Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Композитные магнитоэлектрические (МЭ) материалы способны с высокой эффективностью преобразовывать магнитный сигнал в электрический и наоборот благодаря сочетанию магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов. Уникальные свойства МЭ композитов могут быть применены для создания целого ряда новых электронных устройств, однако наиболее динамично развивающимся направлением применения композитных МЭ материалов являются сверхчувствительные датчики магнитных полей, способные при комнатной температуре и в широком динамическом диапазоне измерять токи, протекающие в нейронах живых организмов, а также в силовых и сигнальных цепях. При этом МЭ сенсоры магнитных полей способны детектировать сверхслабые переменные магнитные поля без полного экранирования от магнитного поля Земли и не требуют дополнительного охлаждения сенсора, в отличие от дорогостоящих сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов). Целью проекта является определение фундаментальных свойств и факторов, влияющих на предельную чувствительность датчиков на основе магнитоэлектрических композитных материалов к неоднородным магнитным полям, анализ взаимосвязей между характеристиками композитов и их внутренней структурой, размерами и температурной стабильностью. Для достижения поставленной цели в проекте будет использован комплексный подход, включающий в себя компьютерное моделирование и экспериментальные исследования поведения композитных МЭ материалов в условиях неоднородных магнитных полей без стабилизации температуры. В рамках первого года выполнения проекта основное внимание уделялось композитным магнитоэлектрическим (МЭ) материалам с градиентной структурой (подмагничивающим слоем). Выбор этого направления в качестве первоочередного обусловлен тем, что одним из факторов, наиболее ограничивающих возможность миниатюризации сенсоров магнитных полей на основе МЭ материалов, является необходимость приложения дополнительного внешнего магнитного поля для вывода магнитострикционного слоя метгласа в рабочую точку (поле, при котором пьезомагнитный коэффициент максимален). Обычно такое поле прикладывается с помощью внешних катушек индуктивности, что не только увеличивает габариты сенсоров, но и повышает энергопотребление, а также оказывает влияние на измеряемое внешнее поле. Был проведен расчёт оптимальных параметров (резонансная частота, линейные размеры структуры и толщина никельсодержащей плёнки) магнитоэлектрического (МЭ) материала со структурой “бидоменный кристалл LN / Ni (или никельсодержащая плёнка) / метглас”. Отработаны технологические приемы создания градиентной МЭ структуры. Проведено осаждение никельсодержащих плёнок методом магнетронного распыления мишени и электрохимическим способом. Осуществлен отжиг полученных структур в постоянном магнитном поле. Произведены измерения импеданса, МЭ коэффициента, предела детектирования магнитных полей градиентными МЭ структурами. Дано сравнение предела детектирования магнитных полей градиентной МЭ структурой с композитом “бидоменный кристалл LN / метглас”, в котором отсутствует подмагничивающий слой. Измерены МЭ отклик и предел детектирования низкочастотных сигналов от градиентных МЭ структур с применением методики преобразования частоты. Изучено влияние отжигов никельсодержащих слоёв в магнитном поле на МЭ свойства и предел детектирования магнитных полей градиентными МЭ структурами, установлен оптимальный режим термообработки. На основе полученные результатов изготовлен и испытан градиентный МЭ образец в форме камертона, способный эффективно подавлять акустические шумы. Проведены измерения частотных зависимостей импеданса и МЭ коэффициента градиентного образца в форме камертона. Измерен предел детектирования магнитных полей таким образцом, проведено сравнение с простой градиентной структурой прямоугольной формы. Осуществлено детектирование неоднородного магнитного поля с помощью прямоугольной градиентной МЭ структуры и градиентного МЭ образца в форме камертона на модельном объекте (единичный цилиндрический проводник). Работы и их результаты полностью соответствуют календарному плану. За отчётный период опубликованы 2 статьи.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году в проекте была решена задача по созданию магнитоэлектрических (МЭ) микроэлектромеханических систем (МЭМС) на основе бидоменных кристаллов ниобата лития (b-LN) y+128°-среза и метгласа. Отработанные технологические приемы утонения пьезоэлектрического (ПЭ) слоя методом микробластинга и напыления тонких аморфных магнитострикционных (МС) плёнок метгалса методом магнетронного распыления мишени позволили изготовить МЭ композит в МЭМС-исполнении, не содержащий клеевых слоёв между ПЭ и МС слоями. Разработанный материал был использован в качестве чувствительного элемента прототипа сенсора сверхслабых магнитных полей с пределом детектирования переменного магнитного поля 12 пТл на частоте 3065 Гц. Уровень шума МЭ-сигнала при измерениях не превышал 0,47 мкВ/Гц^1/2. В широком диапазоне амплитуд магнитного поля (от 12 пТл до 100 нТл) чувствительность прототипа сенсора продемонстрировала хорошую линейность (R^2 = 0,998). Разработанный в проекте МЭМС МЭ композит продемонстрировал МЭ коэффициент, сравнимый со структурами на основе AlN, и демонстрирующий самую высокую чувствительность среди описанных на сегодняшний день в литература МЭМС МЭ структур. Чувствительность к магнитному полю МЭМС МЭ структуры «b-LN/ Метглас (Fe70Co8Si12B10)» на относительно низкой резонансной частоте в 5 раз превышает лучшее значение, полученное для МЭМС МЭ структуре «poly-Si/AlScN/FeCoSiB» в группе конкурентов из Университета Киля (Германия). По результатам сравнения МЭ композита в МЭМС исполнении с классическим объемным МЭ композитом было показано, что в целом для обоих типов структур характерны одни и те же проблемы и паразитные явления, однако уровень шума напряжения для МЭМС МЭ образцов несколько меньше, что позволяет говорить о потенциальном увеличении чувствительности к магнитным полям в широком диапазоне частот. В работе было проведено численное моделирование, а также экспериментальное исследование особенностей детектирования сигнала МЭ градиентной структурой от различных источников неоднородных магнитных полей (НМП). Трехмерное моделирование НМП проводили для трех типов источников: единичного провода с током, катушки индуктивности и двух проводов с током, скрещенных под углом 90°. Для экспериментов был разработан и изготовлен комплекс для имитации различных конфигураций источников НМП. В конструкции реализована возможность автоматизированного сканирования напряженности магнитного поля путем перемещения сенсора на основе МЭ композита с помощью позиционера с шаговым двигателем, управляемым контроллером на базе Arduino. Точность позиционирования составляла не хуже 0,1 мм. В работе проведено картирования единичного провода с током, катушки индуктивности и двух проводов с током, скрещенных под углом 90°. По результатам картирования НМП было выявлено смещение максимума МЭ отклика относительно максимума НМП рассчитанного в модели. Средняя чувствительность при картировании составила 14 нТл/Гц^1/2. Для определения минимально возможного сигнала, который может быть детектирован изготовленным в работе образцом МЭ-композита, на основе экспериментальных данных была рассчитана частотная зависимость предела детектирования сигнала (LOD – Limit of Detection). Показано сильное влияние низкочастотных вибрационных шумов, приводящих к выбросам сигнала в области 130–160 Гц до 11 нТл/Гц^1/2. В области частот (от 400 Гц до 1 кГц), где влияние вибрационных шумов и других наводок не дает большой вклад, LOD структуры составил 2 ± 0.4 нТл/Гц^1/2. По результатам, полученным в 2023 году опубликованы 2 статьи: Turutin, A.V.; Skryleva, E.A.; Kubasov, I.V.; Milovich, F.O.; Temirov, A.A.; Raketov, K.V.; Kislyuk, A.M.; Zhukov, R.N.; Senatulin, B.R.; Kuts, V.V.; et al. Magnetoelectric MEMS Magnetic Field Sensor Based on a Laminated Heterostructure of Bidomain Lithium Niobate and Metglas. Materials 2023, 16, 484. https://doi.org/10.3390/ma16020484. Q1 Kuts V.V., Turutin A.V., Kislyuk A.M., Kubasov I.V., Maksumova E.E., Temirov A.A., Malinkovich M.D., Sobolev N.A., Parkhomenko Yu.N. (2023) Detection of inhomogeneous magnetic fields using magnetoelectric composites. Modern Electronic Materials 9(3): 105-113. https://doi.org/10.3897/j.moem.9.3.114129 Результаты работ были доложены на международной конференции в виде устных докладов: 1. A. V. Turutin, E. A. Skryleva, I. V. Kubasov, F. O. Milovich, A. A. Temirov, K. V. Raketov, A. M. Kislyuk, R. N. Zhukov, B. R. Senatulin, V. V. Kuts, M. D. Malinkovich, Y.N. Parkhomenko, N. A. Sobolev; MEMS magnetoelectric composite structure for low-magnetic field sensing. X international Scientific Conference "Actual Problems of Solid State Physics. 10 Международная Научная Конференция "Актуальные Проблемы Физики Твердого Тела"); г.Минск, Беларусь; 22-26 мая 2023 г. 2.I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, A. V. Turutin. M. D. Malinkovich, Y. N. Parkhomenko; A Novel Method for Measurement of Piezoelectric Coefficients of Bidomain Lithium Niobate Crystals. X international Scientific Conference "Actual Problems of Solid State Physics. 10 Международная Научная Конференция "Актуальные Проблемы Физики Твердого Тела"); г.Минск, Беларусь; 22-26 мая 2023 г. Новость о создании МЭ МЭМС композита опубликована на сайте НИТУ МИСИС https://misis.ru/news/8420/