vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-2-145-152vestift-593Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYПрименение барьерных слоев диоксида титана для формирования мультиферроиков ферромагнетик/сегнетоэлектрикApplication of titanium dioxide barrier layers for the ferromagnetic/ferroelectric multiferroics formationhttps://orcid.org/0000-0002-4703-8095СтогнийА. И.StognijA. I.

Стогний Александр Иванович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Aleksandr I. Stognij – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk

stognij@ifttp.bas-net.byhttps://orcid.org/0000-0002-7802-7487ШаркоС. А.SharkoS. A.

Шарко Сергей Александрович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Sergei A. Sharko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk

sharko@physics.byhttps://orcid.org/0000-0001-9825-2828СерокуроваА. И.SerokurovaA. I.

Серокурова Александра Ивановна – аспирант, младший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Aleksandra I. Serokurova – Postgraduate Student, Junior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk

serokurova@ifttp.bas-net.byhttps://orcid.org/0000-0002-6607-4681НовицкийН. Н.NovitskiiN. N.

Новицкий Николай Николаевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Nikolay N. Novitskii – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher,

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk

novitski@ifttp.bas-net.byПоддубнаяН. Н.PoddubnayaN. N.

Поддубная Наталья Никитична – кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник

пр. Генерала Людникова, 13, 210023, Витебск

Natalya N. Poddubnaya – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

13, General Liudnikov Ave., 210023 Vitebsk

poddubnaya.n@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2075-1755КецкоВ. А.KetskoV. A.

Кецко Валерий Александрович – доктор химических наук, главный научный сотрудник

Ленинский пр., 31, 119991, Москва

Valerii A. Ketsko – D. Sc. (Chemistry), Chief Researcher

31, Leninskii Ave., 119991, Moscow

ketsko@igic.ras.ruНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Science of BelarusИнститут технической акустики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Technical Acoustics of the National Academy of Science of BelarusИнститут общей и неорганической химии Российской академии наукKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences202007072020652145152Copyright © Стогний А.И., Шарко С.А., Серокурова А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н., Кецко В.А., 20202020Стогний А.И., Шарко С.А., Серокурова А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н., Кецко В.А.Stognij A.I., Sharko S.A., Serokurova A.I., Novitskii N.N., Poddubnaya N.N., Ketsko V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/593

С помощью метода ионно-лучевого распыления – осаждения получены слоистые мультиферроики Co/ЦТС (ЦТС – сегнетоэлектрическая керамика на основе цирконата титаната свинца состава PbZr0,45Ti0,55O3 с термостабильным плоскопараллельным интерфейсом сегнетоэлектрик/ферромагнетик), обладающие воспроизводимыми низкочастотными магнитоэлектрическими характеристиками при комнатной температуре. Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) поперечного сечения исследована граница раздела слоя кобальта толщиной до нескольких микрометров с толстой керамической подложкой цирконата – титаната свинца. Показано, что использование барьерного слоя диоксида титана TiO2 вместо ЦТС позволяет добиться улучшения качества интерфейса за счет уменьшения длительности ионно-лучевой планаризации сегнетоэлектрической подложки, а также исключить образование промежуточных химических соединений. На основе данных рентгенофазового анализа (РФА) сделан вывод об аморфности слоя TiO2, который по сравнению с кристаллическим позволяет более равномерно, без искажений, передавать внутренние напряжения, возникающие между сегнетоэлектрической подложкой и ферромагнитным слоем. Это приводит к более эффективному магнитоэлектрическому взаимодействию и значительному по величине (в единицы – десятки мВ/А) низкочастотному магнитоэлектрическому эффекту при комнатной температуре. Магнитоэлектрические измерения показали, что использование диоксида титана вместо ЦТС при соответствующих режимах планаризации приводит к увеличению низкочастотного магнитоэлектрического эффекта до 5 мВ/(см ∙Э) по сравнению со структурами с напылением планаризующего слоя ЦТС, где величина данного эффекта составляет 2 мВ/(см ∙Э). Эти результаты позволяют улучшить характеристики указанных структур при использовании в качестве чувствительных элементов в устройствах формирования – обработки информации и датчиков магнитного поля на основе магнитоэлектрического эффекта.

The layered multiferroics Co/PZT were obtained by ion-beam sputtering-deposition method, where PZT is a ferroelectric ceramic based on lead titanate zirconate of the composition PbZr0.45Ti0.55O3 with a thermostable plane-parallel ferroelectric/ferromagnet interface. Using cross-sectional scanning electron microscopy (SEM), we studied the interface of a cobalt layer up to several micrometers thick with a thick ceramic substrate of lead zirconate titanate. It has been shown that the use of a titanium dioxide barrier layer of TiO2 instead of PZT allows quality improvement of the interface by reducing the duration of ion-beam planarization of the ferroelectric substrate, and also to eliminate the formation of intermediate chemical compounds. Based on the data of X-ray phase analysis (XRD), it was concluded that the TiO2 layer is amorphous. Magnetoelectric measurements have shown that the use of titanium dioxide instead of PZT under appropriate planarization modes can increase the low-frequency magnetoelectric effect to 5 mV/(cm∙Ое), compared with structures with a sputtering planarizing layer of PZT, where the magnitude of the low-frequency magnetoelectric effect is 2 mV/(cm∙Оe). These results allow us to improve the characteristics of these structures when used as sensitive elements in devices for formation – processing of information and magnetic field sensors based on the magnetoelectric effect.

ионно-лучевое распыление – осаждениеслоистые мультиферроикиинтерфейс ферромагнетик/сегнетоэлектрикионно-лучевая планаризация поверхностибарьерный слойсегнетоэлектрическая подложкамагнитоэлектрический эффектмагнитоэлектрический коэффициент по напряжениюion-beam sputtering – depositionlayered multiferroicsferromagnetic/ferroelectric interfaceion-beam planarization of the surfacebarrier layerferroelectric substratemagnetoelectric effectmagnetoelectric voltage coefficientReferencesПятаков, А.П. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики / А.П. Пятаков, А.К. Звездин // Успехи физ. наук. – 2012. – Т. 182, № 5. – С. 593–620. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201206b.0593Pyatakov A. P., Zvezdin A. K. Magnetoelectric and multiferroic media. Physics-Uspekhi, 2012, vol. 55, no. 6, pp. 557– 581. https://doi.org/10.3367/UFNe.0182.201206b.0593Белоус, А. Г. Мультиферроики: синтез, структура и свойства / А.Г. Белоус, О.И. Вьюнов // Украин. хим. журн. – 2012. – Т. 78, № 7. – С. 41–70.Belous A. G., V’yunov O. I. Multiferroics: synthesis, structure and properties. Ukrainskii khimicheskii zhurnal = Ukrainian Chemistry Journal, 2012, vol. 78, no. 7, pp. 41–70 (in Russian).Смоленский, Г. А. Сегнетомагнетики / Г. А. Смоленский, И. Е. Чупис // Успехи физ. наук. – 1982. – Т.137, № 4. – С. 415–448. https://doi.org/10.3367/UFNr.0137.198207b.0415Smolenskii G. A., Chupis I. E. Ferroelectromagnets. Physics-Uspekhi, 1982, vol. 25, no. 7, pp. 475–493. https://doi.org/10.1070/PU1982v025n07ABEH004570Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions / Nan Ce-Wen [et al.] // J. Appl. Phys. – 2008. – Vol. 103, iss. 3. – P. 031101-1. https://doi.org/10.1063/1.2836410Nan Ce-Wen, Bichurin M. I., Dong Shuxiang, Viehland D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 103, iss. 3, pp. 031101-1. https://doi.org/10.1063/1.2836410Giant Magneto-Electric Effect in Laminate Composites / S. X. Dong [et al.] // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. – 2003. – Vol. 50. – P. 1236–1239. https://doi.org/10.1080/09500830310001621605Dong S. X., Cheng J. R., Li J. F., Viehland D. Giant Magneto-Electric Effect in Laminate Composites. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2003, vol. 50, pp. 1236–1239. https://doi.org/10.1080/09500830310001621605Novel magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides / G. Srinivasan [et al.] // Phys. Rev. B: Condens. Matter. – 2001. – Vol. 64. – 214408-1-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.214408Srinivasan G., Rasmussen E. T., Gallegos J., Srinivasan R., Bokhan Y.I., Laletin V. M. Novel magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides. Physical Review B: Condensed Matter, 2001, vol. 64, 214408-1-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.214408Перов, Н.С. Резонансное магнитоэлектрическое взаимодействие в несимметричной биморфной структуре ферромагнетик-сегнетоэлектрик. / Н. С. Перов, Л.Ю. Фетисов, Ю. К. Фетисов // Письма в Журн. техн. физики. – 2011. – Т. 37, вып. 6. – C. 1–7.Perov N. S. Fetisov L. Yu. Fetisov Yu. K. Resonant magnetoelectric interaction in asymmetric bimorphous ferromagnetic-ferroelectric structure. Technical Physics Letters, 2011, vol. 37, art. no. 244. https://doi.org/10.1134/S1063785011030291Srinivasan, G. Influence of bias electrical field on magnetoelectric interactions in ferromagnetic-piezoelectric layered structures / G. Srinivasan, Y. K. Fetisov, L. Y. Fetisov // Appl. Phys. Lett. – 2009. – Vol. 94. – P.132507-3. https://doi.org/10.1063/1.3114406.Srinivasan G., Fetisov Y. K., Fetisov L. Y. Influence of bias electrical field on magnetoelectric interactions in ferromagnetic-piezoelectric layered structures. Applied Physics Letters, 2009, vol. 94, pp. 132507-3. https://doi.org/10.1063/1.3114406Формирование плоскопараллельной межфазной границы в гетероструктуре Ni/PbZr0.2Ti0.8O3 / А. И. Стогний [и др.] // Неорган. материалы. – 2012. – Т. 48, №8. – С. 947–951.Stognij A. I., Novitskii N. N., Sharko S. A., Bespalov A. V., Golikova O. L., Ketsko V. A., Fabrication of a PlaneParallel Interface in Ni/PbZr0.2Ti0.8O3 Heterostructures. Inorganic Materials, 2012, vol. 48, no. 8, pp. 832–835. https://doi.org/10.1134/s0020168512080146Магнитоэлектрический эффект в планарных структурах аморфный ферромагнетик FeNiSiC – пьезоэлектрик / Л.Ю. Фетисов [и др.] // Журн. техн. физики. – 2011. – Т. 81, № 4. – C. 56–61.Fetisov L. Y., Fetisov Y. K., Perov N. S., Chashin D. V. Magnetoelectric effect in amorphous FeNiSiC ferromagnet-piezoelectric planar structures. Technical Physics, 2011, vol. 56, iss. 4, pp. 485–490. https://doi.org/10.1134/s1063784211040153Preparation and investigation of the magnetoelectric properties in layered cermet structures / A. I. Stognij [et al.] // Ceramics International. – 2019. – Vol. 45, № 10. – P. 13030–13036. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.234Stognij A. I., Sharko S. A., Serokurova A. I., Trukhanov S. V., Trukhanov A. V., Panina L. V., Ketsko V. A., Dyakonov V. P., Szymczak H., Vinnik D. A., Gudkova S. A. Preparation and investigation of the magnetoelectric properties in layered cermet structures. Ceramics International, 2019, vol. 45, no.10, pp. 13030-13036. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.234Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия / В. М. Лалетин [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2014. – Т. 40, №21. – С. 71–78.Laletin V. M., Stognii A. I., Novitskii N. N., Poddubnaya N. N. The Magnetoelectric Effect in Structures Based on Metallized Gallium Arsenide Substrates. Technical Physics Letters, 2014, vol. 40,no. 11, pp. 969–971. https://doi.org/10.1134/S1063785014110078Processing, Structure, Properties, and Applications of PZT Thin Films / N. Izyumskaya [et al.] // Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. – 2007. – Vol. 32, №3. – P. 111–202. https://doi.org/10.1080/10408430701707347Izyumskaya N., Alivov Y.-I., Cho S.-J., Morkoç H., Lee H., and Kang Y.-S. Processing, Structure, Properties, and Applications of PZT Thin Films. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2007, vol. 32, no. 3, pp. 111–202. https://doi.org/10.1080/10408430701707347Magnetoelectric effects in porous ferromagnetic-piezoelectric bulk composites: Experiment and theory / V.M. Petrov [et al.] // Phys. Rev. B. – 2007. – Vol. 75. – P. 174422. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.174422Petrov V. M., Srinivasan G., Laletin V. M., Bichurin M. I., Tuskov D. S., Poddubnaya N. N. Magnetoelectric effects in porous ferromagnetic-piezoelectric bulk composites: Experiment and theory. Physical Review B: Condensed Matter, 2007, vol. 75, pp. 174422. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.174422Dependence of magnetoelectric effect in layered lead zirconate-titanate/nickel heterostructures on the interface type / N. N. Poddubnaya [et al.] // Funct. Mater. – 2010. – Vol. 17, №3. – P. 329–334.Poddubnaya N. N., Laletin V. M., Stognij A. I., Novitskii N. N. Dependence of magnetoelectric effect in layered lead zirconate-titanate/nickel heterostructures on the interface type. Functional Materials, 2010, vol. 17, no. 3, pp. 329–334.Ziegler, J.F. The Stopping and Range of Ions in Solids / J. F. Ziegler, J.P. Birsack, U. Littmark. – New York: Pergamon Press, 1985. – 485 p.Ziegler J. F., Birsack J. P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. New York, Pergamon Press, 1985. 485 p.О визуализации области магнитоэлектрического взаимодействия тонкого слоя ферромагнетика на сегнетоэлектрической подложке / А.И. Стогний [и др.] // Неорган. материалы. – 2019. – Т. 55, № 3. – С. 311–316.Stognij A. I., Novitskii N. N., Sharko S. A., Bespalov A. V., Golikova O. L., Smirnova M. N., Ketsko V. A. On the Visualization of the Magnetoelectric Coupling Region for a Thin Ferromagnetic Layer on a Ferroelectric Substrate. InorganicMaterials, 2019, vol. 55, no. 3, pp. 284–289. https://doi.org/10.1134/s0020168519030142Ионно-лучевая инженерия многослойной наноструктуры Co/TiO2 / А.И. Стогний [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2010. – Т. 36, вып. 9. – С. 73–81.Stognij A. I., Pashkevich M. V., Novitskii N. N., Bespalov A. V. Ion-beam engineering of Co/TiO2 multilayer nanostructures. Technical Physics Letters, 2010, vol. 36, iss. 5, pp. 426–429. https://doi.org/10.1134/S1063785010050111

The authors declare that there are no conflicts of interest present.