Магнитоэлектрический эффект в двухслойных полосковых и периодических гетероструктурах никель – цирконат-титанат свинца

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. 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. 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 H_m возрастает в ~2.5 раза, а максимальная амплитуда напряжения u_max(H_m) падает в 4 раза.

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.

1. Bichurin 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/s21186232

2. Gutierrez 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/s17061251

3. Tu 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/ma12142259

4. Suchtelen van J. Product properties: a new application of composite materials. Philips Res. Rep. 1972;27:28–37.

5. 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.68.132408

6. Kopyl 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.2021.100149

7. Li 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/S1793604718500984

8. Vopsaroiu 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.2008.2001649

9. Burdin 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.2020.167530

10. Fetisov 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/ma12193228

11. Chashin 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.2008.07.015

12. Lasheras 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/10.1063/1.4953156

13. Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering. NY: D. Van Nostrand Company Inc.; 1955. 468 p.

14. 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/srep01985

15. Bichurin 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.68.054402

16. Osborn J.A. Demagnetizing factors of the general ellipsoid. Phys. Rev. 1945;67(11–12):351–357. https://doi.org/10.1103/PhysRev.67.351

17. Chen 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.2002.1017766

18. Malkinski 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-G08-03

19. Encinas-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.63.104415

20. Tartakovskaya 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.200723610

21. Zhai 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/10.1063/1.2789391

22. Duc 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