CC BY
18
УДК 537.9 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).21-24
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ МЕТГЛАС/GaAs/МЕТГЛАС НА ВЕЛИЧИНУ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
В.С.Леонтьев, Е.В.Кузьмин, Р.В.Петров, А.С.Татаренко, В.А.Киселев
RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE THICKNESS OF THE METGLAS/GaAs/METGLAS PIEZOELECTRIC CONDUCTOR STRUCTURE ON THE MAGNETOELECTRIC EFFECT
V.S.Leontiev, E.V.Kuzmin, R.V.Petrov, A.S.Tatarenko, V.A.Kisilev
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, viktorsergeevich. novsu@gmail. com
Представлены результаты исследований магнитоэлектрических композитных структур на основе полупроводниковых материалов GaAs. Экспериментально были исследованы следующие магнитоэлектрические структуры: Метглас/GaAs/Метглас с размерами 20*5 мм и различными толщинами — 0,6 мм; 0,5 мм; 0,4 мм; 0,3 мм; 0,2 мм. Все измерения проводились по отработанным ранее методикам на измерительном стенде. При обсуждении полученных экспериментальных результатов также учитывается политип пластин, направление кристаллографических осей, сопротивление. Приводится сравнение полученных выходных характеристик. При постоянном поле подмагничивания 30 Э величина магнитоэлектрического коэффициента в структуре Метглас/GaAs/Метглас достигала значения аМЕ = 25,2 В/(смЭ), на частоте электромеханического резонанса ^рез = 478 кГц. В заключительной части статьи идет обсуждение перспектив возможного практического применения данных магнитоэлектрических структур.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрическая структура, пьезополупроводниковая структура
Для цитирования: Леонтьев В.С., Кузьмин Е.В., Петров Р.В., Татаренко А.С., Киселев В.А. Исследование влияния толщины пьезополупроводниковой структуры Метглас/GаAs/Метглас на величину магнитоэлектрического эффекта // Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2020. №5(121). С.21-24. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).21-24.
This article presents the results of studies of magnetoelectric composite structures based on GaAs semiconductor materials. The following magnetoelectric structures were experimentally studied: Metglas/GaAs/Metglas with dimensions 20x5 mm and various thicknesses of 0.6 mm; 0.5 mm; 0.4 mm; 0.3 mm; 0.2 mm. All measurements were carried out according to proven methods and measuring stands. The direction of the crystallographic axes, resistance. A comparison of the obtained output characteristics is given. With a constant magnetization field of 30 Oe, the magnitude of the magnetoelectric coefficient in Metglas/GaAs/Metglas reached aME = 25,2 V/(cmOe), with an electromechanical resonance frequency fres = 478 kHz. The final part of the article discusses the possible practical application of these magnetoelectric structures.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetoelectric structure, piezo semiconductor structure
For citation: Leontiev V.S., Kuzmin E.V., Petrov R.V., Tatarenko A.S., Kisilev V.A. Research of the influence of the thickness of the Metglas/GaAs/Metglas piezoelectric conductor structure on the magnetoelectric effect // Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences. 2020. №5(121). P.21-24. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).21-24.
Введение
Двухфазные магнитострикционно-пьезоэлек-трические структуры проявляют магнитоэлектрическую связь (МЭ), которая заключается в индуцировании электрического поля в приложенном магнитном поле. Этот эффект является следствием механического взаимодействия магнитострикционных и пьезоэлектрических фаз [1-3]. МЭ эффект заключается в возникновении в материале электрической поляризации 5E под действием внешнего магнитного поля 5^ МЭ коэффициент по напряжению аЕ = характеризует величину МЭ эффекта. Количественно МЭ эффект характеризуется МЭ коэффициентом по напряжению аЕ, равным отношению индуцированного переменного электрического поля к приложенному магнитному переменному полю в условиях разомкнутой электрической цепи. Величина коэффициента определяется геометрией, магнитными, диэлектриче-
скими и механическими параметрами составляющих ее компонентов и частотой магнитного поля [3-5].
Использование пьезоэлектрических материалов позволяет достичь более высоких значений МЭ коэффициента по напряжению благодаря большому значению пьезоэлектрического коэффициента ^ Однако с практической точки зрения для функциональных электронных устройств композитные материалы и конструкции на основе сегнетоэлектриков имеют недостатки, которые включают в себя значительные потери гистерезиса, пироэлектрические эффекты, температурную зависимость параметров. Монокристаллические пьезоэлектрики могут иметь высокие значения коэффициента электромеханической связи, при этом частота электромеханического резонанса (ЭМР) не зависит от температуры. МЭ коэффициент в слоистых структурах определяется соотношением d/e, где е — диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрической фазы. И как следствие, монокристал-
лические пьезоэлектрики с высоким значением отношения й/е, сравнимые с таковыми для традиционных пьезоэлектрических материалов, в последнее время интенсивно изучаются.
Целью настоящей статьи является исследование и сравнение магнитоэлектрического эффекта в магнитострикционно-пьезополупроводниковых структурах с различной объемной долей GaAs.
Исследуемые структуры
В данной работе исследовались слоистые структуры, состоящие из полупроводниковых пьезоэлектрических материалов GaAs [100] с размерами 25^5 мм различной толщины и обкладок Метгласа, которые одновременно служат электродами. Пластины Метгласа соединялись с полупроводниковыми материалами GaAs посредством клея, толщина клеевого слоя не превышает 1 мкм. С каждой стороны образца приклеены по 3 пластины Метгласа, внешняя пластина на 5 мм длиннее, для пайки выводов. Структура исследуемых МЭ элементов Мет-глас/СаАв/Метглас приведена на рис. 1.
mt2 Ч
mti
Но, Hi
■ ■ ' -
■ ■
____
X X X X X X
Рис.1. Исследуемая структура Метглас/GaAs/Метглас
Стрелками указано направление постоянного и переменного магнитных полей и направление поляризации.
Для исследования зависимости влияния толщины пьезополупроводниковой структуры Мет-глас/GaAs/Метглас на величину магнитоэлектрического эффекта были получены образцы с толщинами пластины GaAs: 600 мкм, 500 мкм, 400 мкм, 300 мкм и 200 мкм. Подробное теоретическое описание МЭ эффекта в структуре на основе GaAs рассмотрено в [6].
Измерительный стенд
Измерения проводились на измерительном стенде, включающем в себя генератор сигналов Hameg БМР2550, постоянный магнит, катушку индуктивности, осциллограф Hameg НМ0722 и магнитометр. Стенд работает следующим образом: на катушку индуктивности подается сигнал генератора, который создает переменное магнитное поле И~, величиной в 1 Э. Далее, постоянным магнитом создается оптимальное постоянное магнитное поле, которое составляет 30 Э (поле смещения). В результате поперечного магнитоэлектрического эффекта создается переменный электрический сигнал, который фиксируется осциллографом.
Источник переменного магнитного поля
Г?нератор — Катушка индуктивности
Источник постоянного магнитного поля
Чуйстйите-льный Осциллограф
элемент
Рис.2. Фотография измерения толщины пьезополупроводни-ковой пластины GaAs
Рис.3. Структурная схема измерительного стенда
Измеренные значения МЭ коэффициента по напряжению показаны на рис.3.
Результаты измерений
Для проведения экспериментальных исследований были подготовлены следующие образцы: Мет-глас (29 MKM)/GaAs (200-600 мкм)/Метглас (29 мкм), GaAs кампании Xiamen Compound Semiconductor Wafers Co., Ltd., Метглас (AMAG 492, ПАО «МСТАТОР», Россия). Измерения проводились по ранее отработанной методике измерения МЭ эффекта
[7].
Измерения проводились на измерительном стенде (рис.2). Экспериментальные образцы помещались в катушку индуктивности, далее подавалось поле смещения при помощи постоянного магнита, в результате воздействия постоянного и переменного магнитных полей на композитную структуру наблюдался прямой МЭ эффект. Затем, отклик выходного сигнала фиксировался осциллографом. Исследуемые образцы были свободно расположены внутри измерительного стенда.
Рис.4. График зависимости выходного напряжения от частоты в исследуемых структурах
Из представленного выше графика (рис.4) видно, что с увеличением объемной доли пьезоэлектрической фазы величина МЭ эффекта увеличивается. Для структуры с толщиной пластины GaAs 0,2 мм МЭ коэффициент составляет аМЕ = 25,2 В/(смО), на частоте электромеханического резонанса ^ = 478 кГц.
Вывод
В результате было проведено экспериментальное исследование магнитострикционно-пьезо-полупроводниковых Метглас/GaAs/Метглас с различной толщиной пластины арсенида галлия, получены выходные зависимости. Показано, что с ростом объемной доли в исследуемых структурах увеличивается МЭ коэффициент по напряжению. В структуре с толщиной пластины GaAs 0,6 мм величина МЭ коэффициента составила аМЕ = 8,4 В/(см^Э), в структуре с толщиной пластины GaAs 0,2 мм аМЕ = 25,2 В/(смО). В дальнейшем планируется провести дополнительные исследования для определения оптимальной объемной доли в структуре Метглас / GaAs / Мет-глас и использовать полученные результаты для разработки магнитодиодов, магниторезисторов и др.
Основная область применения полупроводниковых материалов — микроэлектроника. МЭ структуры на основе полупроводниковых материалов можно использовать для создания пассивных элементов, высокочувствительных датчиков, например, магнитного поля, также данные материалы могут найти широкое применение в СВЧ диапазоне.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №20-0700168.
1. Bichurin M.I., Petrov V.M., and Srinivasan G. Modeling of magnetoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites // Ferroelectrics. 2002. Vol.280. P.165-175.
2. Bichurin M.I., Petrov V.M., and Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites // Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 92. №12. P.7681-7683.
3. Magnetoelectricity in Composites / Eds. M.I.Bichurin and D.Viehland. Singapore: Pan Standford Publ., 2011. 286 p.
4. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и Метгласа // Современные проблемы науки и образования. 2012. №1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.science-education.ru/101-5367 (дата обращения: 5.02.2015).
5 . Петров В.М., Бичурин М.И. Магнитоэлектрический эффект в симметричных и асимметричных магнитост-рикционно-пьезоэлектрических слоистых структурах // Современные проблемы науки и образования. 2013. №4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.science-education.ru/110-9602 (дата обращения: 5.02.2015).
6. Bichurin M.I., Petrov V.M., Leontiev V.S. et al. Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V.424. P.115-117. doi:10.1016/j.jmmm.2016.10.054.
7. Petrov V.M., Bichurin M.I., Lavrentyeva K.V., Leontiev V.S. Enhanced magnetoelectric coupling in layered structure of piezoelectric bimorph and metallic alloy // Journal of Electronic Materials. 2016. V.45. Issue 8. P.4197-4201. DOI: 10.1007/s11664-016-4628-9.
References
1. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Modeling of mag-netoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites. Ferroelectrics, vol. 280, pp. 165-175, 2002.
2. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites. Journal of Applied Physics, vol. 92, no. 12, pp. 7681-7683, 2002.
3. Magnetoelectricity in Composites / ed. by M. Bichurin and D. Viehland. Pan Stanford Publishing, Singapore 2011, 286 p.
4. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issledovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'ezokeramiki TsTS i Metglasa [The Study of Magnetoelectric Sensors Based on Piezoceramic PZT and Metglas]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367 (accessed: 5.02.2020).
5. Petrov V.M., Bichurin M.I. Magnitoelektricheskiy effekt v simmetrichnykh i asimmetrichnykh magni-tostriktsionno-p'ezoelektricheskikh sloistykh strukturakh [Magnetoelectric effect in symmetric and asymmetric magnetostrictive-piezoelectric layered structures]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, 2013, no. 4. Available at: www.science-education.ru/110-9602 (accessed: 5.02.2020).
6. Petrov V.M., Bichurin M.I., Lavrentyeva K.V. et al. Enhanced Magnetoelectric Coupling in Layered Structure of Piezoelectric Bimorph and Metallic Alloy. Journal of Electronic Materials, 2016, vol. 45, is. 8, pp. 4197-4201. doi: 10.1007/s11664-016-4628-9.
7. Bichurin M.I., Petrov V.M., Leontiev V.S. et al. Magneto-electric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, vol. 424, pp. 115-117. doi:10.1016/j.jmmm.2016.10.054.
