В недавнем сообщении ученых из Virginia Polytechnic Institute (США) говорится о том, что в эпитаксиальной нанокомпозитной пленке был измерен магнитоэлектрический эффект [1]. Чтобы оценить значение этого результата, необходим небольшой экскурс в область магнитоэлектрических композитных материалов

Магнитоэлектрическими называют вещества, в которых магнитное поле порождает электрическую поляризацию и, наоборот, электрическое поле порождает намагниченность, причем речь идет о статических, а не меняющихся во времени полях, что отличает магнитоэлектрические явления от электромагнитных. С момента открытия магнитоэлектрических эффектов в веществе прошло почти полвека, за это время было обнаружено множество соединений с магнитоэлектрическими свойствами, но они в большинстве своем проявляют их только при низких температурах. Вот почему исследователи обратились к другой возможности – созданию искусственных композитных сред с магнитоэлектрическими свойствами [2].

Первые попытки создать магнитоэлектрические композиты были предприняты в 70-x годах прошлого столетия. Это были смеси двух порошков: первый – магнитострикционный, его частички деформировались под действием магнитного поля; второй представлял собой пьезокерамику, электрически поляризующуюся при деформации. Если такую смесь помещали в магнитное поле, то частицы магнитострикционного материала, деформируясь, механически воздействовали на соседние частицы пьезоэлектрического материала, а те электрически поляризовались, порождая разность потенциалов на границах композита. Получалось своего рода произведение эффектов: “магнито-упругий” ´ “упруго-электрический" = магнитоэлектрический.

Рис 1. Композитные материалы: а) объемные, б) слоистые, в) столбчатые

Однако невозможность надежного контроля химического состава и микроструктуры таких объемных композитов приводило к тому, что величины эффектов менялись от образца к образцу, а слияние частичек магнитострикционной фазы в проводящие каналы (рис. 1а) резко ухудшало диэлектрические свойства материалов. Неудача с первыми композитами привела исследователей к идее слоистых композитов, которые состояли из чередующихся слоев магнитострикционного и пьезоэлектрического материала (рис. 1б), склеенных вместе (для этой цели чаще всего использовался обыкновенный эпоксидный клей). Такое четкое разделение слоев позволило лучше контролировать химический состав, также исключалась возможность образования проводящих каналов в вертикальном направлении. Высокие величины магнитоэлектрических коэффициентов слоистых структур (до 10 В/(см·Э)) позволяют создавать на их основе датчики магнитного поля с чувствительностью до 1 нТл.

Нанотехнологический век диктует свои стандарты: лучше, если структуры будут самоорганизовываться при эпитаксиальном росте. Первые попытки создать такие структуры были предприняты в 1994 г., но они дали обескураживающие результаты: величины магнитоэлектрических эффектов были незначительны в сравнении с многослойными структурами. Причиной тому служило жесткое сцепление слоев с подложкой, на которую осаждалась пленка, что мешало деформации в плоскости (а значит, и деформации в перпендикулярном направлении, напрямую связанной с первой коэффициентом Пуассона). Решение этой проблемы было найдено спустя десять лет [3] c изготовлением столбчатых наноструктур, в которых связь с подложкой уже не препятствовала растяжению/сжатию столбцов в вертикальном направлении (рис. 1 в). Самоорганизация таких структур наблюдается при гетероэпитаксии – одновременном осаждении на подложку двух фаз: пьезоэлектрической и магнитострикционной. При этом та из фаз, которая не смачивает поверхность подложки, самоорганизуется в столбики, а вторая образует матрицу.

Несмотря на то, что первые такие столбчатые структуры были синтезированы в 2004 г., в них долгое время не удавалось напрямую наблюдать магнитоэлектрический эффект — о взаимодействии двух компонент можно было догадываться только по косвенным признакам, например, в виде скачка намагниченности вблизи температуры сегнетоэлектрического перехода или переключения намагниченности в относительно небольшом магнитном поле 700 Э при одновременном приложении электрического поля смещения. Сложности с непосредственным измерением магнитоэлектрического эффекта были связаны с низким сопротивлением пленок (наличие токов утечки), а также с тем, что при уменьшении толщины пленок до 100 нм величины измеряемых электрических напряжений составляют уже микровольты.

В недавней работе [1] для измерения магнитоэлектрического сигнала традиционная схема с использованием индуктивных катушек для создания переменного магнитного поля была заменена механической колебательной системой, в которой переменное поле создавалось вибрирующими постоянными магнитами. Таким образом удавалось избежать электрических наводок в катушках, индуктивно связанных с проводами, прикрепленными к образцу для измерения электрического напряжения. Измерения велись на гетероэпитаксиальных пленках (толщиной от 150 нм до 2.4 мкм) со столбчатыми структурами (феррит CoFe₂O₄ со структурой шпинели, диаметр столбиков ~100нм) в матрице из пьезоэлектрического материала (феррит висмута BiFeO₃). В результате удалось показать, что они не только проявляют ферромагнитные и сегнетоэлектрические свойства, свойственные каждому из компонентов по отдельности (поляризация насыщения 60 мкКл/см², намагниченность 400 Гс), но также характеризуются взаимосвязью между магнитной и электрической подсистемами в виде магнитоэлектрического эффекта 20 мВ/(см·Э). Несмотря на относительно небольшую величину эффекта, этот результат открывает путь к созданию нанокомпозитных материалов, на основе которых можно создавать миниатюрные датчики магнитного поля и устройства спинтроники.

А. Пятаков

• 1. Li Yan et al., Appl. Phys. Lett. 94, 192902 (2009)
• 2. М.И.Бичурин и др., Магнитоэлектрические материалы, М.: изд. «Академия Естествознания», 2006
• 3. H.Zheng et al., Science, 303, 661 (2004)