Исследование композитных мультиферроиков на основе сегнетоэлектрических монокристаллов с целью создания высокочувствительных магнитных сенсоров, в том числе для медицинских приборов

Проект посвящен исследованию магнитоэлектрических свойств композитных мультиферроиков на основе монокристаллических сегнетоэлектриков с искусственно заданной доменной структурой с нанесенными магнитострикционными слоями, разработке методов изготовления датчиков сверхслабых магнитных полей (уровня долей пТл) на основе этих материалов, теоретическому обоснованию и экспериментальному изучению факторов, влияющих на чувствительность таких датчиков к магнитному полю, а также разработке решений, направленных на максимизацию соотношения “полезный сигнал-шум”, и предложений по конструктивным особенностям и технологическим аспектам изготовления высокочувствительных магнитосенсорных систем для применения в устройствах магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. Среди возможных применений композитных мультиферроиков одним из наиболее перспективных и близких к практической реализации является создание на основе таких материалов высокочувствительных сенсоров сверхслабых магнитных полей. Существует ряд приложений, в которых использование сенсоров магнитного поля на основе композитных мультиферроиков, не требующих охлаждения до криогенных температур (в отличие от сенсоров магнитного поля основе сверхпроводящих квантовых интерферометров СКВИДов), является оправданным. К таким областям применения можно отнести высокочувствительные миниатюрные магнетометры промышленного и исследовательского классов для бесконтактного измерения сверхслабых токов в маломощных устройствах и электронных схемах, а также в живых организмах. На сегодняшний день наилучшие из достигнутых пределов детектирования магнитных полей с помощью датчиков на основе композитных мультиферроиков позволяют надежно детектировать магнитные поля, индуцируемые токами α-ритма головного мозга с амплитудами в единицы пТл (магнитоэнцефалография). С другой стороны, для исследования активности коры головного мозга необходимо уметь с высокой степенью достоверности измерять магнитные поля, на 1 - 2 порядка меньшие. В настоящий момент такой уровень чувствительности датчика на основе композитного мультиферроика не реализован ни одним из исследовательских коллективов мира.Ранее коллективом заявителей был предложен ряд методик, позволяющих получать доменные структуры типа “голова-к-голове” и “хвост-к-хвосту” в монокристаллических пластинах 180°-ных сегнетоэлектриков ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3) большой площади. Механоэлектрический отклик от таких бидоменных кристаллов значительно выше, чем от кристаллов монодоменных за счет деформации по биморфному принципу. Нанося на бидоменные кристаллы магнитострикционный слой, можно достичь значительного снижения рабочих частот сенсора магнитного поля, увеличить его чувствительность и снизить механические потери в материале. В связи с новизной указанных работ, предложенный нами материал является уникальным и по имеющимся на настоящий момент данным не имеет мировых аналогов. Предлагаемый проект направлен на дальнейшее фундаментальное развитие этого направления и закрепление лидерства в описываемой области. При этом улучшение характеристик сенсора сверхслабых магнитных полей будет проводиться одновременно по нескольким направлениям, включая инженерию сегнетоэлектрических доменов пьезоэлектрического материала, вариации геометрии, кристаллографического среза, выбор наиболее эффективного магнитострикционного материала, что создаст условия для теоретического описания всех перечисленных факторов и позволит многократно снизить эквивалентный магнитный шум и повысить чувствительность.