МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
ELECTROMAGNETIC MATERIAL FOR COMPONENTS OF RADIOELECTRONIC INSTRUMENTS

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в радиоприборостроении для изготовления датчиков магнитного поля, электрически перестраиваемых фильтров СВЧ, линий задержки СВЧ и др., где необходимо наличие магнитоэлектрического (МЭ) эффекта. МЭ эффект заключается в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля. Возможность взаимного преобразования полей делает такой материал перспективным для построения различных устройств функциональной электроники на его основе.
Известны радиоэлектронные компоненты, изготовленные на основе материала, обладающего МЭ эффектом. Рассмотрим, для примера, недостатки этих компонент и материалов, которые связаны с необходимостью предварительной поляризации и подмагничивания.
1. Датчик магнитного поля на основе композиционного феррит-пьезоэлектрического материала (см. RU №2244318, МПК G01R 33/02, 2005). Недостатками датчика является необходимость предварительной поляризации сегнетоэлектрической фазы материала для придания ему пьезоэлектрических свойств, а также необходимость использования постоянного подмагничивающего поля для придания магнитной фазе пьезомагнитных свойств.
2. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры (см. A.S.Tatarenko, V.Gheevarughese and G.Srinivasan. Magnetoelectric Microwave Bandpass Filter // Electronics Letters, 2006, Vol.42, P.540-541). Недостатками фильтра является необходимость предварительной поляризации сегнетоэлектрической фазы материала для придания ему пьезоэлектрических свойств.
3. Резонансный МЭ аттенюатор на основе композиционного феррит-пьезоэлектрического материала (см. M.I.Bichurin, V.M.Petrov, R.V.Petrov, G.N.Kapralov, Yu.V.Kiliba, F.I.Bukashev, A.Yu.Smirnov and A.S.Tatarenko. Magnetoelectric microwave devices // Ferroelectrics, 2002, Vol.280, P.211-218). Недостатками линии задержки является необходимость предварительной поляризации сегнетоэлектрической фазы материала для придания ему пьезоэлектрических свойств.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является композиционный магнитострикционно-пьезоэлектрический материал, который обладает МЭ эффектом благодаря взаимодействию магнитной и электрической подсистем через упругие деформации (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Сринивасан Г. Магнитоэлектрические материалы. - М.: Академия естествознания, 2006. - 296 с). В целом характеристики радиоэлектронных компонент и приборов на основе МЭ материалов зависят от величины МЭ взаимодействия. Недостатком прототипа является то, что для оптимизации величины МЭ взаимодействия необходимо использовать предварительную электрическую поляризацию образца материала и подмагничивание внешним постоянным магнитным полем. Процесс поляризации заключается в нагреве образца до температуры выше температуры Кюри и медленном охлаждении в постоянном электрическом поле. Величина подмагничивающего поля выбирается из условия достижения максимального пьезомагнитного модуля, при этом величина МЭ эффекта максимальна. Таким образом, недостатком любых радиоэлектронных компонент и приборов на основе магнитострикционно-пьезоэлектрических материалов является необходимость использования дополнительной операции поляризации образца, а также необходимость использования дополнительных элементов, обеспечивающих подмагничивание материала.
Задачей изобретения является создание композиционных магнитострикционно-пьезоэлектрических материалов, величина МЭ эффекта в которых оптимизирована их структурными параметрами, при этом нет необходимости использовать предварительную поляризацию образца и подмагничивание внешним постоянным магнитным полем.
Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов, представляющий собой двухфазную слоистую или объемную мелкодисперсную композицию магнитострикционного материала с градиентом намагниченности и сегнетоэлектрического материала с градиентом поляризации, скрепленных между собой. Осуществление изобретения основано на применении физических свойств магнитных материалов с градиентом намагниченности и сегнетоэлектрических материалов с градиентом поляризации.
i
Известно, что наличие градиента поляризации в сегнетоэлектрическом материале приводит к созданию внутреннего постоянного электрического поля Е величина которого определяется следующим выражением:
0
где Р - электрическая поляризация сегнетоэлектрика,  - диэлектрическая постоянная, L - длина образца.
i
Аналогично наличие градиента намагниченности в магнитоупорядоченном материале приводит к созданию внутреннего постоянного магнитного поля Н
где М - намагниченность насыщения материала.
Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат. Соответствующий выбор градиента поляризации в формуле (1) и размера образца позволяет обеспечить величину внутреннего электрического поля, необходимую для достижения наибольшей величины пьезоэлектрических коэффициентов. При этом нет необходимости в предварительной электрической поляризации образца. Аналогично соответствующий выбор градиента намагниченности насыщения в формуле (2) и размера образца позволяет обеспечить величину внутреннего магнитного поля, необходимую для достижения необходимой величины пьезомагнитных коэффициентов. Необходимость использования внешнего подмагничивающего поля исчезает. Таким образом, внутренние электрическое и магнитное поля по своему действию эквивалентны предварительной поляризации сегнетоэлектрической фазы и подмагничиванию внешним магнитным полем магнитострикционной фазы.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.
2
3
На фиг.1 приведено схематическое изображение одного из вариантов магнитострикционно-сегнетоэлектрической композиции - двухслойной магнитострикционно-сегнетоэлектрической структуры. Структура содержит слой магнитострикционного материала 1 с градиентом намагниченности насыщения, направленным вдоль оси Х, слой сегнетоэлектрического материала 2 с градиентом поляризации, направленным вдоль оси Х, электроды 3 для измерения напряжения, индуцированного посредством МЭ взаимодействия.
2
Е
0
На фиг.2 приведены расчетные данные по МЭ эффекту в слоистой структуре состава никель-цинковый феррит-титанат-цирконат свинца (ЦТС), обладающей градиентом намагниченности насыщения, направленным вдоль границы раздела - вдоль оси Х. Вдоль этой же оси направлено внутреннее магнитное поле, определяемое формулой (2). На чертеже приведена расчетная зависимость МЭ коэффициента по напряжению α от величины подмагничивающего поля Н для равных объемных долей феррита и ЦТС. Переменное магнитное поле полагается направленным параллельно внутреннему подмагничивающему полю, а направление поляризации и переменного магнитного поля - перпендикулярно плоскости образца. При варьировании содержания цинка в пределах 0.3-0.5 возникает структура с градиентом намагниченности. В результате в структуре появляется внутреннее магнитное поле 44 Э (см. J.V.Mantese, A.Micheli, N.W.Schubring, R.W.Hayesand, G.Srinivasan, S.P.Alpay. Magnetization-graded ferromagnets: The magnetic analogs of semiconductor junction elements // Appl. Phys. Lett. 87,082503 (2005). Расчет по формуле (2) показывает, что расширение пределов варьирования содержания цинка в пределах 0.2-0.5 позволяет увеличить внутреннее магнитное поле до 60 Э. Из фиг.1 видно, что использование подмагничивающего поля величиной 60 Э позволяет оптимизировать МЭ эффект в рассматриваемой структуре и получить МЭ коэффициент по напряжению 450 мВ/см Э.
Основные области применения:
- материал для изготовления датчиков магнитного поля;
- материал для изготовления СВЧ-устройств с электрическим управлением.
Материал для компоненты радиоэлектронного прибора может быть получен, например, следующим образом.
Пример. Материал для изготовления датчиков магнитного поля.
Берут слой магнитострикционного материала с градиентом намагниченности насыщения, например, никель-цинковой феррошпинели с варьированием содержания цинка. Слой скрепляют с помощью пластификатора со слоем сегнетоэлектрического материала с градиентом поляризации, например титаната-цирконата свинца с варьированием содержания титаната свинца. Толщины слоев выбирают равными для получения наибольшей величины МЭ эффекта.
Далее полученную таким путем структуру прессуют, обжигают, и она служит основой для изготовления датчика магнитного поля. Затем из такой стопки-книжки вырезают заготовки необходимой конфигурации и размера.