Нелинейные магнитоэлектрические эффекты в композитных мультиферроидных структурах ферромагнетик - пьезоэлектрик

Цель: поиск и исследование нелинейных МЭ-эффектов в композитных мультиферроидных структурах на основе различных ферромагнитных и сегнетоэлектрических материалов и демонстрация возможностей их применения в микро-, наноэлектронике и микросистемной технике. Показано, что для повышения эффективности МЭ-преобразования в композитных структурах следует использовать материалы с высокой магнитострикцией насыщения и малыми полями насыщения, например аморфные сплавы. Для повышения эффективности МЭ-преобразования в композитных структурах следует использовать пьезоматериалы с большим отношением пьезомодуля к диэлектрической проницаемости d/ε и высокой акустической добротностью. Показано, что нелинейность прямого МЭ-эффекта в композитных структурах возникает из-за нелинейной зависимости магнитострикции ФМ-слоя от магнитного поля. Нелинейность приводит к статической деформации ФМ-слоя в переменном поле, генерации гармоник напряжения и напряжения с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от полевых зависимостей магнитострикции по полю и соответствующей степени амплитуды возбуждающего поля. Продемонстрировано, что нелинейность обратного МЭ-эффекта в структурах ферромагнетик - пьезоэлектрик возникает из-за нелинейной зависимости намагниченности (индукции) ферромагнитного слоя структуры от деформации. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и намагниченности с комбинационными частотами. Амплитуды гармоник пропорциональны производным от индукции по деформации и степенным образом зависят от амплитуды возбуждающего электрического поля. Показано, что нелинейность обратного МЭ-эффекта возникает из-за нелинейной зависимости пьезодеформации ПЭ-слоя структуры от постоянного электрического поля. Нелинейность приводит к генерации гармоник намагниченности и намагниченности с комбинационными частотами при возбуждении переменными электрическими полями. Разработана теория нелинейных магнитоэлектрических эффектов в структурах ферромагнетик - пьезоэлектрик и ферромагнетик - электростриктор, описывающая нелинейные процессы генерации гармоник напряжения и намагниченности и намагниченности и напряжения с комбинационными частотами при возбуждении переменными электрическими и магнитными полями при амплитудах возбуждающих полей, много меньших магнитных и электрических полей насыщения слоев структуры. Предложен метод расчёта характеристик нелинейных МЭ-эффектов в композитных структурах при больших амплитудах возбуждающего магнитного или электрического полей. Продемонстрировано, что увеличение амплитуды возбуждающего магнитного поля до уровня, сравнимого с полем насыщения ФМ слоя, приводит к подавлению гистерезиса в зависимости амплитуд гармоник МЭ-напряжения от постоянного магнитного поля смещения. Эффект позволяет на ~2 порядка повысить точность измерении магнитных полей с помощью МЭ-датчиков. При увеличении амплитуды возбуждающего электрического поля в композитном МЭ-резонаторе имеет место бистабильность, возникающая из-за нелинейного сдвига частоты акустического резонанса структуры. Исследованы особенности нелинейных МЭ-эффектов в композитных структурах при их возбуждении импульсами магнитного поля миллисекундной длительности с амплитудой до десятков килоэрстед. Показано, что постоянное электрическое поле, приложенное к ПЭ слою композитной структуры, влияет на величину прямого МЭ-эффекта, резонансную частоту и добротность МЭ-резонатора. Экспериментально продемонстрировано и объяснено влияние проводимости слоев на частотную зависимость эффективности МЭ-преобразования в композитных структурах. Созданы макеты новых устройств на основе нелинейных МЭ-эффектов в композитных структурах, таких как широкополосный датчик переменных магнитных полей, высокочувствительный датчик постоянных магнитных полей (аналог flux-gate магнетометра), пороговый датчик постоянных магнитных полей, принципы действия которых защищены патентами. Получены углублённые знания о возникновении нелинейных магнитоэлектрических эффектов в слоистых композитных структурах, определены пути повышения магнитоэлектрического эффекта за счёт оптимального подбора свойств магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов и характеристик возбуждающих и постоянных магнитных полей. Исследованные эффекты в перспективе могут быть использованы для создания новых типов устройств микро- и наноэлектроники.