CC BY
11
РАДИОФИЗИКА
УДК 621.372:615.849.112 ГРНТИ 29.19.37
DOI: 10.34680/2076-8052.2023.1(130). 178-185 Специальность ВАК 1.3.4
Научная статья
МИКРОВОЛНОВЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ЖИГ-ГГГ-ЦТС И ЖИГ-ГГГ-PMN-PT
Лобекин В. Н., Кафаров Р. Г., Бичурин М. И., Соколов О. В., Иванов С. В.
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия)
Аннотация В данной работе исследован микроволновый магнитоэлектрический эффект в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах ЖИГ-ГГГ-ЦТС и ЖИГ-ГГГ-PMN-PT в СВЧ диапазоне. Активное развитие современной СВЧ-техники приводит к исследованию новых материалов, обладающих различными физическими свойствами, а также созданию новых слоистых структур из этих материалов, которые можно комбинировать: магнитные и сегнетоэлектрические, магнитные и полупроводниковые и т.д.. В результате проведенного экспериментального исследования получены зависимости микроволнового магнитоэлектрического эффекта, проявляющегося в сдвиге линии ферромагнитного резонанса, в феррит-пьезоэлектрических структурах ЖИГ-ГГГ-ЦТС и ЖИГ-ГГГ-PMN-PT. На основе полученных данных экспериментального исследования можно сделать вывод, что эффект сдвига линии ферромагнитного резонанса можно использовать для разработки нового поколения управляемых устройств СВЧ твердотельной электроники, таких как вентили, аттенюаторы, циркуляторы, фазовращатели, фильтры и др.
Ключевые слова: микроволновый магнитоэлектрический эффект, сдвиг резонансной линии, ферромагнитный резонанс, железо-иттриевый гранат
Для цитирования: Лобекин В. Н., Кафаров Р. Г., Бичурин М. И., Соколов О. В., Иванов С. В. Микроволновый магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах ЖИГ-ГГГ-ЦТС и ЖИГ-ГГГ-PMN-PT // Вестник НовГУ. 2023. 1(130). 178-185. DOI: 10.34680/2076-8052.2023.1(130). 178-185
Research Article
MICROWAVE MAGNETOELECTRIC EFFECT IN FERRITE-PIEZOELECTRIC STRUCTURES YIG-GGG-PZT AND YIG-GGG-PMN-PT
Lobekin V. N., Kafarov R. G., Bichurin M. I., Sokolov O. V., Ivanov S. V. Yaroslav-the-Wise Novgorod State University (Veliky Novgorod, Russia)
Abstract In this work, the microwave magnetoelectric effect in the layered ferrite-piezoelectric structures YIG-GGG-PZT and YIG-GGG-PMN-PT in the microwave range is studied. The active development of modern microwave technology leads to the study of new materials with different physical properties, as well as to the creation of new layered structures from these materials, which can be combined: magnetic and ferroelectric, magnetic and semiconductor, etc. As a result of the experimental study, the dependences of the microwave magnetoelectric effect, which manifests itself in the ferromagnetic resonance line shift, in the YIG-GGG-PZT and YIG-GGG-PMN-PT ferrite-piezoelectric structures were obtained. Based on the data obtained from the experimental study, it can be concluded that the effect of ferromagnetic resonance line shift can be used to develop a new generation of controllable microwave solid-state electronics devices, such as isolators, attenuators, circulators, phase shifters, filters, etc.
Keywords: microwave magnetoelectric effect, resonance line shift, ferromagnetic resonance, yttrium iron garnet
For citation: Lobekin V. N., Kafarov R. G., Bichurin M. I., Sokolov O. V., Ivanov S. V. Microwave magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric structures YIG-GGG-PZT and YIG-GGG-PMN-PT // Vestnik NovSU. 2023. 1(130). 178-185. DOI: 10.34680/2076-8052.2023.1(130).178-185.
178
Введение
Магнитоэлектрический (МЭ) микроволновый эффект в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне в слоистых структурах на основе ферро- и ферримагнетиков, реализуется приложением электрического поля к пьезоэлектрической фазе, вследствие чего происходит обусловленный магнитоупругим эффектом, сдвиг или уширение линии ферромагнитного резонанса (ФМР). Исследованию МЭ эффекта в слоистых структурах посвящено большое количество работ. Теория описывает процессы, происходящие в структурах [1-3], эксперименты представлены в работах [4-6]. Другая часть работ посвящена практическому применению [7-10].
Ранее было проведено исследование зависимости сдвига линии ФМР от параметров пьезоэлектриков в слоистых структурах на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) от величины внешнего электрического поля и параметров различных пьезоэлектриков (цирконат-титанат свинца (ЦТС), Лангасит). Полученные результаты доказали, что при приложении внешнего электрического поля к пьзоэлектрической фазе, в магнитострикционной фазе наблюдается сдвиг линии ФМР, а выбор материала влияет на величину сдвига, что позволяет использовать оптимальный материал для пьезоэлектрической фазы с целью разработки управляемых СВЧ-устройств, принцип работы которых будет основан на перестройке резонансных характеристик с помощью электрического поля.
В данной работе было проведено исследование микроволнового МЭ эффекта в структуре ЖИГ-ГГГ-РМЫ-РТ и ЖИГ-ГГГ-ЦТС, а также проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных.
Слоистые феррит-пьезоэлектрические структуры ЖИГ-ГГГ-ЦТС и ЖИГ-ГГГ-РМЫ-РТ
Исследуемые слоистые структуры состояли из магнитострикционной фазы (феррит ЖИГ на подложке ГГГ) и пьезоэлектрической фазы - пьезокерамика ЦТС-19 и монокристаллический пьезоэлектрик РМЫ-РТ представлены на рисунке 1.
а б
Рисунок 1. Слоистые феррит-пьезоэлектрические структуры: а - структура ЖИГ-ГГГ-РМЫ-РТ; б - структура ЖИГ-ГГГ-ЦТС.
Слоистая феррит-пьезоэлектрическая структура №1, ЖИГ-ГГГ-РМЫ-РТ (рисунок 1 а) имеет следующие размеры: магнитострикционная фаза - плёнка ЖИГ в форме диска, диаметр, й=2,845 мм, толщина, в=0,005 мм, нанесённая с помощью эпи-таксии на подложку ГГГ в форме диска, диаметр, й=2,845 мм, толщина, в=0,357 мм,
при чём с одной стороны подложки ГГГ один слой плёнки ЖИГ снят с помощью шлифовки и полировки, формируя общую толщину магнитострикционной фазы, s=0,362 мм; пьезоэлектрическая фаза - монокристаллическая пластина PMN-PT, размеры 10x3x0,5 мм. Диск ЖИГ-ГГГ расположен по центру пластины PMN-PT. Слои соединены между собой с помощью токопроводящего клея «Контактол-А Keller» на серебре. На рисунке 2 представлена структура ЖИГ-ГГГ в микроскопе, стороной ГГГ вверх.
Слоистая феррит-пьезоэлектрическая структура № 2, ЖИГ-ГГГ-ЦТС (рисунок 1 б) имеет следующие размеры: магнитострикционная фаза - тот же диск ЖИГ, что и в структуре № 1; пьезоэлектрическая фаза - пьезокерамическая пластина ЦТС-19, размеры 5x5x0,5 мм. Диск ЖИГ-ГГГ расположен по центру пластины ЦТС-19. Слои соединены между собой с помощью токопроводящего клея «Контактол-А Keller».
К магнитострикционной фазе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур прикладывалось постоянное магнитное поле Но, направленное перпендикулярно плоскости образца (рисунок 3). Благодаря этому в магнитострикционной фазе наблюдался ФМР на резонансной частоте. За счёт приложения постоянного электрического поля к пьезоэлектрической фазе слоистой структуры, в ней образуется деформация, которая передаётся на магнитострикционную фазу, формируя сдвиг линии ФМР за счёт магнитоупругого эффекта.
Г
Рисунок 2. Структура ЖИГ-ГГГ в микроскопе"Микромед 3 вар. 3-20;
Рисунок 3. 3-й модель слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры ЖИГ-ГГГ-РМЫ-РТ/ЦТС с направлением приложенного постоянного магнитного поля Но
Исследование микроволнового МЭ эффекта в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах ЖИГ-ГГГ-РМ]]-РТ и ЖИГ-ГГГ-ЦТС
Исследование проводилось на измерительном стенде, представленном на рисунке 4, состоящем из спектрометра «Magnettech MiniScope MS-5000X» (Германия) и ПК, с установленным программным обеспечением для работы со спектрометром.
Рисунок 4. Стенд для экспериментальных исследований
Слоистые феррит-пьезолектрические структуры № 1 (ЖИГ-ГГГ-PMN-PT) и № 2 (ЖИГ-ГГГ-ЦТС), помещались в резонатор спектрометра. С помощью источника питания «GW Instek GPR-750H15D» 500 В (Тайвань) к пьезоэлектрической фазе структур прикладывалось электрическое поле, напряжённостью от 1 до 10 кВ/см.
В результате экспериментального исследования получены зависимости сдвигов линии ФМР от напряженности электрического поля в слоистых структурах № 1 и № 2, представленные на рисунках 5 и 6.
■3000
2600 2602 2604 2606 2608 2610 2612 2614 2616 Напряжённость магнитного поля, Э
Рисунок 5. Зависимость сдвига линии ФМР от напряжённости электрического пол для структуры №1, ЖИГ-ГГГ-PMN-PT
Рисунок 6. Зависимость сдвига линии ФМР от напряжённости электрического пол для структуры №2, ЖИГ-ГГГ-ЦТС
Результаты, представленные на рисунках 5 и 6 показывают, что при приложении внешнего электрического поля к пьезоэлектрической фазе слоистых феррит-пьезоэлектрических структур, наблюдается микроволновый МЭ эффект, заключающийся в сдвиге линии ФМР. В структуре № 1, ЖИГ-ГГГ-PMN-PT, величина сдвига составила 2,14 Э, для структуры № 2, ЖИГ-ГГГ-ЦТС, сдвиг составил 0,9 Э, что в 2,4 раза меньше, чем в структуре № 1, ЖИГ-ГГГ-PMN-PT. Обусловлено это тем, что монокристаллический пьезоэлектрик PMN-PT обладает лучшими пьезоэлектрическими свойствами, чем пьезокерамика ЦТС-19. Также важным является то, что магнитное и электрическое поля приложены вдоль оси поляризации пьезоэлектрического слоя, совпадающего с осью [111] магнитострикционного слоя.
Рисунок 7. Линейная зависимость МЭ эффекта для определения констант А
Также были получены первичные теоретические оценки, которые показали, что сдвиг резонансного значения подмагничивающего поля прямо пропорционален напряжённости приложенного к пьезоэлектрику электрического поля SHE = АЕ. Величина константы А находится из рисунка 7 и для слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры ЖИГ-ГГГ-PMN-PT составила 0,213 Э/кВ/см, для структуры ЖИГ-ГГГ-ЦТС, 0,09 Э/кВ/см. Точный количественный расчёт внутренней структуры постоянной A затруднён специфической формой МЭ образца, состоящего из прямоугольного параллелепипеда пьезоэлектрика и диска ЖИГ/ГГГ. Работа над этим расчётом будет продолжена, и результаты будут представлены в следующих публикациях.
Полученные результаты сдвигов линии ФМР от величины внешнего электрического поля позволяют подобрать оптимальный пьезоэлектрик для структур новых управляемых СВЧ-устройств, принцип работы которых будет основан на перестройке резонансных характеристик с помощью электрического поля.
Заключение
В статье представлены результаты экспериментального исследования микроволнового МЭ эффекта в слоистых феррит-пьезоэлектрических структурах ЖИГ-ГГГ-PMN-PT и ЖИГ-ГГГ-ЦТС. Для слоистой структуры ЖИГ-ГГГ-PMN-PT найденная МЭ константа А равна 0,213 Э/кВ/см, что в 2,4 раза больше, чем для структуры ЖИГ-ГГГ-ЦТС. Полученные данные величин МЭ констант А позволяют подобрать оптимальные параметры и размеры слоистых феррит-пьезоэлектрических структур для разработки СВЧ-устройств, принцип работы которых основан на микроволновом МЭ эффекте. Кроме того, планируется провести дополнительные теоретические расчёты угловых зависимостей сдвигов линии ФМР в данных феррит-пьезоэлектрических структурах и сравнить результаты с результатами, полученными в ходе экспериментального исследования.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, грант № 22-29-00950.
Список литературы
1. Соколов О. В., Бичурин М. И., Лобекин В. Н., Татаренко А. С. Микроволновый магнитоэлектрический эффект в двухслойных структурах на основе железо-иттрие-вого граната, кварца и магнониобата свинца // Вестник НовГУ. 2019. 4(116). 92-95. DOI: 10.34680/2076-8052.2019.4(116).92-95
2. Bichurin M. I., Sokolov O. V., Tatarenko A. S., Lobekin V. N., Leontiev V. S., Turu-tin A. V. Microwave Magnetoelectric Effect in a Two-Layer FeGaB/PZN-PT Structure // Microwave Conference (RMC): Proceedings of the 7th All-Russian Microwave Conference, Moscow, November 25-27, 2020. Moscow, 2020. P. 282-285. DOI: 10.1109/RMC50626.2020.9312260
3. Маничева И. Н., Филиппов Д. А., Лалетин В. М. Магнитоэлектрический эффект втрехслойной структуре никель-кварц-никель // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. 4(82), часть 1. 27-32. DOI: 10.23670/IRJ.2019.82.4.005
4. Вьюник Д. А., Капустин В. Г., Савельев Д. В., Фетисов Л. Ю., Чашин Д. В.,
Шабин П. А. Магнитоэлектрический эффект в слоистой структуре пьезоэлектрик-маг-нитострикционный волоконный композит // Ломоносов-2019 : материалы XXVI международного молодежного научного форума, Москва, 08-12 апреля 2019 года. Москва, 2019. С. 759-761. URL: https://conf.msu.ru/archive/Lomonosov_2019/data/sec-tion_33_16302.htm (Дата обращения: 14.01.2023).
5. Лобекин В. Н., Снисаренко Д. В., Татаренко А. С., Бичурин М. И. Исследование магнитоэлектрического СВЧ вентиля на основе феррит-пьезоэлектрических структур // Вестник НовГУ. 2018. 1(107). 74-76.
6. Bichurin M. I., Sokolov O. V., Leontiev V. S., Petrov R. V., Tatarenko A. S., Se-menov G. A., Ivanov S. N., Turutin A. V., Kubasov I. V., Kislyuk A. M., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N., Kholkin A. L., Sobolev N. A. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nicke / Metglas Gradient Structure // Physica Status Solidi (B) Basic Research. 2020. 257(3). 1900398. DOI: 10.1002/pssb.201900398
7. Леонтьев В. С., Петров Р. В., Божков С. Т. Исследование датчика положения коленчатого вала на основе композитной структуры LiNbO3 // Вестник НовГУ. 2020. 2(118). 36-39. DOI: 10.34680/2076-8052.2020.2(118).36-39
8. Петров В. М., Сергеев И. С. Гиратор в источниках вторичного электропитания // Вестник НовГУ. 2018. 4(110). 19-24.
9. Bichurin M. I., Petrov V. M., Petrov R. V., Kapralov G. N., Kiliba Yu. V., Bukashev F. I., Smirnov A. Yu., Tatarenko A. S. Magnetoelectric microwave devices // Ferroelectrics. 2011. 280(1). 211-218. DOI: 10.1080/00150190214807
10. Петров Р. В., Леонтьев В. С. Магнитоэлектрический магнитометр // Вестник НовГУ. 2013. 75, т. 1. 29-32.
References
1. Sokolov O. V., Bichurin M. I., Lobekin V. N., Tatarenko A. S. Mikrovolnovyy magnitoelektricheskiy effekt v dvukhsloynykh strukturakh na osnove zhelezo-ittriyevogo granata, kvartsa i magnoniobata svintsa [Microwave magnetoelectric effect in two-layer structures based on yttrium iron garnet, quartz and lead magnoniobate] // Vestnik NovSU. 2019. 4(116). 92-95. 1. DOI: 10.34680/2076-8052.2019.4(116).92-95
2. Bichurin M. I., Sokolov O. V., Tatarenko A. S., Lobekin V. N., Leontiev V. S., Turutin A. V. Microwave Magnetoelectric Effect in a Two-Layer FeGaB/PZN-PT Structure // Microwave Conference (RMC): Proceedings of the 7th All-Russian Microwave Conference, Moscow, November 25-27, 2020. Moscow, 2020. P. 282-285. DOI: 10.1109/RMC50626.2020.9312260
3. Manicheva I. N., Filippov D. A., Laletin V. M. Magnitoelektricheskiy effekt vtrekhsloynoy strukture nikel'-kvarts-nikel' [Magnetoelectric effect in a nickel-quartz-nickel three-layer structure] // International Research Journal. 2019. 4(82), part 1. 27-32. DOI: 10.23670/IRJ.2019.82.4.005
4. Vyunik D. A., Kapustin V. G., Saveliev D. V., Fetisov L. Yu., Chashin D. V., Shabin P. A. Magnitoelektricheskiy effekt v sloistoy strukture p'yezoelektrik-magnitostriktsionnyy volokonnyy kompozit [Magnetoelectric effect in a layered structure of a piezoelectric-magnetostrictive fiber composite] // Lomonosov-2019: Materials of the XXVI International Youth Scientific Forum, Moscow, April 08-12, 2019. Moscow, 2019. P. 759-761. Available at: https://conf.msu.ru/archive/Lomonosov_2019/data/section_33_16302.htm (Accessed: 14.01.2023).
5. Lobekin V. N., Snisarenko D. V., Tatarenko A. S., Bichurin M. I. Issledovaniye magnitoelektricheskogo SVCH ventilya na osnove ferrit-p'yezoelektricheskikh struktur [Study of a magnetoelectric microwave valve based on ferrite-piezoelectric structures]. Vestnik NovSU. 2018. 1(107). 74-76.
6. Bichurin M. I., Sokolov O. V., Leontiev V. S., Petrov R. V., Tatarenko A. S., Se-menov G. A., Ivanov S. N., Turutin A. V., Kubasov I. V., Kislyuk A. M., Malinkovich M. D., Parkhomenko Y. N., Kholkin A. L., Sobolev N. A. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nicke / Metglas Gradient Structure // Physica Status Solidi (B) Basic Research. 2020. 257(3). 1900398. DOI: 10.1002/pssb.201900398
7. Leontiev V. S., Petrov R. V., Bozhkov S. T. Issledovaniye datchika polozheniya kolenchatogo vala na osnove kompozitnoy struktury LiNbO3 [Study of the crankshaft position sensor based on the LiNbO3 composite structure] // Vestnik NovSU. 2020. 2(118). 36-39. DOI: 10.34680/2076-8052.2020.2(118).36-39
8. Petrov V. M., Sergeev I. S. Girator v istochnikakh vtorichnogo elektropitaniya [Gyrator in secondary power sources] // Vestnik NovSU. 2018. 4(110). 19-24.
9. Bichurin M. I., Petrov V. M., Petrov R. V., Kapralov G. N., Kiliba Yu. V., Bukashev F. I., Smirnov A. Yu., Tatarenko A. S. Magnetoelectric microwave devices // Ferroelectrics. 2011. 280(1). 211-218. DOI: 10.1080/00150190214807
10. Petrov R. V., Leontiev V. S. Magnitoelektricheskiy magnitometr [Magnetoelectric magnetometer] // Vestnik NovSU. 2013. 75, vol. 1. 29-32.
Информация об авторах
Лобекин Вячеслав Николаевич - инженер, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия), ORCID: 0000-0002-4896-2191, s203878@std.novsu.ru
Кафаров Руслан Гайдарович - лаборант, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия), ORCID: 0009-0002-3707-1585, s247012@std.novsu.ru
Бичурин Мирза Имамович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия), ORCID: 0000-0003-0650-4712, Mirza.Bichurin@novsu.ru
Соколов Олег Владимирович - кандидат физико-математических наук, инженер-исследователь, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия), ORCID: 0000-0002-3041-9537, Oleg.Sokolov@novsu.ru
Иванов Сергей Вадимович - лаборант, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (Великий Новгород, Россия), ORCID: 0009-0003-8581-9575, s243962@std.novsu.ru
