КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 18-79-10265

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

РуководительКиселев Дмитрий Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 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 словаМультиферроики, композитные материалы, магнетоэлектрический эффект, бидоманные сегнетоэлектрики, ниобат лития, магнитные датчики, эквивалентный шум, монокристаллы

Код ГРНТИ47.09.53


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
По завершении проекта будет разработана модель высокочувствительного сенсора на основе композитного мультиферроика с монокристаллической сегнетоэлектрической подложкой с заданной доменной структурой в качестве пьезоэлектрического слоя, исследованы спектры шумов, предложены пути по их минимизации, будут получены экспериментальные данные по измерению предела детектирования магнитного поля при помощи композитных мультиферроиков, что позволит рекомендовать данные материалы для создания сверхчувствительных сенсоров магнитного поля. Исследования будут проведены на высоком мировом уровне, а не имеющие аналогов результаты будут опубликованы в ведущих периодических научных изданиях. Накопленный опыт позволит усовершенствовать методики измерения предела детектирования магнитного поля при помощи композитных мультиферроиков. Полученные результаты измерений позволят провести анализ и выбрать наиболее эффективную конфигурацию доменной структуры, размеры образцов, выбор магнитострикционного материала, системы механического закрепления, параметров изготовления композитных мультиферроиков. На основе разработанных рекомендаций будут созданы предпосылки для проведения опытных работ по созданию сенсора магнитных полей, применимого в устройствах магнитокардографии и магнитоэнцефалографии. В результате стоимость этих устройств снизится, что создаст условия для более широкого их распространения и применения в медицинской практике.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчётный год выполнения проекта были достигнуты следующие результаты: 1. Разработана математическая модель для расчёты магнитоэлектрических (МЭ) параметров слоистых композитных мультиферроиков с использованием низкочастотной модели, основанной на линейной теории пьезоэлектричества, магнитострикции и эластодинамики тонких пластин. 2. Произведен расчёт анизотропии МЭ эффекта в зависимости от угла среза кристалла, показано, что наилучшими МЭ свойствами будут обладать композитные мультиферроики на основе бидоменных кристаллов ниобата лития y+128°-среза и y+140°-среза. 3. Разработаны технологические приемы соединения магнитострикционного материала с пьезоэлектрическим бидоменным монокристаллом. 4. Методами импедансной спектроскопии и прямого измерения магнитоэлектрического эффекта было показано, что композиты (Метглас)/(бидоменный LiNbO3 y+128°-среза) обладают наибольшим магнитоэлектрическим эффектом. Среди бидоменных кристаллов LiNbO3 наибольшую электромеханическую добротность имеют пластины с доменной структурой, сформированной методом диффузионного отжига. 5. Результаты работы представлены на пяти международных конференциях в форме устных презентаций. 6. Исследования были опубликованы в высокорейтинговых изданиях входящих в Q1 по версии Scimago Journal & Country Rank (SJR). Ссылки на опубликованные статьи по проекту https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.04.061, https://doi.org/10.1109/TUFFC.2019.2908396 . 7. Публикации в СМИ о проекте: https://misis.ru/university/news/science/2019-02/5993/, https://regnum.ru/news/2575212.html. 8. Подана заявка на выдачу патента Российской Федерации на полезную модель «Магнитоэлектрический сенсор магнитных полей», № 2019103598, дата поступления 08.02.2019.

 

Публикации

1. - Магнитная диагностика станет проще и доступней Пресс-служба НИТУ "МИСиС", - (год публикации - ).

2. - Учёные университета МИСиС разработают сенсоры для магнитной диагностики REGNUM информационное агенство, - (год публикации - ).

3. 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).

4. 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).

5. Турутин А.В., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Кобелева С.П., Соболев Н.А. Магнитоэлектрический сенсор магнитных полей -, 2019103598 (год публикации - ).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
По результатам проведенных работ за период с 1 июля 2019 г. по 30 июня 2020 г. были достигнуты следующие результаты: Разработана математическая модель для вычисления МЭ коэффициента, импеданса и эквивалентного магнитного шума в зависимости от частоты в композитных двухслойных структурах с бидоменным кристаллом LiNbO3 и магнитострикционным слоем метгласа. Проведены вычисления МЭ коэффициента, импеданса и эквивалентного магнитного шума для композитных мультиферроиков на основе бидоменных кристаллов LiNbO3 y+128º-среза/ метгласа. С целью снизить резонансную частоту МЭ структуры было проведено сравнение двух типов закрепления: свободно колеблющегося и консольного закрепления кристалла. Также в расчётах учтён фактор размагничивания магнитострикционного материала. Эквивалентный магнитный шум составил 1.67 пТл/Гц1/2 в случае консольного закрепления и 0.63 пТл/Гц1/2 при свободно колеблющемся образце для длины композитного материала l = 45 мм. При оптимальном соотношении t_p/t в диапазоне от 0.7 до 0.2 без изменения толщины пьезоэлектрической фазы МЭ коэффициент увеличивается больше чем в три раза, а эквивалентный магнитный шум уменьшается до 0.5 пТл/Гц1/2 на частоте резонанса 234 Гц. Были изготовлены три композитные структуры на основе бидоменных кристаллов LiNbO3 y+128º-среза / метгласа длиной 30, 40 и 45 мм, шириной 5 мм и толщиной 0.5 мм. Для данных структур были проведены измерения МЭ коэффициента, импеданса и эквивалентного магнитного шума для двух режимов закрепления структур. Максимальное значение МЭ коэффициента составило 478 В/(см·Э) для образца длиной 45 мм при консольном закрепления на резонансной частоте 243 Гц. Для образца длиной 45 мм было показано, что магнитный шум равен всего 37 пТ/Гц1/2 при резонансной частоте 244 Гц и 1.2 пТ/Гц1/2 при резонансной частоте 1335 Гц в режиме консольного закрепления и свободно колеблющейся структуры соответственно. Было опубликовано три статьи в высокорейтинговых журналах, два из которых входят в Q1. Bichurin M.I., Sokolov O.V., Leontiev V.S., Petrov R.V., Tatarenko A.S., Semenov G.A., Ivanov S.N., Turutin A.V., Kubasov I .V., Kislyuk A.M., Malinkovich M.D., Parkhomenko Yu.N., Kholkin A.L., Sobolev N.A.) Magnetoelectric Effect in the Bidomain Lithium Niobate/Nickel/Metglas Gradient Structure physica status solidi (b) – basic solid state physics (2019 г.) https://doi.org/10.1002/pssb.201900398. Kochervinskii, VV, Malyshkina, IA, Kiselev, DA, et al. The effect of crystal polymorphism of ferroelectric copolymer vinylidene fluoride‐hexafluoropropylene on its high‐voltage polarization. J Appl Polym Sci. 2020;e49235. https://doi.org/10.1002/app.49235. J. V. Vidal, Turutin A.V., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Kiselev D.A., Malinkovich M.D., Parkhomenko Y.N., Kobeleva S.P., Sobolev N.A., Kholkin A.L. "Dual vibration and magnetic energy harvesting with bidomain LiNbO3 based composite," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, doi: 10.1109/TUFFC.2020.2967842. Результаты исследований представлены на международной конференции в виде двух устных докладов: A.V. Turutin, J. V. Vidal, I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko, S. P. Kobeleva, D.A. Kiselev, A. L. Kholkin, N. A. Sobolev. Magnetoelectric Properties of Laminates Based on Y+140°-cut Bidomain Lithium Niobate Crystals. 10th International Conference of the Africa Material Research Society (AMRS 2019). Arusha, Tanzania. 10th -13th December 2019. Обычный устный. A.V. Turutin, J. V. Vidal, I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko, S. P. Kobeleva, D.A. Kiselev, A. L. Kholkin, N. A. Sobolev. Suppression of acoustic noise in magnetoelectric sensors based on bidomain lithium niobate for biomedical applications. 10th International Conference of the Africa Material Research Society (AMRS 2019). Arusha, Tanzania. 10th -13th December 2019. Обычный устный.

 

Публикации

1. - В НИТУ "МИСиС" создали компактный датчик магнитных полей для диагностики болезней сердца НАУЧНАЯ РОССИЯ, - (год публикации - ).

2. - «Камертон» для магнитной диагностики Наука и Жизнь, - (год публикации - ).

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).

4. 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).

5. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
По результатам проведенных работ за отчётный период были достигнуты следующие результаты: 1. Отработана технология электрохимического осаждения никеля на биодоменные кристаллы LiNbO3. Получены данные по оптимальным параметрам осаждения плёнок никеля на бидоменные кристаллы LiNbO3 2. Разработана и изготовлена установка для проведения отжигов МЭ структур в магнитном поле, получены оптимальные параметры отжига никельсодержащих магнитострикционных материалов, осажденных на поверхность LiNbO3. Получены оптимальные параметры отжига в магнитном поле осаждённых магнитострикционных материалов. 3. Проведены исследования магнитной доменной структуры магнитострикционных плёнок, полученных методом электрохимического осаждения. Проведены исследования методом магнитно-силовой микроскопии осажденных плёнок никеля до и после отжига в магнитном поле. 4. Был разработан и исследован МЭ сенсор в форме камертона на основе структуры бидоменный кристалл LN y+128º-среза / метглас. МЭ сенсор в виде камертона продемонстрировал чувствительность к магнитному полю в 6,7 раза выше по сравнению с единичным МЭ датчиком на резонансной частоте. Образец с камертоной структурой показал уменьшение паразитного вибрационного сигнала в 5 раз по сравнению с единичным МЭ сенсором. 5. Было опубликовано две статьи в высокорейтинговых журналах, которые входят в Q1 и подана обзорная статья в журнал Sensors (Q1). Результаты представлены на международной конференции.

 

Публикации

1. 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).

2. 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).


Возможность практического использования результатов
Сформированный в результате выполнения проекта научный задел позволяет перейти к опытно-конструкторским работам по созданию промышленных образцов высокочувствительных магнитных сенсоров на основе композитных мультиферроиков. Результаты моделирования и экспериментальные данные показывают возможность применения сенсоров на основе предложенных композитных мультиферроиков с конфигурацией "бидоменный кристалл ниобата лития / метглас". в широком спектре таких устройств, как высокочувствительные миниатюрные магнитометры промышленного и исследовательского классов для бесконтактного измерения сверхслабых токов, магнитных полей в живых организмах в применении к магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии, измерения магнитных аномалий, магнитной геологоразведки и визуализации магнитных наночастиц. Подобные сенсоры способны заменить существующие дорогостоящие СКВИД-магнетометры в определённых устройствах, например в магнитокардиографии, тем самым снизив стоимость последних, что позволит применять данную методику в рядовых клинико-диагностических учреждениях.