Исследование композитных мультиферроиков на основе сегнетоэлектрических монокристаллов с целью создания высокочувствительных магнитных сенсоров, в том числе для медицинских приборов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10265

НазваниеИсследование композитных мультиферроиков на основе сегнетоэлектрических монокристаллов с целью создания высокочувствительных магнитных сенсоров, в том числе для медицинских приборов

Руководитель Киселев Дмитрий Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые слова Мультиферроики, композитные материалы, магнетоэлектрический эффект, бидоманные сегнетоэлектрики, ниобат лития, магнитные датчики, эквивалентный шум, монокристаллы

Код ГРНТИ47.09.53

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект посвящен исследованию магнитоэлектрических свойств композитных мультиферроиков на основе монокристаллических сегнетоэлектриков с искусственно заданной доменной структурой с нанесенными магнитострикционными слоями, разработке методов изготовления датчиков сверхслабых магнитных полей (уровня долей пТл) на основе этих материалов, теоретическому обоснованию и экспериментальному изучению факторов, влияющих на чувствительность таких датчиков к магнитному полю, а также разработке решений, направленных на максимизацию соотношения “полезный сигнал-шум”, и предложений по конструктивным особенностям и технологическим аспектам изготовления высокочувствительных магнитосенсорных систем для применения в устройствах магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. Среди возможных применений композитных мультиферроиков одним из наиболее перспективных и близких к практической реализации является создание на основе таких материалов высокочувствительных сенсоров сверхслабых магнитных полей. Существует ряд приложений, в которых использование сенсоров магнитного поля на основе композитных мультиферроиков, не требующих охлаждения до криогенных температур (в отличие от сенсоров магнитного поля основе сверхпроводящих квантовых интерферометров СКВИДов), является оправданным. К таким областям применения можно отнести высокочувствительные миниатюрные магнетометры промышленного и исследовательского классов для бесконтактного измерения сверхслабых токов в маломощных устройствах и электронных схемах, а также в живых организмах. На сегодняшний день наилучшие из достигнутых пределов детектирования магнитных полей с помощью датчиков на основе композитных мультиферроиков позволяют надежно детектировать магнитные поля, индуцируемые токами α-ритма головного мозга с амплитудами в единицы пТл (магнитоэнцефалография). С другой стороны, для исследования активности коры головного мозга необходимо уметь с высокой степенью достоверности измерять магнитные поля, на 1 - 2 порядка меньшие. В настоящий момент такой уровень чувствительности датчика на основе композитного мультиферроика не реализован ни одним из исследовательских коллективов мира. Ранее коллективом заявителей был предложен ряд методик, позволяющих получать доменные структуры типа “голова-к-голове” и “хвост-к-хвосту” в монокристаллических пластинах 180°-ных сегнетоэлектриков ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3) большой площади. Механоэлектрический отклик от таких бидоменных кристаллов значительно выше, чем от кристаллов монодоменных за счет деформации по биморфному принципу. Нанося на бидоменные кристаллы магнитострикционный слой, можно достичь значительного снижения рабочих частот сенсора магнитного поля, увеличить его чувствительность и снизить механические потери в материале. В связи с новизной указанных работ, предложенный нами материал является уникальным и по имеющимся на настоящий момент данным не имеет мировых аналогов. Предлагаемый проект направлен на дальнейшее фундаментальное развитие этого направления и закрепление лидерства в описываемой области. При этом улучшение характеристик сенсора сверхслабых магнитных полей будет проводиться одновременно по нескольким направлениям, включая инженерию сегнетоэлектрических доменов пьезоэлектрического материала, вариации геометрии, кристаллографического среза, выбор наиболее эффективного магнитострикционного материала, что создаст условия для теоретического описания всех перечисленных факторов и позволит многократно снизить эквивалентный магнитный шум и повысить чувствительность.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Турутин А.В., Видал Ж.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Холкин А.Л., Соболев Н.А. Highly sensitive magnetic field sensor based on a metglas / bidomain lithium niobate composite shaped in form of a tuning fork Journal of Magnetism and Magnetic Materials (год публикации - 2019)
10.1016/j.jmmm.2019.04.061

2. Видал Ж.В., Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Пахомов О.В., Соболев Н.А., Холкин А.Л. Low-frequency vibration energy harvesting with bidomain LiNbO3 single crystals IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control (год публикации - 2019)
10.1109/TUFFC.2019.2908396

3. Бичурин М.И., Соколов О.В., Леонтьев В.С.,Петров Р.В., Татаренко А.С., Семенов Г.А., Иванов С.Н., Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Холкин А.Л., Соболев Н.А. Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nickel/Metglas Gradient Structure physica status solidi (b) – basic solid state physics (год публикации - 2019)
10.1002/pssb.201900398

4. Кочервинский В.В., Малышкина И.А., Киселев Д.А., Ильина Т.С., Козлова Н.В., Шмакова Н.А., Корлюков А.А., Градова М.А., Бедин С.А. The effect of crystal polymorphism of ferroelectric copolymer vinylidene fluoride‐hexafluoropropylene on its high‐voltage polarization Journal of Applied Polymer Science (год публикации - 2020)
10.1002/app.49235

5. Видал Ж.В., Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Кобелева С.П., Соболев Н.А., Холкин А.Л. Dual vibration and magnetic energy harvesting with bidomain LiNbO3 based composite IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control (год публикации - 2020)
10.1109/TUFFC.2020.2967842

6. Бичурин М.И., Петров Р.В., Леонтьев В.С., Соколов О.В., Турутин А.В., Куц В.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Темиров А.А., Малинкович М.Д. и Пархоменко Ю.Н. Self-Biased Bidomain LiNbO3/Ni/Metglas Magnetoelectric Current Sensor MDPI (год публикации - 2020)
10.3390/s20247142

7. Омельянчик А., Антипова В., Гриценко К., Колесникова В., Мурзин Д., Илин Хан, Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Ильина Т.С., Киселев Д.А., Воронова М.И., Малинкович М.Д. и др. Boosting Magnetoelectric Effect in Polymer-Based Nanocomposites Nanomaterials, Nanomaterials 2021, 11(5), 1154 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11051154

Публикации