Задачи на 2013 год.
В течение 2013 года были запланированы и
решались следующие залачи:
- Наблюдение поведения доменной границы в
сильных электрических полях (>3МВ/см). Проверка возможности изменения
внутренней структуры доменной границы (типа и направления разворота) под
действием электрического поля.
- Понижение управляющих напряжений до
десятка вольт с помощью перестройки микромагнитной структуры доменной границы
под действием постоянных магнитных полей. Нахождение оптимальной геометрии
эксперимента (направление магнитных полей, типы доменных структур), позволяющей
получить максимальный магнитоэлектрический эффект.
- Определение экспериментальных
зависимостей магнитоэлектрического преобразования в мультиферроидных
гетероструктурах и композитах с различными
концентрациями компонент;
- Оптимизация параметров образцов
композитных мультиферроиков на основе магнитных
материалов с разными знаками константы магнитострикции;
- Измерение магнитоупругих
свойств материалов, используемых для изготовления мультиферроиков;
- Создание компьютерных моделей устройств
спинтроники на основе магнитоэлектрических сред и мультиферроиков, работа которых основана на перестраиваемых
электрическим полем микромагнитных структурах;
- Теоретический анализ полученных
результатов и составление плана исследований на 2014 год.
Полученные за отчетный период важнейшие
научные результаты с указанием их
междисциплинарности и значимости для развития междисциплинарных
направлений
Ранее участниками проекта был обнаружен эффект
смещения доменных границ под действием поля электрически заряженной иглы. В
эпитаксиальных пленках ферритов гранатов напряжение, необходимое для смещения
доменной границы на расстояния порядка 1 мкм превышало 1кВ. В 2013 году в ходе работы над
проектом путем подбора микромагнитных конфигураций доменных границ, оптимальных
для проявления описанного выше магнитоэлектрического эффекта нам удалось
уменьшить величины управляющих напряжений до нескольких десятков вольт.
Усиление магнитоэлектрического эффекта возникает при наличии постоянного
магнитного поля порядка сотни эрстед в плоскости пленки перпендикулярно
доменной границе, которое перестраивает внутреннюю структуру доменной границы,
увеличивая связанную с ней электрическую поляризацию. Собрана установка
импульсных электрических полей для наблюдения динамики доменных границ под
действием импульсов электрического напряжения больше 3кВ. Данные исследования
развивают область, находящуюся на стыке физики магнитных явлений и физики сегнетоэлектричества.
Рис. 1 Усиленный магнитоэлектрический эффект на доменных
границах (смещения доменных границ сопоставимы с размерам доменов). Магнитооптическое изображение магнитной
доменной структуры пленки феррита граната, под действием поля электрически
заряженной иглы (черный треугольник). Красными и синими цветами выделены
магнитные доменные границы с положительными и отрицательными поверхностными
электрическими зарядами. Зелеными штриховыми линиями показаны равновесные
положения доменных границ в отсутствие электрического напряжения. Желтая
стрелка показывает направление магнитного поля, модифицирующего структуру
доменной границы.
Рассчитано и экспериментально продемонстрировано наличие нескольких типов магнитных структур в пленках феррита висмута, выращенных на подложках с различной величиной относительного рассогласования периодов кристаллических решеток пленки и подложки. Показано, что при критических величинах сжатия или растяжения, пленки феррита висмута переходят, соответственно, в легкоплоскостное или в легкоосное однородные магнитные состояния. При промежуточных величинах напряжений образуются магнитные спирали (спиновые циклоиды). Распределение спинов в циклоиде, а также ориентация плоскости циклоиды относительно кристаллографических осей зависит от величины и знака механического напряжения. Данное исследование позволяет связать такие области физики твердого тела как физика сегнетоэлектриков, физика магнитных явлений и физика поверхности и тонких пленок.
Рис. 2. Различные фазы, реализующиеся в пленках феррита висмута BiFeO3, выращенных на подложках с ориентацией (001) из материалов: (LaAlO3)0.3-(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT); SrTiO3 (STO); NdScO3 (NSO); PrScO3 (PSO); DyScO3 (DSO), GdScO3 (GSO), SmScO3 (SSO). Зелеными стрелками показано направление вектора антиферромагнетизма в феррите висмута.
Магнитореологические эластомеры (МРЭ) относятся к классу так называемых «умных» («интеллектуальных») материалов (англ. smart materials). Свое название «умные» эластомеры заслужили благодаря тому, что они чутко реагируют на многие внешние воздействия, такие как температура, давление, электрическое и магнитное поле, активно изменяя свои физические свойства, а также размер и форму. Огромный исследовательский интерес к этим материалам, состоящим из полимерной матрицы, наполненной магнитными микрочастицами, связан с тем, что наблюдаемые эффекты достигают весьма существенных значений, обуславливая успешное применение МРЭ во множестве практических задач. Все эффекты при этом являются обратимыми, то есть при возвращении начальных условий материал возвращается к своим прежним характеристикам и форме. В рамках выполнения проекта было обнаружено и исследовано новое явление в физике «умных» эластомеров – гигантское изменение эффективной диэлектрической проницаемости под действием магнитного поля (магнитодиэлектрический эффект). В эластомерах на основе порошка NdFeB, материала, который широко используется в качестве постоянных магнитов, величина эффекта достигает рекордного на настоящий момент значения 150%. Предложена модель, объясняющую столь сильный отклик материала на приложение внешнего магнитного поля.
|
|
|
|
Приближение, использовавшееся при расчете эффективной
диэлектрической проницаемости эластомера, - металлические частицы, равномерно
распределенные внутри полимерной матрицы, заменялись эквивалентным
металлическим объемом. |
Изменение диэлектрической проницаемости магнитореологических эластомеров (МРЭ) под действием
внешнего магнитного поля (магнитодиэлектрический
эффект). На графике представлены результаты для МРЭ на основе порошков железа
и NdFeB. |
В ее основе лежит изменение пространственного распределения магнитных микрочастиц в упругой матрице вследствие совокупного влияния нескольких сил - взаимодействия магнитных микрочастиц с внешним полем, упругой средой, а также друг другом.
Степень новизны полученных результатов
В проекте впервые проведено систематическое исследование влияния механических напряжений, возникающих при эпитаксиальном росте на магнитную структуру в пленках феррита висмута, впервые построена фазовая диаграмма магнитных состояний в зависимости от величины относительного рассогласования периодов кристаллических решеток пленки и подложки.
В
ходе работы над проектом впервые удалось понизить управляющие напряжения,
необходимые для
смещения магнитных доменных границ до десятков вольт.
Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем
Исследования в рамках данного проекта ведутся в русле самых современных исследований. Достаточно привести примеры близких по идеологии публикаций в ведущих научных журналах серии Nature за 2013 год, посвященных проектированию и управлению спиновыми структурами и доменными границами в тонких пленках:
Chen G. et al. Tailoring the chirality of magnetic domain walls by interface
engineering. // Nature communications. 2013. Vol. 4. P. 2671.
Haazen P.P.J. et al. Domain wall depinning
governed by the spin Hall effect. // Nature materials.
2013. Vol. 12, № 4. P. 299–303.
Emori S. et al. Current-driven dynamics of chiral ferromagnetic domain walls // Nature materials. 2013. Vol. 12, № June. P. 611–616.
Lei N. et al. Strain-controlled magnetic domain wall propagation in hybrid piezoelectric/ferromagnetic structures. // Nature communications. 2013. Vol. 4. P. 1378.
Проектирование спиновых структур открывает новые перспективы для создания на основе феррита висмута и пленок ферритов гранатов устройств спиновой электроники и магноники.
Мировой уровень работ, ведущихся в данном проекте, также подтверждается публикациями в ведущих международных журналах: Nature Materials, Soft matter
Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта
(описать,
уделив особое внимание степени оригинальности и
новизны)
В проекте для получения новых функциональных материалов спинтроники и магноники использовалась метод «strain engineering» (проектирование материалов с заданными свойствами за счет создания механических деформаций), который доказал свою эффективность при модификации структуры и свойств тонких пленок перовскитных материалов [Schlom, D. G. et al. Strain tuning of ferroelectric thin films. Annu. Rev. Mater. Res. 37, 589–626 (2007).]. В данном проекте стратегия «strain engineering» применяется для модификации спиновых структур в магнитных материалах, что является новаторским подходом.
Для усиления магнитоэлектрических свойств доменных границ использовался метод перестройки их внутренней структуры магнитным полем, направленным нормально к плоскости доменной границы. Этот метод в 2013 стал применяться в спинтронике при исследовании динамики стенок под действием импульсов спинового тока [Haazen P.P.J. и др. Domain wall depinning governed by the spin Hall effect. // Nature materials. 2013. Т. 12. № 4. С. 299–303]. Для изучения магнитоэлектрических свойств доменных границ этот метод был использован впервые в ходе выполнения данного проекта.
Список публикаций по проекту.
1.
А.С. Сергеев, Д.А. Сечин, О.В. Павленко, Е.П. Николаева, А.В. Николаев, Т.Б.
Косых, А.П. Пятаков, ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МИКРОМАГНИТНУЮ СТРУКТУРУ И
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ
ФИЗИЧЕСКАЯ, том 77, № 10, с. 1523–1526 (2013)
2.
D. Sando, A. Agbelele, D. Rahmedov, J. Liu, P. Rovillain, C. Toulouse, I. C. Infante,
3. А.Д. Сизов, А.М. Монахов, А.М. Власов, Д.А. Сечин, Г.А. Мешков, Управляемое электрическим полем движение магнитных доменных границ как принцип работы устройств спинтроники. Ученые записки физического факультета МГУ, т.1, №6, 136302 (7 страниц) (2013)
4. Semisalova A.S., N.S. Perov, G.V. Stepanov, E.Yu. Kramarenko, A.R. Khokhlov. Strong magnetodielectric effect in magnetorheological elastomers. Soft Matter 9(47) (2013) pp. 11318 11324.
ТЕЗИСЫ
5.
A.M. Vlasov, A.P. Pyatakov, A.V. Nikolaev, G.A. Meshkov, E.P. Nikolaeva, ELECTRIC FIELD INDUCED DYNAMICS
OF MAGNETIC
DOMAIN WALLS, V Euro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism”: Nanomagnetism, Abstracts, 15-21 September 2013, Vladivostok, p.58 (2013)
6.
Pyatakov A.P., Zvezdin A.K., Pyatakova Z.A. Spin modulated structures in multiferroic films (Invited report), International Conference “Functional Materials”, September 25 - October 5, ICFM-2013, Abstracts, 2013, Crimea, Ukraine, Yalta, Gaspra, p. 230
7.
N.S. Perov, M.F. Khairullin, A.S. Semisalova, I.V. Dementsova,