Новый композитный материал отличается низкими диэлектрическими потерями и высокой чувствительностью к внешнему электрическому и магнитному полю, что позволяет создавать на его основе новые сверхвысокочастотные устройств с двойным управлением.
Материалы, сочетающие магнитные и сегнетоэлектрические свойства, известные как мультиферроики, обладают большим потенциалом для создания многофункциональных электронных устройств нового поколения: датчиков электромагнитного поля, магнитоэлектрических элементов и СВЧ-компонентов с электрическим и магнитным управлением.
Однако их практическое применение долгое время сдерживалось рядом фундаментальных проблем. Однофазные мультиферроики демонстрируют слабую связь между электрической и магнитной подсистемами при комнатной температуре, а композитные материалы, состоящие из физически разделенных фаз, чаще всего синтезируются в объемном виде, что требует приложения больших величин электромагнитного поля для управления. Кроме того, большинство исследуемых сегодня мультиферроидных материалов не рассматриваются для работы на сверхвысоких частотах из-за высоких диэлектрических потерь.
По этим причинам разработка новых мультиферроидных композитных материалов, обладающих низкими сверхвысокочастотными потерями и демонстрирующих сильный магнитоэлектрический отклик при комнатной температуре, является актуальной задачей.
«Для преодоления существующих ограничений мы применили технологию толстых композитных пленок, формируемых методом низкотемпературного спекания. Такой подход позволяет минимизировать влияние подложки на мультиферроидные свойства материала, избежать образования нежелательных вторичных фаз и легко регулировать состав композита. Благодаря этому нам удалось совместить сегнетоэлектрик и феррит как равноправные компоненты, чтобы получить материал, чувствительный одновременно к электрическому и к магнитному полю. Воздействуя на полученный композит, мы можем изменять его диэлектрическую и магнитную проницаемость, и реализовать СВЧ элементы с двойным управлением. В перспективе такие композиты можно использовать для создания перестраиваемых СВЧ устройств – конденсаторов с управляемой емкостью, фазовращателей или фильтров для систем связи и телекоммуникаций», – рассказал рофессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрей Вилевич Тумаркин.
В работе ученые использовали в качестве сегнетоэлектрического компонента твердый раствор титанатов бария и стронция, обладающий высокой диэлектрической нелинейностью в СВЧ диапазоне, а в качестве магнитного – промышленный феррит никеля. Порошки смешивались в различных пропорциях, с добавлением борного ангидрида для улучшения спекания и карбоксиметилцеллюлозы в качестве связующего вещества. Полученная суспензия наносилась на диэлектрическую подложку из оксида алюминия и подвергалась низкотемпературному отжигу при температурах от 500 до 800 °C.
Кристаллическая структура и фазовый состав полученных образцов изучались методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии. Электрические и магнитные характеристики исследовались на частоте 1 ГГц с помощью резонансных методик.
В результате работы были успешно синтезированы мультиферроидные композиты в виде толстых пленок толщиной около 100 мкм. Рентгенофазовый анализ подтвердил отсутствие вторичных кристаллических фаз, что доказывает эффективность выбранного режима низкотемпературного спекания. Образцы продемонстрировали диэлектрическую проницаемость от 80 до 160 и низкие диэлектрические потери на частоте 1 ГГц. Впервые удалось не только получить сегнетоэлектрический/ферритовый композит с перспективным для СВЧ-техники уровнем потерь, но и продемонстрировать возможность контроля намагниченности материала в пределах 30% путем изменения внешнего поля намагничивания.
В планах – переход от лабораторного нанесения покрытий к промышленным технологиям формирования толстопленочных структур, таким как центрифугирование или шликерное литье, что необходимо для интеграции материалов в коммерчески выпускаемые управляемые конденсаторы и СВЧ-устройства.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Glass Physics and Chemistry.
Фото: пресс-служба ЛЭТИ, etu.ru
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.