mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-3-64-73mireabulletin-523Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSМагнитоэлектрический эффект в двухслойных полосковых и периодических гетероструктурах никель – цирконат-титанат свинцаMagnetoelectric effects in stripe- and periodic heterostructures based on nickel–lead zirconate titanate bilayershttps://orcid.org/0000-0003-2188-0011ФедуловФ. А.FedulovF. A.

Федулов Фёдор Александрович - кандидат технических наук, инженер Научно-образовательного центра «Магнитоэлектрические материалы и устройства».

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57194284263

Fedor A. Fedulov - Cand. Sci. (Eng.), Engineer, Scientific and Education Center “Magnetoelectric materials and devices.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57194284263

ostsilograf@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7762-9198СавельевД. В.SavelievD. V.

Савельев Дмитрий Владимирович - аспирант кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57196479660, ResearcherID D-8952-2019

Dmitriy V. Saveliev - Postgraduate Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57196479660, ResearcherID D-8952-2019

dimsav94@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1031-6696ЧашинД. В.ChashinD. V.

Чашин Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, ведущий инженер Научно-образовательного центра «Магнитоэлектрические материалы и устройства».

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 23977510200

Dmitriy V. Chashin - Cand. Sci. (Eng.), Lead Engineer, Scientific and Education Center “Magnetoelectric materials and devices.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 23977510200

chashindv@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2480-1182ШишкинВ. И.ShishkinV. I.

Шишкин Владимир Ильич - кандидат химических наук, доцент, заместитель директора Учебно-научного объединения «Электроника».

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Vladimir I. Shishkin - Cand. Sci. (Chem.), Assistant Professor, Deputy Director, Education and Science Association “Electronics.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

shishkin@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8627-2730ФетисовЮ. К.FetisovYu. K.

Фетисов Юрий Константинович - доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-образовательного центра «Магнитоэлектрические материалы и устройства».

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 7003504213

Yuri K. Fetisov - Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, Director, Scientific and Education Center “Magnetoelectric materials and devices.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

fetisov@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022080620221036473Copyright © Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Чашин Д.В., Шишкин В.И., Фетисов Ю.К., 20222022Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Чашин Д.В., Шишкин В.И., Фетисов Ю.К.Fedulov F.A., Saveliev D.V., Chashin D.V., Shishkin V.I., Fetisov Y.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/523Цели

Цели. Актуальной задачей при создании магнитоэлектрических (МЭ) устройств на основе композитных гетероструктур ферромагнетик-пьезоэлектрик является уменьшение их размеров, что позволит повысить рабочие частоты устройств и интегрировать их в современную электронику. Цель работы – исследование влияния размеров на характеристики МЭ эффектов в полосковых и периодических гетероструктурах никель – цирконат-титанат свинца, изготовленных методом электролитического осаждения.

Методы

Методы. Для изготовления образцов использовали диски цирконата-титаната свинца с Ag-электродами. На одну поверхность диска электролитически наносили слой Ni. Исследовали резонансную частоту МЭ эффекта, коэффициент МЭ преобразования на этой частоте и величину оптимального магнитного поля смещения для полученных образцов.

Результаты

Результаты. Показано, что уменьшение размера в плоскости полосковых структур до ~1 мм приводит к росту частоты резонансного МЭ эффекта до ~1 МГц и одновременно к снижению эффективности МЭ преобразования. МЭ коэффициент для периодических гетероструктур с шириной Ni-полосок ~100 мкм и расстоянием между ними 20–100 мкм составляет ~1 В/(Э · см). Показано, что при увеличении угла φ между направлением постоянного поля H и осью Ni-полосок от 0° до 90° величина оптимального поля Hm возрастает в ~2.5 раза, а максимальная амплитуда напряжения umax(Hm) падает в 4 раза.

Выводы

Выводы. В периодических структурах частота резонансного МЭ эффекта определяется размером подложки и может составлять единицы кГц, а эффективность преобразования полей зависит от ширины Ni-полосок и расстояния между ними. Обнаружена и объяснена анизотропия характеристик МЭ эффектов в исследованных гетероструктурах, возникающая из-за эффектов размагничивания. Анизотропия МЭ эффекта в периодических гетероструктурах может быть использована для создания датчиков постоянных магнитных полей, чувствительных к ориентации поля.

Objectives

Objectives. A topical task in the design of magnetoelectric (ME) devices based on composite ferromagnetic-piezoelectric heterostructures involves reducing their dimensions to increase their operating frequencies and optimize their integration in modern electronics. The study set out to investigate the influence of in-plane dimensions on the characteristics of ME effects in stripe and periodic nickel-lead zirconate titanate heterostructures manufactured via electrolytic deposition.

Methods

Methods. Lead zirconate titanate disks with Ag-electrodes were used for manufacturing the ME heterostructures; Ni was deposited on one Ag-electrode only.

Results

Results. While a reduction in stripe size leads to an increase in the frequency of the resonant ME effect, it is followed by a decrease in ME conversion efficiency. The ME coefficient for the periodic heterostructures is about ~1 V/(Oe·cm). By increasing the angle between the magnetic field H and the Ni-stripe axis from 0° to 90°, a 2.5-fold increase in the optimal field Hm and a 4-fold drop in the maximum amplitude of ME voltage umax(Hm) was achieved.

Conclusions

Conclusions. In periodic heterostructures, the frequency of the resonant ME effect is determined by the substrate’s size, while ME conversion efficiency depends on the width of the Ni stripes and the distance between them. The observed anisotropy of the ME effects in the investigated heterostructures is explained in terms of demagnetization effects. In the future, the anisotropic ME effect in the periodic heterostructures could be used to develop magnetic field sensors that are sensitive to field orientation.

магнитоэлектрический эффектмагнитострикцияпьезоэлектрический эффектанизотропиядатчик магнитного поляmagnetoelectric effectmagnetostrictionpiezoelectric effectanisotropymagnetic field sensorРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-10128). Работы по изготовлению образцов выполнены при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации. Часть измерений проводили на оборудовании Центра коллективного пользования РТУ МИРЭАThis study was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 19-79-10128). Samples were produced with the financial support of the Grants Council of the President of the Russian Federation. Some of the measurements were carried out on the equipment of the Center for Collective Use at the MIREA – Russian Technological UniversitReferencesBichurin M., Petrov R., Sokolov O., Leontiev V., Kuts V., Kiselev D., Wang Y. Magnetoelectric magnetic field sensors: A review. Sensors. 2021;21(18):6322. https://doi.org/10.3390/s21186232Bichurin M., Petrov R., Sokolov O., Leontiev V., Kuts V., Kiselev D., Wang Y. Magnetoelectric magnetic field sensors: A review. Sensors. 2021;21(18):6322. https://doi.org/10.3390/s21186232Gutierrez J., Lasheras A., Martins P., Pereira N., Barandiaran J.M., Lanseros-Mendes S. Metallic glass/PVDF magnetoelectric laminates for resonant sensors and actuators: A review. Sensors. 2017;17(6):1251. https://doi.org/10.3390/s17061251Gutierrez J., Lasheras A., Martins P., Pereira N., Barandiaran J.M., Lanseros-Mendes S. Metallic glass/PVDF magnetoelectric laminates for resonant sensors and actuators: A review. Sensors. 2017;17(6):1251. https://doi.org/10.3390/s17061251Tu C., Chu Z.-Q., Spetzler B., et al. Mechanical-resonanceenhanced thin-film magnetoelectric heterostructures for magnetometers, mechanical antennas, tunable RF inductors, and filters. Materials. 2019;12(14):2259. https://doi.org/10.3390/ma12142259Tu C., Chu Z.-Q., Spetzler B., et al. Mechanical-resonanceenhanced thin-film magnetoelectric heterostructures for magnetometers, mechanical antennas, tunable RF inductors, and filters. Materials. 2019;12(14):2259. https://doi.org/10.3390/ma12142259Suchtelen van J. Product properties: a new application of composite materials. Philips Res. Rep. 1972;27:28–37.Suchtelen van J. Product properties: a new application of composite materials. Philips Res. Rep. 1972;27:28–37.Bichurin M., Filippov D., Petrov V., Laletsin V., Paddubnaya N., Srinivasan G. Resonance magnetoelectric effects in layered magneto-strictive-piezoelectric composites. Phys. Rev. B. 2003;68(13):10–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.132408Bichurin M., Filippov D., Petrov V., Laletsin V., Paddubnaya N., Srinivasan G. Resonance magnetoelectric effects in layered magneto-strictive-piezoelectric composites. Phys. Rev. B. 2003;68(13):10–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.132408Kopyl S., Surmenev R., Surmeneva M., Fetisov Y., Kholkin A. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine – a review. Mater. Today Bio. 2021;12:100149. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100149Kopyl S., Surmenev R., Surmeneva M., Fetisov Y., Kholkin A. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine – a review. Mater. Today Bio. 2021;12:100149. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100149Li L., Yao X., Gan L., Zhang X., Zhou J.-P. Magnetoelectric anisotropy in laminate composite for detecting magnetic field. Func. Mater. Lett. 2018;12(01):1850098. https://doi.org/10.1142/S1793604718500984Li L., Yao X., Gan L., Zhang X., Zhou J.-P. Magnetoelectric anisotropy in laminate composite for detecting magnetic field. Func. Mater. Lett. 2018;12(01):1850098. https://doi.org/10.1142/S1793604718500984Vopsaroiu M., Stewart M., Fry T., Cain M., Srinivasan G. Tuning the magnetoelectric effect in multiferroic composites via crystallographic texture. IEEE Trans. Magn. 2008;44(11):3017–3020. https://doi.org/10.1109/TMAG.2008.2001649Vopsaroiu M., Stewart M., Fry T., Cain M., Srinivasan G. Tuning the magnetoelectric effect in multiferroic composites via crystallographic texture. IEEE Trans. Magn. 2008;44(11):3017–3020. https://doi.org/10.1109/TMAG.2008.2001649Burdin D.A., Ekonomov N.A., Gordeev S.N., Fetisov Y.K. Anisotropy of ME effect in an amorphous ferromagnetpiezoelectric heterostructure. J. Magn. Mag. Mater. 2021;521(Part 2):167530. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167530Burdin D.A., Ekonomov N.A., Gordeev S.N., Fetisov Y.K. Anisotropy of ME effect in an amorphous ferromagnetpiezoelectric heterostructure. J. Magn. Mag. Mater. 2021;521(Part 2):167530. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167530Fetisov Y., Chashin D., Saveliev D., Fetisov L., Chamonin M. Anisotropic magnetoelectric effect in a planar heterostructure comprising piezoelectric ceramics and magnetostrictive fibrous composite. Materials. 2019;12(19):3228. https://doi.org/10.3390/ma12193228Fetisov Y., Chashin D., Saveliev D., Fetisov L., Chamonin M. Anisotropic magnetoelectric effect in a planar heterostructure comprising piezoelectric ceramics and magnetostrictive fibrous composite. Materials. 2019;12(19):3228. https://doi.org/10.3390/ma12193228Chashin D.V., Fetisov Y.K., Tafintseva E.V., Srinivasan G. Magnetoelectric effects in layered samples of lead zirconium titanate and nickel films. Solid State Comm. 2008;148(1–2): 55–58. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2008.07.015Chashin D.V., Fetisov Y.K., Tafintseva E.V., Srinivasan G. Magnetoelectric effects in layered samples of lead zirconium titanate and nickel films. Solid State Comm. 2008;148(1–2): 55–58. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2008.07.015Lasheras A., Gutierrez J., Barandiaran J.M. Quantification of size effects in the magnetoelectric response of metallic glass/PVDF laminates. Appl. Phys. Lett. 2016;108(22):222903. https://doi.org/10.1063/1.4953156Lasheras A., Gutierrez J., Barandiaran J.M. Quantification of size effects in the magnetoelectric response of metallic glass/PVDF laminates. Appl. Phys. Lett. 2016;108(22):222903. https://doi.org/10.1063/1.4953156Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. NY: D. Van Nostrand Company Inc.; 1955. 468 p.Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. NY: D. Van Nostrand Company Inc.; 1955. 468 p.Nan T., Hui Y., Rinaldi M., Sun N.X. Self-biased 215 MHz magnetoelectric MEMS resonator for ultra-sensitive DC magnetic fields detection. Sci. Rep. 2013;3:1985. https://doi.org/10.1038/srep01985Nan T., Hui Y., Rinaldi M., Sun N.X. Self-biased 215 MHz magnetoelectric MEMS resonator for ultra-sensitive DC magnetic fields detection. Sci. Rep. 2013;3:1985. https://doi.org/10.1038/srep01985Bichurin M., Petrov V., Srinivasan G. Theory of lowfrequency magnetoelectric coupling in magnetostrictivepiezoelectric bilayers. Phys. Rev. B. 2003;68(5):1–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.054402Bichurin M., Petrov V., Srinivasan G. Theory of lowfrequency magnetoelectric coupling in magnetostrictivepiezoelectric bilayers. Phys. Rev. B. 2003;68(5):1–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.054402Osborn J.A. Demagnetizing factors of the general ellipsoid. Phys. Rev. 1945;67(11–12):351–357. https://doi.org/10.1103/PhysRev.67.351Osborn J.A. Demagnetizing factors of the general ellipsoid. Phys. Rev. 1945;67(11–12):351–357. https://doi.org/10.1103/PhysRev.67.351Chen D.X., Pardo E., Sanchez A. Demagnetizing factors of rectangular prisms and ellipsoids. IEEE Trans. Magn. 2002;38(4):1742–1752. https://doi.org/10.1109/TMAG.2002.1017766Chen D.X., Pardo E., Sanchez A. Demagnetizing factors of rectangular prisms and ellipsoids. IEEE Trans. Magn. 2002;38(4):1742–1752. https://doi.org/10.1109/TMAG.2002.1017766Malkinski L.M., Yu M., Scherer II D.J. Magnetostatic interactions in two-dimensional arrays of magnetic strips. Mater. Res. Symp. Proc. 2010;1250:G08–03. https://doi.org/10.1557/PROC-1250-G08-03Malkinski L.M., Yu M., Scherer II D.J. Magnetostatic interactions in two-dimensional arrays of magnetic strips. Mater. Res. Symp. Proc. 2010;1250:G08–03. https://doi.org/10.1557/PROC-1250-G08-03Encinas-Oropesa A., Demand M., Piraux L., Huynen I., Ebels U. Dipolar interaction in arrays of nickel nanowires studied by ferromagnetic resonance. Phys. Rev. B. 2001;63(10):104415. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.104415Encinas-Oropesa A., Demand M., Piraux L., Huynen I., Ebels U. Dipolar interaction in arrays of nickel nanowires studied by ferromagnetic resonance. Phys. Rev. B. 2001;63(10):104415. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.104415Tartakovskaya E.V., Vovk A., Golub V. Dipolar interaction in ordered superlattices of ferromagnetic nanoparticles. Phys. Stat. Sol. A. 2008;205(8):1787–1789. https://doi.org/10.1002/pssa.200723610Tartakovskaya E.V., Vovk A., Golub V. Dipolar interaction in ordered superlattices of ferromagnetic nanoparticles. Phys. Stat. Sol. A. 2008;205(8):1787–1789. https://doi.org/10.1002/pssa.200723610Zhai J., Dong S., Xing Z., Li J., Viehland D. Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect. Appl. Phys. Lett. 2007;91(12):125513. https://doi.org/10.1063/1.2789391Zhai J., Dong S., Xing Z., Li J., Viehland D. Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect. Appl. Phys. Lett. 2007;91(12):125513. https://doi.org/10.1063/1.2789391Duc N.H., Tu B.D., Ngoc N.T., Lap V.D., Giang T.H. Metglas/PZT-magnetoelectric 2-D geomagnetic device for computing precise angular position. IEEE Trans. Magn. 2013;49(8):4839–4842. https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2241446Duc N.H., Tu B.D., Ngoc N.T., Lap V.D., Giang T.H. Metglas/PZT-magnetoelectric 2-D geomagnetic device for computing precise angular position. IEEE Trans. Magn. 2013;49(8):4839–4842. https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2241446

The authors declare that there are no conflicts of interest present.