| Объявленные ранее цели проекта и основные задачи проекта на 2012 год: На 2012 год были поставлены следующие цели: Измерить количественные зависимости магнитоэлектрических эффектов, наблюдающихся на магнитных доменных границах: зависимости параметров доменных границ от величины электрического поля; зависимость электрической поляризации доменной границы от магнитного поля, трансформирующего микромагнитную структуру границы. Экспериментально и теоретически исследовать магнитоэлектрические эффекты, связанные с микромагнитными структурами с более сложной геометрией, чем изученная ранее полосовая доменная структура, а именно: влияние электрического поля на доменные головки и цилиндрические магнитные домены (ЦМД); распределение плотностей электрических зарядов, связанных с магнитными неоднородностями в доменных границах - вертикальных линиях Блоха. В области изучения макроскопических мультиферроиков и мультиферроидных композитов и гетероструктур разработать новые образцы на основе материалов различных типов с последующим проведением их комплексных исследований, в частности: исследовать изменений магнитных и электрических свойств образцов в широком диапазоне частот при различных дополнительных воздействиях (поляризация, деформация и т.п.); исследовать свойства пленочных мультиферроиков; экспериментально исследовать релаксационные характеристики магнитоэлектрических материалов и их зависимости от внешних воздействий различного типа. Провести теоретический анализ экспериментальных данных и существующих тенденций развития систем хранения, передачи и обработки информации и разработка подходов, основанных на использовании мультиферроиков. |
| Степень выполнения поставленных в проекте задач: Поставленные в проекте задачи выполнены полностью. Полученные результаты опубликованы в журнальных статьях и доложены на международных конференциях. |
| Полученные за отчетный период важнейшие результаты: В соответствии с поставленными на 2012 год задачами за прошедший период были получены следующие результаты: 1) Получены экспериментальные и теоретические данные о влиянии магнитного поля на магнитоэлектрические свойства магнитных доменных границ в магнитных диэлектриках. Показано, что магнитное поле, изменяя микромагнитную структуру доменной границы, влияет на знак и величину электрической поляризации доменной границы. В критических полях ~100 Э, направленных перпендикулярно плоскости доменных границ, магнитная доменная структура в пленках феррит-гранатов становится чрезвычайно чувствительна к электрическому полю, что позволяет снизить управляющие напряжения на порядок. Помимо фундаментальной значимости обнаруженной взаимосвязи между дисциплинами, развивавшимися до того раздельно - электростатикой и магнитостатикой, данное явление представляет несомненный и практический интерес для наноэлектроники, поскольку при уменьшении размеров электродов до субмикронных управляющие напряжения должны также снизиться до единиц вольт. 2) Теоретически рассмотрен механизм неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия, обуславливающего электрическую поляризацию магнитных неоднородностей и возникновение магнитных спиралей в мультиферроиках на примере феррита висмута. Показана взаимосвязь константы магнитоэлектрического взаимодействия с константой, отвечающей за слабый ферромагнетизм в феррите висмута. Одновременное существование спиновой циклоиды и локального скоса подрешеток объясняется тем, что эти два явления связаны с независимыми искажениями решетки, соответствующими ортогональным (полярным и аксиальным) модам кристалла. По величине магнитного момента в расчете на один ион железа иона mFe ~ 0.09 ?B/Fe в BiFeO3, проведена оценка константы флексомагнитоэлектрического взаимодействия, результат которой совпадает с ранее проведенными оценками, полученными на основе данных о величине обменной жесткости и периоде спиновой циклоиды. 3) Предложены различные типы устройств, действие которых основано на перестраиваемой электрическим полем микромагнитной структуре: логические элементы на магнитных вихрях, электромагнитооптические затворы, элементы энергонезависимой памяти с электрической записью и магнитным считыванием. В последних двух типах устройств предлагается использовать наблюдаемый в наших экспериментах эффект движения доменных границ под действием электрического поля. 4) Исследована антиферромагнитная доменная структура мультиферроика при наличии сегнетоэлектрической доменной структуры. Показано, что неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие приводит к закреплению антиферромагнитных доменных границ на границах сегнетоэлектрических доменов, а также к изменению структуры антиферромагнитных доменных границ. 5) Измерены магнитоэлектрические характеристики композитных мультиферроидных структур, содержащих два магнитных слоя с одинаковой по модулю но противоположной по знаку магнитострикцией. Показано, что использование такой конфигурации существенно увеличивает амплитуду изгибных колебаний структуры, в том числе, на частоте резонанса. Величина магнитоэлектрического коэффициента на частоте резонанса увеличивается более чем в три раза, по сравнению с его значением для двухслойной структуры аналогичных размеров. 6) Исследованы магнитореологические эластомеры на основе FeNdB в полимерной матрице с различными упругими свойствами. Показано анизотропное влияние внешнего магнитного поля на эффективную диэлектрическую проницаемость. Исследование влияния магнитного поля на диэлектрическую проницаемость в материалах на основе матриц с различными упругими характеристиками показало, что, чем эластичнее полимер, тем более значительный эффект наблюдается. Предложено объяснение, основанное на анализе механических, магнитных и электрических свойств композита и его компонент. 7) Исследовано влияние деформации сжатия магнитореологического мультиферроика на зависимость диэлектрической проницаемости от внешнего магнитного поля. Обнаружено уменьшение эффекта, вызванного магнитным полем, при увеличении деформации. Результат объясняется в рамках разработанной модели эффекта. В материале эластомера, находящегося под нагрузкой и, следовательно, испытывающего деформацию, смещение и поворот магнитных частиц под влиянием внешнего магнитного поля существенно ограничен по сравнению со случаем, когда образец не испытывает нагрузки. Поэтому изменение диэлектрической проницаемости, связанное со смещением частиц и изменением среднего эффективного расстояния между ними, не так значительно по сравнению с недеформированным образцом. 8) Обнаружена нетипичная полевая зависимость магнитной восприимчивости магнитореологических эластомеров в скрещенных электромагнитных полях. 9) В соответствии с заявленными целями поиска новых типов мультиферроиков, проведено исследование гексагонального ортоферрита LuFeO3, допированного кобальтом, изучен слабый ферромагнетизм, наблюдаемый при температурах ниже 120 К. Установлено, что допирование кобальтом приводит к появлению многочисленных дефектов упаковки, показано отличие указанного материала от гексагональных манганитов, позволяющее рассматривать его в качестве нового перспективного мультиферроидного материала. Полученные результаты отличаются оригинальностью и новизной, лежат на стыке различных областей физики, химии и механики и открывают широкие перспективы для практических применений исследованных материалов, а также для их дальнейших исследований. По результатам исследований в 2012 году были подготовлены и опубликованы 3 печатные работы в ведущих российских и международных журналах (всего по результатом проекта опубликовано пять статей), а также подана заявка на патент. Результаты работ по проекту доложены на международных научных конференциях. Частично результаты проекта использованы при подготовке кандидатской диссертации исполнителем проекта Фетисовым Л.Ю. (защищена в декабре 2012 года) и докторской диссертации исполнителем проекта Пятаковым А.П. (защита запланирована на март 2013 года). |
| Степень новизны полученных результатов: Все результаты, полученные исполнителями проекта, являются новыми и получены впервые. |
| Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем: Все результаты соответствуют мировому уровню, а в некоторых случаях и превосходят его. |
| Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта: Для экспериментальных исследований микромагнитных структур использовалась установка для магнитооптического наблюдения быстро протекающих процессов в магнитных средах на основе объединения методов высокоскоростной фотографии и анизотропного темнопольного наблюдения, разработанная и изготовленная исполнителями проекта. Микромагнитное моделирование структур, образующихся в магнитоэлектрических пленках, было проведено с помощью пакета программ SpinPM, разработанного участниками проекта. Влияние электрического поля на микромагнитную структуру магнитоэлектрических кристаллов было рассчитано в приближении эффективного магнитного поля. Эффективное магнитное поле, учитывающее неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие, было включено в уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта, которое решалось численно. При изучении магнитоэлектрических свойств композитных материалов были предварительно исследованы механические, магнитные, магнитоэлектрические свойства как исходных компонент, так и полученных микро- и макрообразцов в статических и в переменных полях широкого диапазона частот. Следует отметить, что подобного рода комплексные исследования композитных мультиферроиков различных типов пока не проводились и выполнены впервые. Оригинальным является изучение магнитоэлектрических свойств магнитоэластиков и композитных мультиферроидных структур на основе полимерных пьезоэлектриков. Важно отметить, что для экспериментального изучения влияния упругих напряжений на магнитоэлектрический эффект в магнитореологических эластомерах была разработана и собрана оригинальная измерительная ячейка, позволяющая прикладывать механические напряжения, вызывающие деформацию образца вплоть до 30%. Кроме того, была разработана оригинальная методика измерения полевой и частотной зависимости магнитной восприимчивости указанных материалов. Новизна проведенных в рамках данного проекта исследований состоит в комплексном и многоплановом изучении свойств мультиферроиков различного типа, а также в успешном поиске новых мультиферроидных материалов. Отдельно следует отметить, что при изучении прямого и обратного магнитоэлектрических эффектов использовались как статические, так и динамические воздействия в широком диапазоне частот. Впервые было исследовано влияние внешних механических напряжений на магнитоэлектрический эффект в магнитореологических эластомерах. Впервые была осуществлена экспериментальная проверка модельного описания изменения диэлектрической проницаемости под действием магнитного поля на серии образцов с различными упругими характеристиками полимерной матрицы. |
| Количество научных работ, опубликованных в ходе выполнения проекта: 13 |
| Из них включенных в перечень ВАК: 3 |
| Из них включенных в системы цитирования: 3 |
| Количество научных работ, подготовленных в ходе выполнения проекта и принятых к печати в 2012 г.: 7 |
| Полученные в ходе выполнения проекта результаты-объекты интеллектуальной собственности : Заявка №2012129715 от 16.07.2012 года "Магнитный эластомер" |
| Участие в научных научных мероприятиях по тематике проекта, которые проводились при финансовой поддержке Фонда: 1 |
| Участие в экспедициях по тематике проекта, проводимых при финансовой поддержке Фонда: нет |
| Финансовые средства, полученные от РФФИ: 2000000 руб. |
| Адреса ресурсов в Internet, подготовленных авторами по данному проекту: http://magn.ru/Rus/rfbr/RFFI-11-02-12170.htm |
| Библиографический список всех публикаций: 1. A.R. Akbashev, V.V. Roddatis, A.L. Vasiliev, S. Lopatin, A.S. Semisalova, N.S. Perov, V.A. Amelichev and A.R. Kaul. Reconstructed stacking faults in cobalt-doped hexagonal LuFeO3 revealed by mapping of cation distribution at the atomic scale// CrystEngComm. –2012. – V.14. – p.5373–5376. 2. В.В. Самсонова, П.П. Умнов, В.В. Молоканов, В.В. Родионова, Н.С. Перов, Е.Е. Шалыгина Влияние температуры отжига «толстого» микропровода на его магнитные свойства// Сборник трудов XXII международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах”. – Астрахань. - Изд."Астраханский университет".– 2012. – №. Пн – С19. 3. Деменцова И.В., Хайруллин М.Ф., Семисалова А.С., Перов Н.С. Новые возможности в использовании «умных» магнитоуправляемых материалов // Конференция Ломоносов. – Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова. – Москва.– 2012. 4. N.S. Perov, A.S. Semisalova, M.F. Khairullin, I.V. Dementsova, E.Yu. Kramarenko, G.V. Stepanov, I.V. Bakeeva, E.A. Egorova, A.G. Muradova, E.V. Yurtov. Magnetoelastics properties dependences on magnetic field // Сборник трудов V-ой Байкальской международной конференции. – Иркутск. – 2012.–О2. 5. N.S. Perov, A.S. Semisalova, E.Yu. Kramarenko, A.R. Khokhlov, G.V. Stepanov. Investigation of magnetic-field tunable properties of magnetorheological elastomers // Book of abstracts The 19th international conference on magnetism. – Korea. – Busan.– 2012. – p.243. 6. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K., Meshkov G.A., Sechin D.A., Sergeev A.S., Nikolaeva E.P., Nikolaev A.V., and Logginov A.S., New horizons of micromagnetism: magnetic domain walls and vortices as sources of electric polarization, International Conference “Functional Materials”, ICFM 2011. – Partenit, Crimea, Ukraine. – 2011. – Abstracts book, p.204 7. A.P. Pyatakov, G.A. Meshkov, A.K. Zvezdin, Electric polarization of magnetic textures// JMMM. – 2012. – V.324.– I.21. – p. 3551-3554. 8. Kramarenko E.Yu., Khokhlov A.R., Stepanov G.V., Semisalova A.S., Andrianov T.A., Perov N.S. "Giant magneto-permittivity in magnetorheological elastomers" Program and Abstracts of The Asia-Pacific Interdisciplinary research conference 2011. – Toyohashi, Aichi. –2011. – p.187, 9. Kramarenko E.Yu., Stepanov G.V., Chertovich A.V., Perov N.S., Khokhlov A.R. "Viscoelastic Behavior of Magnetic Elastomers Depending on Composition and Magnetic Field" Abstracts of the European Polymer Congress. – Institute of Science and Technology of Polymers, Madrid. – Granada. –2011. – p.123. 10. Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю., Степанов Г.В., Семисалова А.С. "Особенности свойств магнитоэластиков в скрещенных постоянном магнитном и переменном электромагнитном полях" Программа и аннотации докладов заседания секции "Магнетизм" Научного Совета РАН по физике конденсированных сред. – Москва. – 2011. – стр.6. 11. Sreenivasulu G., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Srinivasan G. Piezoelectric single crystal langatate and ferromagnetic composites: Studies on low-frequency and resonance magnetoelectric effects// Applied Physics Letters. – 2012. – V.100. – art. 052901. 12. Пятаков А.П. и Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики// Успехи физических наук. – 2012. – Т.182. – №6. – с. 593-620. 13. Zvezdin A.K., Pyatakov A.P. On the problem of coexistence of the weak ferromagnetism and the spin flexoelectricity in multiferroic bismuth ferrite// A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics (Europhys. Lett.) – 2012. – V.99. – art. 57003 (3 pages). |