Магнитоэлектрический гиратор

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00763

НазваниеМагнитоэлектрический гиратор

Руководитель Филиппов Дмитрий Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" , Новгородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Гиратор, мультиферроики, стрейнтроника, магнитострикция, пьезоэлектричество, магнитоэлектрический эффект, композиционные материалы

Код ГРНТИ47.59.34; 47.09.35; 47.09.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте предполагается провести теоретические и экспериментальные исследования магнитоэлектрического гиратора, реализованного на основе асимметричных трехслойных магнитострикционно-пьезоэлектрических структур. Гиратор, наряду с резистором, конденсатором, индуктивностью и трансформатором, является пятым пассивным элементом радиоэлектронных устройств, осуществляющим непосредственное преобразование ток- напряжение. Его использование позволяет осуществлять преобразование индуктивной нагрузки в емкостную и, наоборот, емкостной в индуктивную. Его использование позволяет создавать полосовые фильтры без использования громоздких дросселей, что чрезвычайно важно при миниатюризации электронных устройств. В настоящее время гираторы в основном реализуются с помощью электронных схем, состоящих из резисторов, конденсаторов и операционных усилителей. Существование магнитоэлектрического эффекта в композиционных материалах позволяет непосредственно осуществить преобразование ток – напряжение, и наоборот, без использования дополнительных схемных решений, что позволяет существенно упростить устройство. Широкому использованию магнитоэлектрических гираторов в электронике препятствует небольшая эффективность магнитоэлектрического преобразования. Для увеличения эффективности магнитоэлектрического преобразования предполагается использовать в качестве магнитной фазы материалы с противоположными знаками магнитострикции, что позволяет существенно увеличить величину эффекта в области изгибных мод колебаний. Кроме того, для создания переменного магнитного поля предполагается вместо катушки индуктивности использовать «магнитный конденсатор», представляющий собой систему из двух соединенных между собой пластин. Это позволит существенно уменьшить размеры устройства и сделать их совместимыми с интегральными схемами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дмитрий Филиппов, Юнг Ли, Пенг Жоуб Бингфен Ге, Джахуи Ли, Джитао Жангб Тинаджин Жанг, Гопалан Шринивасан Theory of Magnetoelectric Effect for Three-Layer Piezo-Magnetostrictive Asymmetric Composites Journal of Composite Science, J. Compos. Sci. 2022, 6, 346. (год публикации - 2022)
10.3390/jcs6110346

2. Джитао Чанг, Баодже Чанг, Кунгфанг Чанг, Д.А. Филиппов, Джи Ву, Джангуи Тао, Джин Чен, Фанг Ванг, Лиуинг Джанг, Лингджай Цао Scalable Galvanic Isolators with High Isolation Realized by Magnetoelectric Gyrators Journal of Electronic Materials, 1, 52, p.1518-1525, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s11664-022-10135-6

3. Филиппов Д.А., Галкина Т.А., Маничева И.Н., Чанг Джитао Магнитоэлектрический гиратор на основе трехслойных симметричных структур: теория и эксперимент Журнал технической физики, Журнал технической физики, 2023, том 93, вып. 9, с. 1347-1352, DOI: 10.21883/JTF.2023.09.56222.50-23 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.09.56222.50-23

4. Поддубная Н., Филиппов Д., Лалетин В., Аплевич А., Янушкевич К. Magnetoelectric Properties of Ni-PZT-Ni Heterostructures Obtained by Electrochemical Deposition of Nickel in an External Magnetic Field Magnetochemistry, Magnetochemistry 2023, № 9, p.94 (год публикации - 2023)
10.3390/magnetochemistry9040094

5. Филиппов Д.А., Петров Н.В., Нозирзода Ш.С. Моделирование распределения магнитного поля в магнитном конденсаторе Инновации в технике и технологиях. Сборник научных статей Политехнического института Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2023. С. 102-109., Инновации в технике и технологиях. Сборник научных статей Политехнического института Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2023. С. 102-109. (год публикации - 2023)

6. Чанг Дж., Куао Х., Чанг К., Ге Б., Филиппов Д.А., Ву Дж., Ванг Ф., Тао Дж., Чен Дж., Лиуинг Дж., Цао Л. Compact magnetoelectric power splitter with high isolation using ferrite/ piezoelectric transformer composite Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 574 (2023) 170691 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jmmm.2023.170691

7. Лалетин В., Кудыбин М., Поддубная Н., Филиппов Д. Magnetoelectric Properties of Lead-Free Three-Layer Structure Barium–Titanate–Piezoceramic Nickel Journal of Composite Science, J. Compos. Sci. 2023, 7, 211 (год публикации - 2023)
10.3390/jcs7060211

8. Поддубная Н.Н., Лалетин В.М., Филиппов Д.А. Магнитоэлектрический эффект в гибридных структурах металл−магнитоэлектрик−металл Физика твердого тела, Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 10, с. 1751-1757 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.10.56323.184

9. Бингфен Ге, , Джитао Жанг, Кинг Жанг, Д.А. Филиппов, Джи Ву, Джангуи Тао, Джинг Чен, Люинг Джанг, Лингжи Као, Гопалан Шринивасан Ultra-low anisotropy magnetoelectric sensor in ferrite/piezoelectric toroidal composites Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 564 (2022) 170115 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jmmm.2022.170115

10. Д.А. Филиппов, Т.А. Галкина, И.Н. Маничева Теория квазистатического магнитоэлектрического взаимодействия в трехслойных асимметричных пьезомагнитострикционных структурах Журнал технической физики, Журнал технической физики, 2023, том 93, вып. 2 с. 230-236 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.02.54497.193-22

11. Джитао Чжан,Цзы Цзя Иа, Цин Фан Чжан, Наталия, Дмитрий Филиппов, Цзя Гуй Тао, Фан Ван, Ли Ин Цзян, Линь Као Low - frequency magnetoelectric capacitive coupled receiving antenna with enhanced transmission stabilities under low input power density Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Elsivier, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 593 (2024), p 171839 (год публикации - 2024)
doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.171839

12. Джитао Чжан, Синкуй Мю, Цин Фан Чжан, Наталия Поддубная, Дмитрий Филиппои, Цзя Иа Гуй Тао, Фан Ван, Ли Ин Цзян, Линь Чжи Као Structural, micro-structure, magnetic and dynamic magneto-elastic properties of samarium-doped nickel-zinc spinel ferrites for efficient power conversion applications Journal of Magnetism and Magnetic Materials, JMMM, 602, (2024), 172176 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2024.172176

13. Филиппов Д. А., Сапельников С.О., Удальцова Е.В. Зависимость магнитоэлектрического отклика трехслойной структуры Метглас/ЦТС/Метглас от толщины магнетика Мультиферроики: получение, свойства, применение: материалы международной научно-практической конференции: Витебск, 24-27 сентября 2024 г. Минск, ИВЦ Минфина, 2024-09-02, С.55-57 ISBN:978-985-880-504-3 , Мультиферроики: получение, свойства, применение: материалы международной научно-практической конференции: Витебск, 24-27 сентября 2024 г. Минск, ИВЦ Минфина, 2024-09-02, С.55-57 (год публикации - 2024)
978-985-880-504-3

14. Филиппов Д.А. Пространственное распределение магнитного поля в «магнитном конденсаторе» Инновации в технике и технологиях: сборник научных статей Политехнического института Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого / под ред. С. Б. Сапожкова (отв. ред.), С. И. Арендателевой, О. Е. Ванюшкиной; Новгородский гос. ун-т им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2024. – 144 с., Инновации в технике и технологиях (2024), Великий Новгород, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, 2024-01-31, С. 121-127, DOI:10.34680/978-5-89896-904-2/2024.IET.17 (год публикации - 2024)
10.34680/978-5-89896-904-2/2024.IET

15. Филиппов Д. А., Маничева И. Н., Сапельников С. О., Мирзахмедов Т.-Б. Е. Характеристики магнитоэлектрического гиратора на основе структур метглас/цирконат-титанат свинца/ метглас: влияние толщины магнетика Инновации в технике и технологиях: сборник научных статей Политехнического института Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого / под ред. С. Б. Сапожкова (отв. ред.), С. И. Арендателевой, О. Е. Ванюшкиной; Новгородский гос. ун-т им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2024. – 144 с., Инновации в технике и технологиях (2024), Великий Новгород, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, 2024-01-31, С. 121-127 (год публикации - 2024)
10.34680/978-5-89896-904-2/2024.IET.18

16. Наталия Поддубная, Дмитрий Филиппов, Максим Силибин, Джитао Чжан, Дмитрий Карпинский, Павел Разбаев, Владимир Лалетин, Артем Сюса Piezoelectric, magnetic and magnetoelectric properties of the flexible layered Ni/PVDF-TrFE/Ni structures Journal of Magnetism and Magnetic Materials , Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 600 (2024) 172167 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2024.172167

17. Джитао Чжан, Джухан Гао, Дмитрий Филиппов, Бинфэн Гэ, Цин Фан Чжан, Наталия Поддубная, , Хия Ван Чжэн, Лей Хиянг Вян, Ли Ин Цзян Цзян и Линь Чжи Као Arbitrary low-frequency power-splitting strategy in ferrite/piezoelectric magnetoelectric heterostructures: Theory and experimental validation IOP Publishing Ltd, Smart Materials Structures, Smart Mater. Struct. 33 (2024) 095019 (18pp) (год публикации - 2024)
10.1088/1361-665X/ad6961

18. Н.Н. Поддубная , Д.А. Филиппов , В.М. Лалетин Влияние состава магнитоэлектрического композита на эффект ” самосмещения“ в гибридных структурах Письма в журнал технической физики, Письма в журнал технической физики 2024, вып. 4, стр. 23 - 26 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.04.57096.19743

19. Филиппов Д. А., Сапельников С.О., Удальцова Е.В. Влияние толщины магнетика на коэффициент I/V – преобразования магнитоэлектрического гиратора Мультиферроики: получение, свойства, применение: материалы международной научно-практической конференции: Витебск, 24-27 сентября 2024 г. Минск, ИВЦ Минфина, 2024-09-02, С.58-60 , Мультиферроики: получение, свойства, применение: материалы международной научно-практической конференции: Витебск, 24-27 сентября 2024 г. Минск, ИВЦ Минфина, 2024-09-02, С.58-60 (год публикации - 2024)

20. Адройя Д., Филиппов Д. Magnetic and Magnetoelectric Materials Magnetochemistry, MDPI, Magnetochemistry 2024, 10, p.8. (год публикации - 2024)
10.3390/ magnetochemistry10020008

21. Джитао Чжан, Цзинь Бод У, Цин Фан Чжан, Наталия Поддубная, Дмитрий Филиппов, Цзя Иа Гуй Тао, Ли Ин Цзян, Линь Чжи Као Efficient Power Splitting and Conversion in Ferrite/Piezoelectric Transformer Magnetoelectric Composites IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE INDUSTRIAL ELECTRONIC SOCIETY, , IEEE Transactions on Industrial Electronics 2024, p.1-11, published 18.03.2024, pp. 1-11 (год публикации - 2024)
10.1109/TIE.2024.3368162

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение 2024 года были продолжены работы по изучению эффективности магнитоэлектрического (МЭ) преобразования в структурах, содержащих различные по составу магнитострикционные и пьезоэлектрические компоненты. Для этого была построена физико-математическая модель структур, в основе которой были положены основные уравнения теории упругости и электродинамики. Получены выражения, позволяющие рассчитывать частотные и полевые зависимости магнитоэлектрического коэффициента по напряжению (Magnetoelectric Voltage Coefficient MEVC) гетероструктур на основе данных о физических параметрах магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз и геометрических размерах структуры. Данные выражения позволили теоретически предсказать частотные и полевые зависимости гетероструктур. Были проведены расчеты и получены теоретические зависимости величины МЭ эффекта от напряженности поля подмагничивания и частотные зависимости MEVC для структур, содержащих различные типы магнетика и пьезоэлектрика. При расчетах в качестве пьезоэлектрических материалов были выбраны пьезокерамика цирконат-титанат свинца (ЦТС, PZT), арсенид галлия (GaAs), кварц и гибкий пьезоэлектрик на основе поливинилиденфторида и трифторэтилена (PVDF-TrFE). В качестве магнитострикционной фазы были выбраны никель (Ni), пермендюр (Pe), представляющий сплав железа с кобальтом с небольшой добавкой ванадия и аморфный нанокристаллический сплав АМАГ 212N состава Fe81.3 B8 Si4 Ni2 Co2 Nb2 Cu0.7. Этот сплав является аналогом сплава Metglas (MG) производства США, Япония. Были изготовлены структуры на основе гибкого пьезоэлектрика PVDF-TrFe . При изготовлении вначале подложка из PVDF-TrFe поляризовалась в поле коронного разряда. Далее, на поверхность готовой пластины с двух сторон методом магнетронного распыления наносилось медное покрытие. Электрохимическое осаждение никеля на поверхность PVDF-TrFe проводилось из раствора сульфамата никеля, гексагидрата хлорида никеля и борной кислоты с добавлением сахарина при pH ∼ 3,5, T ∼ 40 °С и токе I = 6–8 A/dm2, после обезжиривания 10 % раствором КОН. Благодаря низкой температуре при осаждении удавалось сохранить поляризацию пластины. С целью получения электролитически осажденных слоев никеля с толщиной, соизмеримой с толщиной пьезоэлектрика, было проведено дальнейшее усовершенствование технологии электролитического осаждения. В результате проведенных работ удалось получить электролитические осажденные слои никеля толщиной до 50 µm, обладающие хорошей адгезией с пьезоэлектриком. Для исследования влияния толщины магнетика на величину МЭ эффекта были изготовлены структуры с толщиной никеля 10, 20 и 40 µm. Результаты экспериментальных измерений показали, что максимум эффекта достигается при толщине никеля для полученных структур равной 40 µm. Используя разработанную ранее физико-математическую модель, получено теоретическое выражение для зависимости величины эффекта от толщины магнитострикционного слоя. Результаты расчета показали хорошее согласие с результатами эксперимента. Асимметричные структуры Ni/ЦТС/АМАГ212 были изготовлены комбинированным способом: слои никеля были получены электролитическим осаждением, а слои аморфного сплава были получены методом склеивания фольги АМАГ212 с пластинкой из пьезокерамики ЦТС. Были проведены исследования частотных и полевых зависимостей величины MEVC изготовленных структур. Получены экспериментальные зависимости MEVC от частоты и величины поля подмагничивания. Анализ результатов показал, что в области изгибной моды колебаний указанные структуры имели резонансное увеличение МЭ эффекта, однако на частоте, соответствующей резонансу для планарной моды величина эффекта была на порядок меньше, чем для симметричной структуры Ni/ЦТС/Ni. Детально был исследован механизм возникновения эффекта «самосмещения» в МЭ композиционных структурах, который заключается в возникновении МЭ эффекта при отсутствии поля подмагничивания. В некоторых работах эффект «самосмещения» связан с наличием скачка намагниченности, или, согласно принятой в этих работах терминологии, «градиента намагниченности». Однако эффект «самосмещения» возникает и при отсутствии скачка и он связан с остаточной намагниченностью M_r. Для проверки данных теорий проведены экспериментальные исследования в гибридной структуре (Ni)/магнитоэлектрический композит (NFO:PZT)/Ni и в структуре со ступенчатым изменением намагниченности, состоящей из чередующихся слоев Ni/Co/Ni/NFO:PZT/Ni/Co/Ni. Результаты измерений показали, что в нулевом поле подмагничивания величина эффекта в структурах Ni/NFO:PZT/Ni значительно больше, чем в структурах Ni/Co/Ni/ NFO:PZT/ Ni/Co/Ni со ступенчатым изменением намагниченности. Исходя из этого, был сделан вывод о том, что эффект ”самосмещения“ не связан со ступенчатым изменением намагниченности, а обусловлен остаточным магнитным моментом. Используя изготовленные ранее гетероструктуры, были изготовлены классические МЭ гираторы, состоящие из катушки индуктивности, сердечником которой является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит. Получены результаты теоретических расчетов и экспериментальных измерений частотной зависимости коэффициента I/V– преобразования и нагрузочных характеристик классических гираторов. Показано, что все частотные характеристики гираторов имеют резонансный характер, резонансная частота которого зависит как от эффективной длины структуры, так и от толщины магнетика. Из анализа полученных результатов сделан вывод о том, что наиболее эффективной является конструкция, сердечником которой является трехслойная симметричная структура АМАГ212/ЦТС/ АМАГ212, состоящая из трех слоев фольги нанокристаллического сплава эпоксидно-связанного с каждой стороны с пластинкой из ЦТС. Были проведены работы по исследованию планарного МЭ гиратора. Построена физико-математическая модель планарного гиратора, позволяющая рассчитать выходные характеристики гиратора на основе физических и геометрических параметров. Получены результаты расчетов и экспериментальных измерений планарного гиратора. Анализ результатов показал, что планарный МЭ гиратор имеет более простую в изготовлении конструкцию, однако его характеристики значительно уступают характеристикам классического МЭ гиратора. Результаты работы отражены в публикациях в сети Интернет, расположенным по адресам https://portal.novsu.ru/news/97299/ и https://portal.novsu.ru/news/97346/.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при создании принципиально новых устройств с двойным управлением, в которых перестройка осуществляется как магнитным, так и электрическим полями.