mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-3-85-92mireabulletin-526Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSАнизотропный магнитоэлектрический эффект в структуре цирконат–титанат свинца / магнитострикционный волоконный композитAnisotropic magnetoelectric effect in lead zirconate titanate and magnetostrictive fiber composite structureshttps://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/0000-0002-3699-4321ФетисовЛ. Ю.FetisovL. Y.

Фетисов Леонид Юрьевич - доктор физико-математических наук, доцент кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 26431336600, ResearcherID D-1163-2013

Leonid Y. Fetisov - Dr. Sci. (Phys.–Math.), Associate Professor, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 26431336600, ResearcherID D-1163-2013

fetisovl@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2995-8824МусатовВ. И.MusatovV. I.

Мусатов Владимир Иванович - студент кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57416814900

Vladimir I. Musatov - Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57416814900

musatov_vovak@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7714-2742ДжапаридзеМ. В.DzhaparidzeM. V.

Джапаридзе Михаил Валерьевич - аспирант кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57395288400

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

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57395288400

mvd-1997@yandex.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022090620221038592Copyright © Савельев Д.В., Фетисов Л.Ю., Мусатов В.И., Джапаридзе М.В., 20222022Савельев Д.В., Фетисов Л.Ю., Мусатов В.И., Джапаридзе М.В.Saveliev D.V., Fetisov L.Y., Musatov V.I., Dzhaparidze M.V.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/526Цели

Цели. Разработка композитных структур, в которых наблюдается сильно анизотропный магнитоэлектрический (МЭ) эффект, актуальна для создания датчиков, чувствительных к направлению магнитного поля. Такой МЭ эффект может быть обусловлен анизотропией как магнитного, так и пьезоэлектрического слоя. Авторами изготовлен новый анизотропный материал – магнитострикционный волоконный композит (МВК), представляющий собой набор никелевых проволок, расположенных вплотную параллельно друг к другу в один слой и погруженных в полимерную матрицу. Цель работы – исследование линейного МЭ эффекта в композитных структурах со слоями из МВК и керамики цирконата титаната свинца (ЦТС-19).

Методы

Методы. Магнитострикция МВК была измерена тензометрическим методом, МЭ эффект – методом низкочастотной модуляции магнитного поля.

Результаты

Результаты. Были изготовлены структуры с диаметрами никелевых проволок 100, 150 и 200 мкм. Измерены полевые зависимости магнитострикции МВК, а также частотные, полевые и амплитудные зависимости МЭ напряжения для случая линейного МЭ эффекта при различной величине угла между направлением магнитного поля и проволоками. Показано, что все образцы обладают сильной анизотропией относительно направления магнитного поля. МЭ напряжение уменьшается от максимального значения до нуля при изменении направления магнитного поля с параллельного до перпендикулярного относительно волокон никеля.

Выводы

Выводы. Наибольшим по величине МЭ коэффициентом, составляющим 1.71 В/(Э · см), обладает структура, изготовленная на основе МВК с диаметром проволоки 150 мкм. Частота резонанса растет от 3.5 кГц до 6.5 кГц с увеличением диаметра проволок. Величина магнитострикции МВК сопоставима по величине с магнитострикцией пластины никеля такой же толщины.

Objectives

Objectives. The development of composite structures in which a strongly anisotropic magnetoelectric (ME) effect is observed is relevant for the creation of sensors that are sensitive to the direction of the magnetic field. Such an ME effect can arise due to the anisotropy of both the magnetic and the piezoelectric layers. In this work, a new anisotropic material named as a magnetostrictive fiber composite (MFC), comprising a set of nickel wires placed closely parallel to each other in one layer and immersed in a polymer matrix, is manufactured and studied. The study aimed to investigate the linear ME effect in a structure comprising of a new magnetic material, MFC, and lead zirconate titanate (PZT-19).

Methods

Methods. The magnetostriction for the MFC structure was measured using the strain-gauge method; the ME effect was determined by low-frequency magnetic field modulation.

Results

Results. Structures with nickel wire diameters of 100, 150, and 200 μm were fabricated. The MFC magnetostriction field dependences were determined along with the frequency-, field-, and amplitude dependences of the ME voltage in the case of linear ME effect. Measurements were carried out at various values of the angle between the direction of the magnetic field and the wires. All samples demonstrated strong anisotropy with respect to the direction of the magnetic field. When the magnetic field orientation changes from parallel to perpendicular with respect to the nickel wire axes, the ME voltage decreases from its maximum value to zero.

Conclusions

Conclusions. The largest ME coefficient 1.71 V/(Oe · cm) was obtained for a structure made of MFC with a wire diameter of 150 μm. With increasing wire diameter, the resonance frequency increases from 3.5 to 6.5 kHz. The magnetostriction of the MFC is comparable in magnitude to that of a nickel plate having the same thickness.

магнитоэлектрический эффектмагнитострикцияволоконные композитыпьезоэффектанизотропияmagnetoelectric effectmagnetostrictionfiber compositespiezoelectric effectanisotropyРабота выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 20-32-90-190The study was supported by the Russian Foundation for Basic Research, grant No. 20-32-90-190ReferencesWang Y., Li J., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: status, challenges and perspectives Mater. Today. 2014;17(269):269–275. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.05.004Wang Y., Li J., Viehland D. Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: status, challenges and perspectives Mater. Today. 2014;17(269):269–275. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.05.004Liang X., Matyushov A., Hayes P., Schell L., Dong C., Chen H., He Y., Will-Cole A., Quandt E., Martins P., McCord J., Medarde M., Lanceros-Mendez S., van Dijken S., Sun N.X., Sort J. Roadmap on magnetoelectric materials and devices. IEEE Trans. Mag. 2021;57(8).400157. https://doi.org/10.1109/TMAG.2021.3086635Liang X., Matyushov A., Hayes P., Schell L., Dong C., Chen H., He Y., Will-Cole A., Quandt E., Martins P., McCord J., Medarde M., Lanceros-Mendez S., van Dijken S., Sun N.X., Sort J. Roadmap on magnetoelectric materials and devices. IEEE Trans. Mag. 2021;57(8).400157. https://doi.org/10.1109/TMAG.2021.3086635He Y., Luo B., Sun N.-X. Integrated magnetics and magnetoelectrics for sensing, power, RF, and microwave electronics. IEEE J. Microw. 2021;4:908–929. https://doi.org/10.1109/JMW.2021.3109277He Y., Luo B., Sun N.-X. Integrated magnetics and magnetoelectrics for sensing, power, RF, and microwave electronics. IEEE J. Microw. 2021;4:908–929. https://doi.org/10.1109/JMW.2021.3109277Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status and future directions. J. Appl. Phys. 2008;103(3):031101. https://doi.org/10.1063/1.2836410Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status and future directions. J. Appl. Phys. 2008;103(3):031101. https://doi.org/10.1063/1.2836410Oh Y.S., Crane S., Zheng H., Chu Y.H., Ramesh R., Kim K.H. Quantitative determination of anisotropic magnetoelectric coupling in BiFeO3–CoFe2O4 nanostructures. Appl. Phys. Lett. 2010;97(5):052902. https://doi.org/10.1063/1.3475420Oh Y.S., Crane S., Zheng H., Chu Y.H., Ramesh R., Kim K.H. Quantitative determination of anisotropic magnetoelectric coupling in BiFeO3–CoFe2O4 nanostructures. Appl. Phys. Lett. 2010;97(5):052902. https://doi.org/10.1063/1.3475420Vargas J.M., Gómez J. In-plane anisotropic effect of magnetoelectric coupled PMN-PT/FePt multiferroic heterostructure: Static and microwave properties. APL Mater. 2014;2(10):106105. https://doi.org/10.1063/1.4900815Vargas J.M., Gómez J. In-plane anisotropic effect of magnetoelectric coupled PMN-PT/FePt multiferroic heterostructure: Static and microwave properties. APL Mater. 2014;2(10):106105. https://doi.org/10.1063/1.4900815Vidal J.V., Timopheev A.A., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Anisotropy of the magnetoelectric effects in tri-layered composites based on single-crystalline piezoelectrics. Vacuum. 2015;122(B):286–292. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.06.022Vidal J.V., Timopheev A.A., Kholkin A.L., Sobolev N.A. Anisotropy of the magnetoelectric effects in tri-layered composites based on single-crystalline piezoelectrics. Vacuum. 2015;122(B):286–292. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.06.022Aubert A., Loyau V., Mazaleyrat F., LoBue M. Enhancement of the magnetoelectric effect in multiferroic CoFe2O4/PZT bilayer by induced uniaxial magnetic anisotropy. IEEE Trans. Magn. 2017;53(11):8109405. https://doi.org/10.1109/TMAG.2017.2696162Aubert A., Loyau V., Mazaleyrat F., LoBue M. Enhancement of the magnetoelectric effect in multiferroic CoFe2O4/PZT bilayer by induced uniaxial magnetic anisotropy. IEEE Trans. Magn. 2017;53(11):8109405. https://doi.org/10.1109/TMAG.2017.2696162Bent A.A., Hagood N.W. Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 1997;8(11):903–919. https://doi.org/10.1177/1045389X9700801101Bent A.A., Hagood N.W. Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 1997;8(11):903–919. https://doi.org/10.1177/1045389X9700801101Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Fetisov L., Fetisov Y., Shamonin M. DC magnetic field sensing based on the nonlinear magnetoelectric effect in magnetic heterostructures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49(37):375002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/37/375002Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Fetisov L., Fetisov Y., Shamonin M. DC magnetic field sensing based on the nonlinear magnetoelectric effect in magnetic heterostructures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49(37):375002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/37/375002Amirov A., Baraban I., Panina L., Rodionova V. Direct magnetoelectric effect in a sandwich structure of PZT and magnetostrictive amorphous microwires. Materials. 2020;13(4):916. https://doi.org/10.3390/ma13040916Amirov A., Baraban I., Panina L., Rodionova V. Direct magnetoelectric effect in a sandwich structure of PZT and magnetostrictive amorphous microwires. Materials. 2020;13(4):916. https://doi.org/10.3390/ma13040916Fetisov Y., Chashin D., Saveliev D., Fetisov L., Shamonin 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., Shamonin 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/ma12193228Newnham R.E., Skinner D.P., Cross L.E. Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites. Mater. Res. Bull. 1978;13(5):525–536. https://doi.org/10.1016/00255408(78)90161-7Newnham R.E., Skinner D.P., Cross L.E. Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites. Mater. Res. Bull. 1978;13(5):525–536. https://doi.org/10.1016/00255408(78)90161-7Chashin D.V., Burdin D.A., Fetisov L.Y., Ekonomov N.A., Fetisov Y.K. Precise measurements of magnetostriction of ferromagnetic plates. J. Siberian Federal Univ. Math. & Phys. 2018;11(1):30–34. https://doi.org/10.17516/19971397-2018-11-1-30-34Chashin D.V., Burdin D.A., Fetisov L.Y., Ekonomov N.A., Fetisov Y.K. Precise measurements of magnetostriction of ferromagnetic plates. J. Siberian Federal Univ. Math. & Phys. 2018;11(1):30–34. https://doi.org/10.17516/19971397-2018-11-1-30-34Feng M., Wang J.-J., Hu J.-M., Wang J., Ma J., Li H.-B., Shem Y., Lin Y.-H., Chen L.-Q., Nan C.-W. Optimizing direct magnetoelectric coupling in Pb(Zr,Ti)O3/Ni multiferroic film heterostructures. Appl. Phys. Lett. 2015;106(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.4913471Feng M., Wang J.-J., Hu J.-M., Wang J., Ma J., Li H.-B., Shem Y., Lin Y.-H., Chen L.-Q., Nan C.-W. Optimizing direct magnetoelectric coupling in Pb(Zr,Ti)O3/Ni multiferroic film heterostructures. Appl. Phys. Lett. 2015;106(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.4913471Greve H., Woltermann E., Quenzer H.J. Wagner B., Quandt E. Giant magnetoelectric coefficients in (Fe90Co10)78Si12B10-AlN thin film composites. Appl. Phys. Lett. 2010;96(18):182501. https://doi.org/10.1063/1.3377908Greve H., Woltermann E., Quenzer H.J. Wagner B., Quandt E. Giant magnetoelectric coefficients in (Fe90Co10)78Si12B10-AlN thin film composites. Appl. Phys. Lett. 2010;96(18):182501. https://doi.org/10.1063/1.3377908Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. New York: D. Van Nostrand Company, Inc.; 1961. 468 p.Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. New York: D. Van Nostrand Company, Inc.; 1961. 468 p.Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Sreenivasulu G., Srinivasan G. Nonlinear resonant magnetoelectric interactions and efficient frequency doubling in a ferromagneticferroelectric layered structure. J. Appl. Phys. 2013;113(11):116101. https://doi.org/10.1063/1.4798579Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Sreenivasulu G., Srinivasan G. Nonlinear resonant magnetoelectric interactions and efficient frequency doubling in a ferromagneticferroelectric layered structure. J. Appl. Phys. 2013;113(11):116101. https://doi.org/10.1063/1.4798579Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of lowfrequency magnetoelectric coupling in magnetostrictivepiezoelectric bilayers. Phys. Rev. B. 2003;68(5):054402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.054402Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of lowfrequency magnetoelectric coupling in magnetostrictivepiezoelectric bilayers. Phys. Rev. B. 2003;68(5):054402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.054402Joseph R.I., Schlömann E. Demagnetizing field in nonellipsoidal bodies. J. Appl. Phys. 1965;36(5):1579–1593. https://doi.org/10.1063/1.1703091Joseph R.I., Schlömann E. Demagnetizing field in nonellipsoidal bodies. J. Appl. Phys. 1965;36(5):1579–1593. https://doi.org/10.1063/1.1703091

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