Градиентные композитные магнитоэлектрические материалы для сверхчувствительных датчиков неоднородных магнитных полей

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 22-19-00808

НазваниеГрадиентные композитные магнитоэлектрические материалы для сверхчувствительных датчиков неоднородных магнитных полей

Руководитель Турутин Андрей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Магнитоэлектрические композитные материалы, пьезолектричество, магнитострикция, неоднородное магнитное поле, датчики магнитного поля, бидоменные кристаллы, ниобат лития, метглас, магнитоэлектрик с градиентной структурой

Код ГРНТИ47.09.53

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Композитные магнитоэлектрические (МЭ) материалы способны с высокой эффективностью преобразовывать магнитный сигнал в электрический и наоборот благодаря сочетанию магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов. Уникальные свойства МЭ композитов могут быть применены для создания целого ряда новых электронных устройств, однако наиболее динамично развивающимся направлением применения композитных МЭ материалов являются сверхчувствительные датчики магнитных полей, способные при комнатной температуре и в широком динамическом диапазоне измерять токи, протекающие в нейронах живых организмов, а также в силовых и сигнальных цепях. При этом МЭ сенсоры магнитных полей способны детектировать сверхслабые переменные магнитные поля без полного экранирования от магнитного поля Земли и не требуют дополнительного охлаждения сенсора, в отличие от дорогостоящих сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов). В реальных условиях магнитные поля от сердца и нервной системы живых организмов или от магнитных наночастиц имеют очень низкие значения амплитуды и сильно неоднородны в пространстве. При этом картирование таких сверхслабых неоднородных магнитных полей (НМП) и является нетривиальной научной и инженерной задачей, но практически не освещено в рецензируемой научной литературе. Для получения информации о пространственном распределении магнитного поля с приемлемым разрешением требуется использование либо массивов сенсоров, либо сканирования, причем сами датчики способны измерять магнитное поле только в одном направлении. Отсутствие информации о методах и особенностях регистрации переменного сверхслабого неоднородного магнитного поля с помощью МЭ композитов является главным фактором, лимитирующим применение таких материалов в магнитоэнцефалографах и магнитокардиографах, а также других промышленных и исследовательских устройствах сенсорики. Целью проекта является определение фундаментальных свойств и факторов, влияющих на предельную чувствительность датчиков на основе магнитоэлектрических композитных материалов к неоднородным магнитным полям, анализ взаимосвязей между характеристиками композитов и их внутренней структурой, размерами и температурной стабильностью. Для достижения поставленной цели в проекте будет использован комплексный подход, включающий в себя компьютерное моделирование и экспериментальные исследования поведения композитных МЭ материалов в условиях неоднородных магнитных полей без стабилизации температуры. Исследования будут проводиться на модельных структурах “бидоменный ниобат лития / метглас”, обладающих высокими значениями МЭ коэффициента и хорошо поддающихся теоретическому описанию. Для имитации НМП различной конфигурации будет использован лабораторный комплекс для генерации и изучения переменных во времени НМП. С целью миниатюризации, снижения энергопотребления сенсоров, а также уменьшения влияния самого датчика на измеряемое НМП планируется использовать градиентные композитные МЭ материалы, содержащие электрохимически осажденный слой никеля в качестве подмагничивающего слоя магнитострикционной фазы. Снижение влияния вибрационных шумов будет достигнуто благодаря применению оригинальной запатентованной камертонной конструкции сенсора. Изучение температурной стабильность разработанных материалов и сенсоров позволит уточнить пределы применимости их в условиях, приближенных к реальным. Высокая научная новизна и актуальность тематики позволит опубликовать результаты исследований в высокорейтинговых журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Котельникова А., Зубарь Т., Вершинина Т., Панасюк М., Канафьев О., Федькин В., Кубасов И., Турутин А., Труханов С., Тишкевич Д., Федосюк В., Труханов А. The influence of saccharin adsorption on NiFe alloy film growth mechanisms during electrodeposition RSC Advances, RSC Adv., 2022, 12, 35722 (год публикации - 2022)
10.1039/D2RA07118E

2. Куц В.В., Турутин А.В., Кислюк А.М., Кубасов И.В., Жуков Р.Н., Темиров А.А., Малинкович М.Д., Соболев Н.А., Пархоменко Ю.Н. Магнитоэлектрический эффект в трехслойных градиентных композитах <LiNbO3/Ni/метглас> Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники (год публикации - 2023)

Публикации

1. Турутин А.В., Cкрылёва Е.А., Кубасов И.В., Милович Ф.О., Темиров А.А., Ракетов К.В., Кислюк А.М., Жуков Р.Н., Сенатулин Б.Р., Куц В.В., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Соболев Н.А. Magnetoelectric MEMS Magnetic Field Sensor Based on a Laminated Heterostructure of Bidomain Lithium Niobate and Metglas Materials, 16(2) (год публикации - 2023)
10.3390/ma16020484

2. Куц В.В., Турутин А.В., Кислюк А.М., Кубасов И.В., Максумова Е.Е., Темиров А.А., Малинкович М.Д., Соболев Н.А., Пархоменко Ю.Н. Detection of inhomogeneous magnetic fields using magnetoelectric composites Modern Electronic Materials, 9(3), 105-113 (год публикации - 2023)
10.3897/j.moem.9.3.114129

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году была разработана экспериментальная установка для имитации импульсных и неоднородных магнитных полей (НМП), моделирующих магнитные отклики, создаваемые токами в сердце или нервной системе живых организмов. Созданная система позволяет имитировать сигналы, аналогичных ЭКГ, с контролем характеристик на осциллографе. Проведены исследования по оптимизации расположения магнитоэлектрических (МЭ) сенсоров для достижения максимального отклика на НМП. Использование градиентных структур типа "бидоменный ниобат лития / никель / метглас" позволило достигнуть высокой чувствительности без необходимости приложения дополнительного внешнего намагничивающего поля. Оптимальное расположение МЭ сенсора в НМП было смоделировано в COMSOL Multiphysics и выявлено экспериментально. Установлено, что наибольшая чувствительность достигается при смещении сенсора относительно оси проводника на 6 мм, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Полученные знания о взаимодействии МЭ структур с импульсными НМП позволяют предложить простую модель обработки сигнала для восстановления временной зависимости магнитных полей от живых организмов. Данная модель включает в себя измерение чувствительности конкретного МЭ сенсора, измерение МЭ сенсором импульсного НМП в заданном частотном диапазоне, последующая корректировка спектра полученного сигнала на чувствительность в том же частотном диапазоне и обратное преобразование Фурье полученной амплитудно-частотной характеристики. Разработана и изготовлен нагревательная ячейка для изучения свойств МЭ композитов при повышенных температурах (300–450 К и более). Исследования структуры "бидоменный ниобат лития / метглас" показали снижение МЭ коэффициента с увеличением температуры, что связано с уменьшением модуля Юнга и ухудшением магнитострикционных свойств метгласа. Максимальный МЭ коэффициент снизился с 272,3 В/(см∙Э) при 20 °C до 43,4 В/(см∙Э) при 200 °C. В то же время удалось достичь минимального эквивалентного магнитного шума 300 пТл/Гц1/2 на частоте 660 Гц при комнатной температуре. Проведенные измерения показали, что предел детектирования магнитных полей (LoD) увеличивается в 4 раза при нагреве до 200 °C. В тоже время наши измерения впервые показали принципиальную возможность детектирования малых магнитных полей МЭ структурой при температурах выше 100 °С, ранее такого результата в литературе не было опубликовано. Достаточно не критичное изменение предела детектирования позволяет рекомендовать такие МЭ материалы для измерения малых магнитных полей при повышенных температурах. По результатам работы опубликована статья: Kuts, V.V.; Turutin, A.V.; Kubasov, I.V.; Temirov, A.A.; Kislyuk, A.A.; Maksumova, E.E.; Fedulov, F.A.; Fetisov ,Yu.K.; Malinkovich, M.D.; Parkhomenko, Yu.N.; Features of 2D mapping technique of non-uniform magnetic fields using self-biased magnetoelectric composites based on “bidomain LiNbO3/Ni/Metglas” structures. Measurement 2025, 242, 115932. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.115932 Q1 Представлены два устных доклада по теме проекта на международных конференциях: 1. Турутин А.В., Кубасов И.В., Темиров А.А., Куц В.В., Кислюк А.М., Максумова Э.Э., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н. “Влияние внешнего магнитного поля на магнитоэлектрические свойства структуры «бидоменный LiNbO3/Fe77Co4Si8B11”. XXV Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Москва, РТУ МИРЭА, 1-6 июля 2024 г. 2. Турутин А.В., Кубасов И.В., Темиров А.А., Куц В.В., Кислюк А.М., Максумова Э.Э., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н. “Влияние режимов напыления магнитострикционных тонких плёнок метгласа на магнитоэлектрические свойства композитных структур”, Научно-практическая конференция «Мультиферроики: получение, свойства, применение», Витебск, ГНУ «Институт технической акустики Национальной академии наук Беларуси», 24-27 сентября 2024 г.

Публикации

1. Куц В. В., Турутин А. В., Кубасов И. В., Темиров А. А., Кислюк А. М., Максумова Е. Е., Федулов Ф. А., Фетисов Ю. К., Малинкович М. Д., Пархоменко Ю. Н. Features of 2D mapping technique of Non-Uniform magnetic fields using Self-Biased Magnetoelectric composites based on “bidomain LiNbO3/Ni/Metglas” structures Measurement, volume 242, Part B, 115932 (год публикации - 2024)
10.1016/j.measurement.2024.115932

Возможность практического использования результатов
Результаты работы имеют огромное значение для магнитной сенсорики в области миниатюризации МЭ композитов с переходом к МЭМС-технологиям изготовления коммерческих сенсоров для детектирования сверхслабых неоднородных магнитных полей. Полученный опыт позволяет создать задел для проведения опытных работ по изготовлению массивов миниатюрных сенсоров магнитных полей для устройств магнитокардографии и магнитоэнцефалографии. В результате ожидается снижение стоимости и размеров этих устройств, что создаст возможности для разработки готовых решений на основе композитных МЭ материалов, более широкого распространения и применения указанных методик в медицинской практике.