Нелинейный магнитоэлектрический эффект в кольцевой композитной гетероструктуре

Цели. Актуальность исследования магнитоэлектрических (МЭ) характеристик кольцевых гетероструктур «ферромагнетик-пьезоэлектрик» обусловлена созданием на их основе МЭ-устройств с улучшенными характеристиками. Целью настоящей работы является детальное исследование нелинейного МЭ-эффекта в кольцевой композитной гетероструктуре на основе пьезокерамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) и аморфного ферромагнитного (ФМ) сплава Metglas® при ее циркулярном намагничивании.

Методы. МЭ-эффект исследован методом низкочастотной модуляции магнитного поля. Возбуждающее переменное и постоянное магнитные поля смещения были созданы при помощи тороидальной катушки, намотанной на гетероструктуру, для циркулярного намагничивания ферромагнитного слоя.

Результаты. Обнаружен нелинейный МЭ-эффект, заключающийся в генерации высших гармоник МЭ-напряжения при возбуждении структуры циркулярными магнитными полями в нерезонансном режиме. Исследованы полевые и амплитудные зависимости первых трех гармоник МЭ-напряжения. Получены МЭ-коэффициенты для линейного МЭ-эффекта α(1) = 5.2 мВ/(Э·см) и для нелинейного МЭ-эффекта α(2) = 6 мВ/(Э2·см) и α(3) = 0.15 мВ/(Э3·см) при частоте переменного магнитного поля f = 1 кГц. Максимумы амплитуд 1-й и 3-й гармоник наблюдались при постоянном магнитном поле H ~ 7 Э, что почти в два раза меньше, чем в планарных гетероструктурах ЦТС–Metglas®.

Выводы. Обнаружен и исследован нелинейный МЭ-эффект в кольцевой структуре на основе пьезокерамики ЦТС и аморфного ФМ-сплава Metglas®. Вследствие отсутствия размагничивания при циркулярном намагничивании замкнутого ФМ-слоя нелинейные МЭ-эффекты проявляются при значительно меньших амплитудах возбуждающего переменного и управляющего постоянного магнитных полей по сравнению с планарными гетероструктурами. Исследуемые кольцевые структуры могут быть использованы для создания на их основе умножителей частоты.

1. Kopyl S., Surmenev R., Surmeneva M., Fetisov Y., Kholkin A. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine – a review. Materials Today Bio. 2021;12:100149. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100149

2. Azam T., Bukhari S.H., Liaqat U., Miran W. Emerging Methods in Biosensing of Immunoglobin G – A Review. Sensors. 2023;23(2):676. https://doi.org/10.3390/s23020676

3. Herrera D.L., Kruk R., Leistner K., Sort J. Magnetoelectric materials, phenomena, and devices. APL Materials. 2021;9(5):050401. https://doi.org/10.1063/5.0053631

4. Fetisov Y.K., Chashin D.V. Magnetoelectric coil-free voltage transformer based on monolithic ferrite-piezoelectric heterostructure. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;344:113737. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113737

5. Tu C., Chu Z.Q., Spetzler B., Hayes P., et al. Mechanical-resonance-enhanced thin-film magnetoelectric heterostructures for magnetometers, mechanical antennas, tunable RF inductors, and filters. Materials. 2019;12(14):2259. https://doi.org/10.3390/ma12142259

6. Xu L., Yan Y., Qiao L., Wang J., Pan D., Yang S., Volinsky A.A. Layer thickness and sequence effects on resonant magnetoelectric coupling in Ni/Pb(Zr,Ti)O3 cylindrical composites. Materials Lett. 2016;185:13–16. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.08.042

7. Yakubov V., Xu L., Volinsky A.A., Qiao L., Pan D. Edge geometry effects on resonance response of electroplated cylindrical Ni/PZT/Ni magnetoelectric composites. AIP Advances. 2017;7(8):085305. https://doi.org/10.1063/1.4998947

8. Giang D.T.H., Tam H.A., Khanh V.T.N., Vinh N.T., Tuan P.A., Van Tuan N.V., et al. Magnetoelectric vortex magnetic field sensors based on the metglas/PZT laminates. Sensors. 2020;20(10):2810. https://doi.org/10.3390/s20102810

9. Zhang S., Leung C.M., Kuang W., Or S.W., Ho S.L. Concurrent operational modes and enhanced current sensitivity in heterostructure of magnetoelectric ring and piezoelectric transformer. J. Appl. Phys. 2013;113(17):17C733. https://doi.org/10.1063/1.4801390

10. Fetisov L.Y., Saveliev D.V., Chashin D.V., Gladyshev I.V., Fetisov Y.K. Circular Magnetoelectric Heterostructure Based Inductor Tuned with Magnetic and Electric Fields. J. Commun. Technol. Electron. 2021;66(12):1402–1412. https://doi.org/10.1134/S1064226922020036

11. Ge B., Zhang J., Zhang Q., Filippov D.A., Wu J., Tao J., et al. Ultra-low anisotropy magnetoelectric sensor in Ferrite/piezoelectric toroidal composites. J. Magn. Magn. Mater. 2022;564(Part 2):170115. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.170115

12. Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., FetisovY.K., Stashkevich A.A. High-sensitivity dc field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect. J. Magn. Magn. Mater. 2016;405(52):244–248. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.12.079

13. Wu G., Zhang R. Giant circumferential magnetoelectric effect in Pb (Zr, Ti)O3/Mn-Zn-ferrite cylindrical composite. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;330(14):112845. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112845

14. Fetisov L.Y., Baraban I.A., Fetisov Y.K., Burdin D.A., Vopson M.M. Nonlinear magnetoelectric effects in flexible composite ferromagnetic–Piezopolymer structures. J. Magn. Magn. Mater. 2017;441:628–634. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.06.013

15. Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Gordeev S., Fetisov Y. Nonlinear magnetoelectric effect in a layered ferromagnetic-piezoelectric heterostructure excited by transverse magnetic field. Appl. Phys. Lett. 2020;116(7):072901. https://doi.org/10.1063/1.5136088

16. Burdin D., Chashin D., Ekonomov N., Fetisov L., Fetisov Y., Shamonin M. DC magnetic field sensing based on the nonlinear magnetoelectric effect in magnetic heterostructures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016;49(37):375002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/37/375002

17. Fetisov L.Y., Burdin D.A., Ekonomov N.A., Chashin D.V., Zhang J., Srinivasan G., et al. Nonlinear magnetoelectric effects at high magnetic field amplitudes in composite multiferroics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018;51(15):154003. http://doi.org/10.1088/1361-6463/aab384

18. Joseph R.I., Schlömann E. Demagnetizing field in nonellipsoidal bodies. J. Appl. Phys. 1965;36(5): 1579–1593. https://doi.org/10.1063/1.1703091

19. Fang F., Zhao C.P., Yang W. Thickness effects on magnetoelectric coupling for Metglas/PZT/Metglas laminates. Science China: Physics, Mechanics and Astronomy. 2011;54(4):581–585. https://doi.org/10.1007/s11433-011-4268-2

20. Li M., Wang Y., Hasanyan D., Li J., Viehland D. Giant Converse magnetoelectric effect in multi-push-pull mode Metglas/Pb(Zr,Ti)O3/metglas laminates. Appl. Phys. Lett. 2012;100(13):132904. https://doi.org/10.1063/1.3698114