Магнитоэлектрический материал

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Бушинский Максим Владиславович Шаповалова Елена Федоровна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Магнитоэлектрический материал, содержащий ,ии имеющий орторомбически искаженную кристаллическую решетку, отличающийся тем, что дополнительно содержитив соотношении, соответствующем химической формуле (1-)3-3,где 0,2 х 0,4. Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к магнитным материалам, в которых сосуществуют магнитное и электрическое упорядочения, - мультиферроикам 1. С одной стороны, использование мультиферроиков в устройствах,преобразующих информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и наоборот, привлекательно при решении насущных задач сенсорной техники, магнитной памяти и микроэлектроники, в частности спинтроники, стремящейся соединить достоинства энергонезависимой магнитной памяти и быстродействующих электрических систем обработки информации. С другой стороны, эти материалы в обычных условиях демонстрируют сильные магнитоэлектрические свойства и могут применяться как энергонезависимые среды в электрооптических устройствах, в частности в энергонезависимых дисплеях и электрооптических модуляторах. Преобразование магнитного поля в электрическое напряжение с помощью мультиферроиков не требует протекания электрических токов, что снижает омические потери диэлектрические свойства мультиферроиков избавляют также от потерь, связанных с вихревыми токами. Емкостные элементы на основе мультиферроиков лучше совместимы с планарной технологией, требованиями миниатюризации и необходимостью создания больших напряженностей магнитного поля в малых объемах. Многие мультиферроики кристаллизуются в структуры, схожие с магнитными полуметаллами, что позволяет комбинировать эти материалы в многофункциональные эпитаксиальные гетероструктуры, где слой мультиферроика используется как сегнетоэлект 12053 1 2009.06.30 рический туннельный переход, управляемый магнитным полем, или магнитный туннельный переход, управляемый электрическим полем 2. Известен магнитоэлектрический материал, представляющий тонкую пленку, полученную осаждением на подложку прекурсора, содержащего редкоземельный металл из группы(, , , , , , , , , , , , , ,и ) и неметалл из группы Н, С, , , , , , , , Те, причем неметаллические компоненты прекурсора содержат от 0 до 80 кислорода, и последующим нагревом до 1000 С в окислительной атмосфере 3. Материал, описываемый в указанной работе, близок к заявляемому техническому решению и выбран в качестве аналога предлагаемого изобретения. Недостатком его является сложный многокомпонентный состав, дорогостоящая техника и многоступенчатая сложная технология получения магнитоэлектрического материала. Известен магнитоэлектрический материал (мультиферроик), который представляет собой металлооксидную пленку, содержит , , О, имеет кристаллическую решетку тетрагональной или орторомбической системы 4. По своей сущности этот материал наиболее близок к предполагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого технического решения является то, что в обоих случаях в качестве функционального материала для изготовления магнитоэлектрического материала используется феррит висмута. К недостаткам указанного материала следует отнести использование многоступенчатой сложной технологии, большие затраты на его получение и невысокую намагниченность и электрическую поляризацию. Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка керамического магнитоэлектрического материала на основе феррита висмута с высокой намагниченностью и электрической поляризацией при использовании более простой технологии изготовления,требующей меньших затрат. Поставленная задача решается путем получения магнитоэлектрического материала,содержащего , , О и имеющего орторомбически искаженную кристаллическую решетку. Новым, по мнению авторов, является то, что он дополнительно содержит Са ив соотношении, соответствующем химической формуле (1-)33, где 0,2 х 0,4. Сущность изобретения заключается в том, что в магнитоэлектрическом материале на основе феррита висмута введение катионов Са 3 в узлы 3,4 в позиции 3 вызывает в ромбоэдрической структуре 3 орторомбические искажения, приводящие к изменению типа магнитного упорядочения, увеличению спонтанной намагниченности и электрической поляризации за счет изменения обменных взаимодействий в результате различного искажения кислородных октаэдров, окружающих катионы . В результате получен магнитоэлектрический керамический материал, представляющий твердый раствор феррита висмута и сегнетоэлектрического титаната кальция (1-)3-3(0,2 х 0,4). Замена части ионов 3 (20 - 40 ) на Са 2 приводит к росту спонтанной намагниченности более чем вдвое (0,1 э.м.е./г при х 0,4) и одновременно увеличивает электрическую поляризацию по сравнению с прототипом, поскольку введение катионов Са 2 в узлы 3,4 в позиции 3 вызывает в ромбоэдрической структуре 3 орторомбические искажения, при этом антиферромагнитное упорядочение переходит в неколлинеарную структуру неспаренных спинов ионов 3 в соответствии с антисимметричным взаимодействием Дзялошинского-Мория, изменяются длины и углы связи, а значит и обменные взаимодействия в решетке перовскита, что сказывается на увеличении намагниченности материала в 2-3 раза. Введение катионов Са 2 приводит также к значительному смещению ионов 3 и 4 из центра октаэдрических пор и, как 2 12053 1 2009.06.30 следствие, возникновению спонтанной электрической поляризации. В результате увеличивается как спонтанная намагниченность, так и электрическая поляризация предлагаемого магнитоэлектрического материала по сравнению с прототипом. Таким образом, при использовании заявляемого технического решения достигается повышение как намагниченности, так и поляризуемости материала на основе феррита висмута, тем самым улучшаются его магнитоэлектрические характеристики. Пример конкретного осуществления. Образцы (1-)3-3 (0,2 х 0,4) приготавливаются по обычной керамической технологии. Исходными реагентами были оксиды и карбонаты 23, 2, СаСО 3,23, смешанные на планетарной шаровой мельнице 100 в стехиометрической пропорции. Время помола составляло от 40 до 90 мин. Затем образцы обжигались при температуре от 870 до 1100 С на воздухе в течение 5-15 мин. Рентгенографический и нейтронографический анализ показал, что образцы (1-)3-3 (0,2 х 0,4),полученные на воздухе, характеризуются орторомбически искаженной структурой перовскита. Исследование магнитоэлектрического эффекта в полученных составах показало наличие характеристик мультиферроика, что подтверждается полученными петлями гистерезиса Р(Е) (поляризация - электрическое поле) и М(Н) (намагниченность - магнитное поле). Полученные зависимости поляризации от величины электрического поля Р(Е) для составов с различным содержанием кальция представляют типичные для сегнетоэлектрика петли гистерезиса. С ростом содержания кальция наблюдалось увеличение поляризации и для образца х 0,4 получены величины остаточной поляризации Р 30 К/см 2 и коэрцитивного поля 32 кВ/см. Зависимости намагниченности от величины магнитного поля М(Н) при комнатной температуре для составов с разным содержанием кальция представляют также симметричные петли гистерезиса, свидетельствуя о наличии магнитного упорядочения. Остаточная намагниченность растет с ростом содержания кальция от 0,06 до 0,09 э.м.е./г. Намагниченность насыщения растет с увеличением концентрации кальция и для состава х 0,4 превышает 0,1 э.м.е./г. При добавлении менее 20 или более 40 титаната кальция магнитоэлектрические характеристики полученного материала ухудшаются. Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемый магнитоэлектрический материал на основе феррита висмута обладает повышенной намагниченностью и поляризуемостью и может быть получен с меньшими затратами,в то время как известный магнитоэлектрический материал обладал в 2-3 раза меньшей спонтанной намагниченностью и электрической поляризацией и требовал для своего получения сложной аппаратуры и значительных затрат. Источники информации 1..,,. . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3