mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2023-11-5-63-70mireabulletin-764Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSНелинейный магнитоэлектрический эффект в кольцевой композитной гетероструктуреNonlinear magnetoelectric effect in a ring composite heterostructurehttps://orcid.org/0000-0002-2995-8824МусатовВ. И.MusatovV. I.

Мусатов Владимир Иванович, аспирант, кафедра наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования

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

Scopus Author ID 57416814900

Vladimir I. Musatov, Postgraduate Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologiesand Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 57416814900

musatov.v.i@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2188-0011ФедуловФ. А.FedulovF. A.

Федулов Федор Александрович, к.т.н., научный сотрудник, Научно-образовательный центр «Магнитоэлектрические материалы и устройства»

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

Scopus Author ID 57194284263

 

Fedor A. Fedulov, Cand. Sci. (Eng.), Researcher, Scientific and Educational Center “Magnetoelectric materials and devices”

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 57194284263

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

Савельев Дмитрий Владимирович, инженер-исследователь, Научно-образовательный центр «Магнитоэлектрические материалы и устройства»

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

Scopus Author ID 57196479660

Dmitrii V. Savelev, Research Engineer, Scientific and Educational Center “Magnetoelectric materials and devices” 

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 57196479660

ResearcherID D-8952-2019

 

dimsav94@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1004-2821БолотинаЕ. В.BolotinaE. V.

Болотина Екатерина Витальевна, студент, кафедра наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования

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

Ekaterina V. Bolotina, Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

 

ekaterina.bolotina1@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3699-4321ФетисовЛ. Ю.FetisovL. Y.

Фетисов Леонид Юрьевич, д.ф.-м.н., доцент, профессор 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., 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.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2023061020231156370Copyright © Мусатов В.И., Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Болотина Е.В., Фетисов Л.Ю., 20232023Мусатов В.И., Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Болотина Е.В., Фетисов Л.Ю.Musatov V.I., Fedulov F.A., Savelev D.V., Bolotina E.V., Fetisov L.Y.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/764Цели

Цели. Актуальность исследования магнитоэлектрических (МЭ) характеристик кольцевых гетероструктур «ферромагнетик-пьезоэлектрик» обусловлена созданием на их основе МЭ-устройств с улучшенными характеристиками. Целью настоящей работы является детальное исследование нелинейного МЭ-эффекта в кольцевой композитной гетероструктуре на основе пьезокерамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) и аморфного ферромагнитного (ФМ) сплава Metglas® при ее циркулярном намагничивании.

Методы

Методы. МЭ-эффект исследован методом низкочастотной модуляции магнитного поля. Возбуждающее переменное и постоянное магнитные поля смещения были созданы при помощи тороидальной катушки, намотанной на гетероструктуру, для циркулярного намагничивания ферромагнитного слоя.

Результаты

Результаты. Обнаружен нелинейный МЭ-эффект, заключающийся в генерации высших гармоник МЭ-напряжения при возбуждении структуры циркулярными магнитными полями в нерезонансном режиме. Исследованы полевые и амплитудные зависимости первых трех гармоник МЭ-напряжения. Получены МЭ-коэффициенты для линейного МЭ-эффекта α(1) = 5.2 мВ/(Э·см) и для нелинейного МЭ-эффекта α(2) = 6 мВ/(Э2·см) и α(3) = 0.15 мВ/(Э3·см) при частоте переменного магнитного поля f = 1 кГц. Максимумы амплитуд 1-й и 3-й гармоник наблюдались при постоянном магнитном поле H ~ 7 Э, что почти в два раза меньше, чем в планарных гетероструктурах ЦТС–Metglas®.

Выводы

Выводы. Обнаружен и исследован нелинейный МЭ-эффект в кольцевой структуре на основе пьезокерамики ЦТС и аморфного ФМ-сплава Metglas®. Вследствие отсутствия размагничивания при циркулярном намагничивании замкнутого ФМ-слоя нелинейные МЭ-эффекты проявляются при значительно меньших амплитудах возбуждающего переменного и управляющего постоянного магнитных полей по сравнению с планарными гетероструктурами. Исследуемые кольцевые структуры могут быть использованы для создания на их основе умножителей частоты.

Objectives

Objectives. The relevance of the study of magnetoelectric (ME) effect in ring ferromagnetic–piezoelectric heterostructures is due to the possibility of creating various ME devices having improved characteristics. A detailed investigation of the nonlinear ME effect in a ring composite heterostructure based on lead zirconate titanate (PZT) piezoceramics and Metglas® amorphous ferromagnetic (FM) alloy under circular magnetization is presented.

Methods

Methods. The ME effect was measured by the low-frequency magnetic field modulation method. Excitation alternating- and constant magnetic bias fields were created using toroidal coils wound on a ring heterostructure for circular magnetization of the FM layer.

Results

Results. When excited with circular magnetic fields in a non-resonant mode, the ME ring heterostructure generates a nonlinear ME voltage of higher harmonics. The field and amplitude dependencies of the first three ME voltage harmonics were investigated. ME coefficients were obtained for the linear ME effect α(1) = 5.2 mV/(Oe·cm), the nonlinear ME effect α(2) = 6 mV/(Oe2·cm), and α(3) = 0.15 mV/(Oe3·cm) at an excitation magnetic field frequency f = 1 kHz. The maximum amplitudes of the 1st and 3rd harmonics were observed at a constant bias magnetic field H ~ 7 Oe, which is almost two times smaller than in planar PZT–Metglas® heterostructures.

Conclusions

Conclusions. A nonlinear ME effect was observed and investigated in a ring heterostructure based on PZT piezoceramics and Metglas® amorphous FM alloy. Due to the absence of demagnetization during circular magnetization of the closed FM layer, nonlinear ME effects are detected at significantly lower amplitudes of the exciting alternating and constant bias magnetic fields as compared to planar heterostructures. The investigated ring heterostructures are of potential use in the creation of frequency multipliers.

нелинейный магнитоэлектрический эффекткомпозитная гетероструктурамагнитострикцияферромагнетикпьезоэлектрический эффектnonlinear magnetoelectric effectcomposite heterostructuremagnetostrictionferromagnetpiezoelectric effectРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 19-79-10128-П. Изготовление образцов выполнено при финансовой поддержке гранта «Для молодых ученых 2022–2023 РТУ МИРЭА» (НИЧ-57). Измерения Фурье-спектров выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования РТУ МИРЭА (ЦКП РТУ МИРЭА).This work was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 19-79-10128-P. The samples were made with the financial support of grant “For young scientists 2022–2023 RTU MIREA” (NICh-57). Measurements of Fourier spectra were performed using equipment of the RTU MIREA Center for Collective Use.ReferencesKopyl S., Surmenev R., Surmeneva M., Fetisov Y., Kholkin A. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine – a review. Materials 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. Materials Today Bio. 2021;12:100149. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100149Azam T., Bukhari S.H., Liaqat U., Miran W. Emerging Methods in Biosensing of Immunoglobin G – A Review. Sensors. 2023;23(2):676. https://doi.org/10.3390/s23020676Azam T., Bukhari S.H., Liaqat U., Miran W. Emerging Methods in Biosensing of Immunoglobin G – A Review. Sensors. 2023;23(2):676. https://doi.org/10.3390/s23020676Herrera D.L., Kruk R., Leistner K., Sort J. Magnetoelectric materials, phenomena, and devices. APL Materials. 2021;9(5):050401. https://doi.org/10.1063/5.0053631Herrera D.L., Kruk R., Leistner K., Sort J. Magnetoelectric materials, phenomena, and devices. APL Materials. 2021;9(5):050401. https://doi.org/10.1063/5.0053631Fetisov Y.K., Chashin D.V. Magnetoelectric coil-free voltage transformer based on monolithic ferrite-piezoelectric heterostructure. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;344:113737. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113737Fetisov Y.K., Chashin D.V. Magnetoelectric coil-free voltage transformer based on monolithic ferrite-piezoelectric heterostructure. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;344:113737. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113737Tu C., Chu Z.Q., Spetzler B., Hayes P., et al. Mechanical-resonance-enhanced 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., Hayes P., et al. Mechanical-resonance-enhanced thin-film magnetoelectric heterostructures for magnetometers, mechanical antennas, tunable RF inductors, and filters. Materials. 2019;12(14):2259. https://doi.org/10.3390/ma12142259Xu L., Yan Y., Qiao L., Wang J., Pan D., Yang S., Volinsky A.A. Layer thickness and sequence effects on resonant magnetoelectric coupling in Ni/Pb(Zr,Ti)O3 cylindrical composites. Materials Lett. 2016;185:13–16. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.08.042Xu L., Yan Y., Qiao L., Wang J., Pan D., Yang S., Volinsky A.A. Layer thickness and sequence effects on resonant magnetoelectric coupling in Ni/Pb(Zr,Ti)O3 cylindrical composites. Materials Lett. 2016;185:13–16. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.08.042Yakubov V., Xu L., Volinsky A.A., Qiao L., Pan D. Edge geometry effects on resonance response of electroplated cylindrical Ni/PZT/Ni magnetoelectric composites. AIP Advances. 2017;7(8):085305. https://doi.org/10.1063/1.4998947Yakubov V., Xu L., Volinsky A.A., Qiao L., Pan D. Edge geometry effects on resonance response of electroplated cylindrical Ni/PZT/Ni magnetoelectric composites. AIP Advances. 2017;7(8):085305. https://doi.org/10.1063/1.4998947Giang D.T.H., Tam H.A., Khanh V.T.N., Vinh N.T., Tuan P.A., Van Tuan N.V., et al. Magnetoelectric vortex magnetic field sensors based on the metglas/PZT laminates. Sensors. 2020;20(10):2810. https://doi.org/10.3390/s20102810Giang D.T.H., Tam H.A., Khanh V.T.N., Vinh N.T., Tuan P.A., Van Tuan N.V., et al. Magnetoelectric vortex magnetic field sensors based on the metglas/PZT laminates. Sensors. 2020;20(10):2810. https://doi.org/10.3390/s20102810Zhang S., Leung C.M., Kuang W., Or S.W., Ho S.L. Concurrent operational modes and enhanced current sensitivity in heterostructure of magnetoelectric ring and piezoelectric transformer. J. Appl. Phys. 2013;113(17):17C733. https://doi.org/10.1063/1.4801390Zhang S., Leung C.M., Kuang W., Or S.W., Ho S.L. Concurrent operational modes and enhanced current sensitivity in heterostructure of magnetoelectric ring and piezoelectric transformer. J. Appl. Phys. 2013;113(17):17C733. https://doi.org/10.1063/1.4801390Fetisov L.Y., Saveliev D.V., Chashin D.V., Gladyshev I.V., Fetisov Y.K. Circular Magnetoelectric Heterostructure Based Inductor Tuned with Magnetic and Electric Fields. J. Commun. Technol. Electron. 2021;66(12):1402–1412. https://doi.org/10.1134/S1064226922020036Fetisov L.Y., Saveliev D.V., Chashin D.V., Gladyshev I.V., Fetisov Y.K. Circular Magnetoelectric Heterostructure Based Inductor Tuned with Magnetic and Electric Fields. J. Commun. Technol. Electron. 2021;66(12):1402–1412. https://doi.org/10.1134/S1064226922020036Ge B., Zhang J., Zhang Q., Filippov D.A., Wu J., Tao J., et al. Ultra-low anisotropy magnetoelectric sensor in Ferrite/piezoelectric toroidal composites. J. Magn. Magn. Mater. 2022;564(Part 2):170115. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.170115Ge B., Zhang J., Zhang Q., Filippov D.A., Wu J., Tao J., et al. Ultra-low anisotropy magnetoelectric sensor in Ferrite/piezoelectric toroidal composites. J. Magn. Magn. Mater. 2022;564(Part 2):170115. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.170115Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., FetisovY.K., Stashkevich A.A. High-sensitivity dc field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect. J. Magn. Magn. Mater. 2016;405(52):244–248. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.12.079Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., FetisovY.K., Stashkevich A.A. High-sensitivity dc field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect. J. Magn. Magn. Mater. 2016;405(52):244–248. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.12.079Wu G., Zhang R. Giant circumferential magnetoelectric effect in Pb (Zr, Ti)O3/Mn-Zn-ferrite cylindrical composite. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;330(14):112845. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112845Wu G., Zhang R. Giant circumferential magnetoelectric effect in Pb (Zr, Ti)O3/Mn-Zn-ferrite cylindrical composite. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;330(14):112845. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112845Fetisov L.Y., Baraban I.A., Fetisov Y.K., Burdin D.A., Vopson M.M. Nonlinear magnetoelectric effects in flexible composite ferromagnetic–Piezopolymer structures. J. Magn. Magn. Mater. 2017;441:628–634. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.06.013Fetisov L.Y., Baraban I.A., Fetisov Y.K., Burdin D.A., Vopson M.M. Nonlinear magnetoelectric effects in flexible composite ferromagnetic–Piezopolymer structures. J. Magn. Magn. Mater. 2017;441:628–634. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.06.013Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Gordeev S., Fetisov Y. Nonlinear magnetoelectric effect in a layered ferromagnetic-piezoelectric heterostructure excited by transverse magnetic field. Appl. Phys. Lett. 2020;116(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.5136088Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Gordeev S., Fetisov Y. Nonlinear magnetoelectric effect in a layered ferromagnetic-piezoelectric heterostructure excited by transverse magnetic field. Appl. Phys. Lett. 2020;116(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.5136088Burdin 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/10.1088/0022-3727/49/37/375002Fetisov L.Y., Burdin D.A., Ekonomov N.A., Chashin D.V., Zhang J., Srinivasan G., et al. Nonlinear magnetoelectric effects at high magnetic field amplitudes in composite multiferroics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018;51(15):154003. http://doi.org/10.1088/1361-6463/aab384Fetisov L.Y., Burdin D.A., Ekonomov N.A., Chashin D.V., Zhang J., Srinivasan G., et al. Nonlinear magnetoelectric effects at high magnetic field amplitudes in composite multiferroics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018;51(15):154003. http://doi.org/10.1088/1361-6463/aab384Joseph 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/10.1063/1.1703091Fang F., Zhao C.P., Yang W. Thickness effects on magnetoelectric coupling for Metglas/PZT/Metglas laminates. Science China: Physics, Mechanics and Astronomy. 2011;54(4):581–585. https://doi.org/10.1007/s11433-011-4268-2Fang F., Zhao C.P., Yang W. Thickness effects on magnetoelectric coupling for Metglas/PZT/Metglas laminates. Science China: Physics, Mechanics and Astronomy. 2011;54(4):581–585. https://doi.org/10.1007/s11433-011-4268-2Li M., Wang Y., Hasanyan D., Li J., Viehland D. Giant Converse magnetoelectric effect in multi-push-pull mode Metglas/Pb(Zr,Ti)O3/metglas laminates. Appl. Phys. Lett. 2012;100(13):132904. https://doi.org/10.1063/1.3698114Li M., Wang Y., Hasanyan D., Li J., Viehland D. Giant Converse magnetoelectric effect in multi-push-pull mode Metglas/Pb(Zr,Ti)O3/metglas laminates. Appl. Phys. Lett. 2012;100(13):132904. https://doi.org/10.1063/1.3698114

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