных результатов с результатами работ других авторов. Показан предельный переход формул для двухслойных структур с учётом изгиба в формулы для симметричных структур без него.
Научные положения, выносимые на защиту
-
В многослойных плёночных структурах НЦФ-ЦТС МЭ коэффициент имеет максимум в области низких частот, после которого монотонно спадает с увеличением частоты, сильно возрастая лишь в области частот, соответствующих электромеханическому резонансу структуры.
-
Максимум в области низких частот МЭ коэффициент для плёночных структур НЦФ-ЦТС обусловлен зависимостью от частоты проводимости и ёмкости слоев многослойной структуры.
-
При расчёте характеристик МЭ эффекта в двухслойных структурах магнетик-пьезоэлектрик необходимо учитывать изгибные деформации, приводящие к уменьшению величины МЭ эффекта.
-
В тонкоплёночных структурах магнетик-пьезоэлектрик, нанесённых на подложку, МЭ эффект отсутствует, если намагниченность магнитной плёнки в размагниченном состоянии лежит в плоскости структуры, а пьезоэлектрическая плёнка поляризована по толщине.
-
Использование спинового переориентационного фазового перехода в тонких магнитострикционных плёнках позволяет увеличить их маг-нитострикционную восприимчивость и, как следствие, повысить МЭ коэффициент в структурах на их основе.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на международных и российских конференциях, в том числе:
Научная сессия МИФИ-2003; International Conference of Magnetism,
Rome, Italy, 2004; International Conference IEEE Sensors-2004, Vienna, Austria; XIX Международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», МГУ, 2004; Международная научная конференция «Тонкие плёнки и наноструктуры», Москва, 2004; Международная научная конференция «Relaxation Phenomena in Solids - 21», Воронеж, 2004; Международные научно-технические школы-конференции «Молодые учёные — 2005».
Публикации
По результатам работы опубликовано 9 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, 5 работ в материалах конференций.
Личный вклад автора диссертационной работы заключается в изготовлении тонкоплёночных структур, проведении расчётов и экспериментальных исследований.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 150 страницы, в том числе 79 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список включает 60 наименований.
