Применение барьерных слоев диоксида титана для формирования мультиферроиков ферромагнетик/сегнетоэлектрик

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.

1. Пятаков, 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.0593

2. Белоус, А. Г. Мультиферроики: синтез, структура и свойства / А.Г. Белоус, О.И. Вьюнов // Украин. хим. журн. – 2012. – Т. 78, № 7. – С. 41–70.

3. 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.0415

4. Multiferroic 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/10.1063/1.2836410

5. Giant 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/10.1080/09500830310001621605

6. Novel 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.64.214408

7. Перов, 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.

8. Srinivasan, 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.

9. Формирование плоскопараллельной межфазной границы в гетероструктуре Ni/PbZr0.2Ti0.8O3 / А. И. Стогний [и др.] // Неорган. материалы. – 2012. – Т. 48, №8. – С. 947–951.

10. Магнитоэлектрический эффект в планарных структурах аморфный ферромагнетик FeNiSiC – пьезоэлектрик / Л.Ю. Фетисов [и др.] // Журн. техн. физики. – 2011. – Т. 81, № 4. – C. 56–61.

11. Preparation 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.2019.03.234

12. Магнитоэлектрический 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.

13. Processing, 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/10.1080/10408430701707347

14. Magnetoelectric 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.75.174422

15. Dependence 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.

16. 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.

17. 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.

18. Ионно-лучевая инженерия многослойной наноструктуры Co/TiO2 / А.И. Стогний [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2010. – Т. 36, вып. 9. – С. 73–81.