Физика твёрдого тела

Развитие фундаментальной науки и техники во многом базируется на использовании кристаллов с особыми физическими свойствами: сегнетоэлектрическими, магнитными, сверхпроводящими, со смешанной электронно-кислородной проводимостью и др. Исследовательские работы, направленные на выявление, получение и изучение таких кристаллов активно ведутся во всем мире. За последние годы были открыты высокотемпературные сверхпроводники, квазикристаллы, фуллерены, манганиты с эффектом колоссального магнетосопротивления, сегнетомагнитные вещества с гигантскими магнитоэлектрическим и магнетоемкостным эффектами, разработаны теоретические модели, объясняющие основные аспекты указанных явлений. Однако во многих случаях ясного понимания физических механизмов, ответственных за появление особых диэлектрических и других свойств, и однозначной интерпретации наблюдаемых эффектов не достигнуто. Дальнейшие более детальные исследования структуры и свойств материалов с особыми физическими свойствами, а также работы, направленные на расширение таких материалов, должны, очевидно, способствовать раскрытию механизмов возникновения их особых физических свойств и созданию научных основ получения веществ с заданными физическими свойствами.

Целью проводимых в НИИ информатики РТУ МИРЭА исследований является выяснение природы диэлектрических, электрических и магнитных свойств, механизмов фазовых переходов в новых и малоизученных фазах оксидных систем с особыми физическими свойствами (сегнетоэлектрическими, магнитными, мультиферроидными, сверхпроводящими и др.). Важными аспектами таких исследований является также создание научных основ синтеза материалов с заданными свойствами и получение материалов, перспективных для применений в электронике.

Основными объектами исследований являются образцы новых или слабоизученных фаз Pb-, Bi-, Cu-, Mn-содержащих оксидных систем. Синтезированы и изучены кристаллы ряда сложнооксидных фаз этих систем с сегнетоэлектрическими и родственными, магнитными, сверхпроводящими свойствами (Pb5Ge3O11, PbGe4O9, BiFeO3, AB2O4, A=Ba, Sr, B=Al, Ga, Bi4V2O11, Bi2Sr2CaCu2Oy, Bi4Sr3CaCu3Oy, LiCu2O2, Sr3CuNb2O9 и др.), получены новые данные об их структуре и свойствах. В частности, обнаружены фазовые переходы сегнетоэлектрического типа в кристаллах ванадатов висмута, германатов свинца (рис. 1, 2), кристаллов MAl2O4 (M = Ba, Sr); изучены особенности атомно-кристаллической и дефектной структуры, диэлектрических, пироэлектрических, проводящих свойств и их взаимосвязи сегнетоэлектрических кристаллов Pb5(Ge1-xSix)3O11 в широкой области концентраций и температур, установлена связь наблюдаемых при x=0,35 и 0,60 критических изменений свойств (рис. 3) с динамикой локализации зарядов на дефектах, показано, что вид наблюдаемых концентрационных зависимостей свойств определяется взаимным положением эффективной температуры Кюри и области термолокализации зарядов.; выявлена новая сегнетоэлектрическая фаза Bi4V2O11, являющаяся родоначальницей семейства суперионных проводников BIMEVOX (Bi4(V,Me)2Oy) с рекордно высокой кислородной проводимостью; обнаружена высокая оптическая нелинейность кристаллов формы PbGe4O9,; выявлена электрическая неустойчивость кристаллов LiCu2O2, проявляющаяся в эффекте электрического порогового переключения с S-образными ВАХ (рис. 4); получены новые данные о магнитной структуре и магнитоэлектрическом взаимодействии в кристаллах системы (Bi1-xRx)FeO3, R = La, Gd, Dy (рис. 5, 6) и так далее.


Полученные образцы, проявляющие сегнетоэлектрические и родственные, магнитные, сверхпроводящие свойства, смешанную электронно-ионную проводимость, эффект порогового электрического переключения, представляют интерес для твердотельной электроники из-за возможности использования их в качестве новых пьезоэлектрических, пироэлектрических, нелинейно оптических, магнитных материалов с улучшенными характеристиками, активных элементов различных датчиков и переключающих устройств, управляемых индуктивных элементов и др. Исследования проводятся по программам Минобрнауки РФ и грантам РФФИ в тесном сотрудничестве с группами из Московского госуниверситета, Института физических проблем РАН и др.



Основные работы, опубликованные по результатам исследований:

1. Буш А.А., Каменцев К.Е. Электрическая неустойчивость кристаллов LiCu2O2 // Физика твердого тела. – 2004. т.46. №3. с.433-440.
2. Ruette B., Zvyagin S., Pyatakovv A.P., Bush A., Li J.F., Belotelov V.I., Zvezdin A.K., Viehland D. Magnetic-field-induced phase transition in BiFeO3 observed by high-field electron spin resonance: Cycloidal to homogeneous spin order. Rev // Phys. – 2004. v. B69, 064114 (7 pages).
3. Буш А.А., Каменцев К.Е., Мамин Р.Ф. Трансформация диэлектрических свойств и возникновение релаксорного поведения в кристаллах Pb5(Ge1-xSix)3O11 // ЖЭТФ. – 2005. т. 100, № 1. с. 156-170.
4. Masuda T., Zheludev A., Roessli B., Bush A., Markina M, Vasiliev A. Spin waves and magnetic interactions in LiCu2O2. Phys. Rev. 2005, v.B 72, No1, 014405 (7 pages).
5. Pisarev R.V., Moskvin A.S., Kalashnikova A.M., Bush A.A., Rasing Th. Anomalous optical properties of the mixed-valent lithium cuprate LiCu2O2. Phys. Rev. 2006. v.74B, No13, 132509 (4 pages).
6. Торгашев В.И., Волков А.А., Буш А.А., Жукова Е.С., Мигунов С.Н., Лобанов А.Н., Горшунов Б.П. Дисперсия диэлектрических констант в висмут-стронциевом феррите (Bi,Sr)FeO3-x перовскито-подобном твердом растворе с переменной валентностью. ФТТ. 2007, т.49, №9, с.1576-1581.
7. Буш А.А., Каменцев К.Е., Тищенко Э.А., Черепанов В.М. Выращивание и изучение кристаллов системы LiCu2O2-NaCu2O2. Неорганические материалы. 2008, т.44, №6. с.720-726.
8. Буш А.А., Сиротинкин В.П. Диэлектрические свойства керамики фазы Sr3CuNb2O9 со структурой перовскита. Неорганические материалы. 2008, т.44, №11., с.1367-1374.
9. Свистов Л.Е., Прозорова Л.А., Фарутин А.М., Гиппиус А.А., Охотников К.С., Буш А.А., Каменцев К.Е., Тищенко Э.А. Магнитная структура квазиодномерного фрустрированного антиферромагнетика LiCu2O2 со спином S=1/2. ЖЭТФ. 2009. Т.135. №06. С.1151-1161.
10. Storchak V.G., Brewer J.H., Arseneau D.J., Stubbs L.S., Parfenov O.E., Eshchenko D.G., Bush A.A. Electron Localization into a Bound Spin Polaron in the Quasi-1D S=1/2 Antiferromagnet LiCu2O2. Phys. Rev. 2009. V.B79. No22. 220406(R) (4 pages).
11. Буш А.А., Шкуратов В.Я., Черных И.А., Фетисов Ю.К. Толстопленочные слоистые композитные структуры цирконат-титанат свинца – феррит никеля-цинка: получение методом сеткотрафаретной печати и магнитоэлеткрические свойства. ЖТФ. 2010, т.80. №3. С.69-76.
12. Командин Г.А, Торгашев В.И., Волков А.А., Породинков О.Е., Спектор И.Е., Буш А.А. Оптические свойства керамики BiFeO3 в диапазоне частот 0,3–30 THz. ФТТ. 2010, т.52, №4, с.684-692.
13. А.А. Буш, К.Е. Каменцев, А.М. Лаврентьев, А.Г. Сегалла, Ю.К. Фетисов. Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства керамических образцов твердых растворов (1-2x)BiScO3• xPbTiO3•xPbMg1/3Nb2/3O3 (0,30≤x≤0,46). Неорганические материалы. 2011. Т.47. №7. С.865-871 (Inorganic materials, P.779-786).
14. Буш А.А., Каменцев К.Е., Сиомко В.О. Электретный эффект в кристаллах сегнетоэлектрического германата свинца Pb5Ge3O11. Неорганические материалы. 2011. Т.47. №9. С.1083-1090. (Inorganic materials, P.983-989).
15. A.V. Pronin, M. Uhlarz, R. Beyer, T. Fischer, J. Wosnitza, B.P. Gorshunov, G.A. Komandin, A.S. Prokhorov, M. Dressel, A.A. Bush, V.I. Torgashev. B-T phase diagram of CoCr2O4 in magnetic fields up to 14 T. Phys. Rev. 2012. V.B85. No01. 012101 (3 pages).
16. В.И. Торгашев, А.С. Прохоров, Г.А. Командин, Е.С. Жукова, Б.П. Горшунов, В.Б. Анзин, В.М. Таланов, Л.М. Рабкин, А.А. Буш, M. Dressel. Магнитный и диэлектрический отклик кобальт-хромовой шпинели CoCr2O4 в терагерцовой области частот. ФТТ. 2012. Т.54. №2. С.330-339.
17. A.A. Bush, V.N. Glazkov, M. Hagiwara, T. Kashiwagi, S. Kimura, K., Omura, L.A. Prozorova, L.E. Svistov, A.M. Vasiliev, A. Zheludev. Magnetic phase diagram of the frustrated S = 1/2 chain magnet LiCu2O2. Phys. Rev. 2012. V.85B. No05. 054421 (7 pages).

Магнитоэлектрические (МЭ) эффекты в твердых телах и композитных гетероструктурах проявляются в электрической поляризации образца во внешнем магнитном поле или в намагничивании образца под действием электрического поля и реализуют, таким образом, эффективное преобразование магнитных и электрических полей. В слоистых гетероструктурах ферромагнетик-ферроэлектрик МЭ эффекты возникают в результате комбинации магнитострикции и пьезоэлектричества из-за механической связи слоев.

МЭ эффекты являются основой для создания управляемых устройств электроники и информатики нового поколения, таких как высокочувствительные датчики магнитных полей, управляемые устройства пассивной электроники (индукторы, варикапы, трансформаторы), автономные источники энергии, электрически перестраиваемые СВЧ резонаторы, фильтры, линии задержки, синаптические устройства, элементы записи и обработки информации со сверхнизким энергопотреблением.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:

1. A. A. Berzin, A. I. Morosov and A. S. Sigov, "Defect-Induced Long-Range Order and the Imry-Ma State in Two-Dimensional O(n) Models," in IEEE Transactions on Magnetics, doi: 10.1109/TMAG. 2020.3030755.
2. D V Savelev, V I Musatov, F A Fedulov, L Y Fetisov, D A Burdin, Y A Alekhina, D V Chashin, E S Shakhurin and Y K Fetisov Magnetoelectric effects in a heterostructure of magnetostrictive fiber composite and piezopolymer film. Smart Mater. Struct. 2025, 34, 015030. Q1
3. V.I. Musatov, D.V. Savelev, F.A. Fedulov, L.Y. Fetisov, Y.K. Fetisov, Magnetoelectric effect in a ring-type ferromagnetic-piezoelectric composite heterostructure for different magnetization field directions, Sensors and Actuators A: Physical, 2025, 383, 116218. Q1
4. E. Bolotina, D. Savelev, L. Fetisov, A. Turutin, I. Kubasov, A. Temirov, V. Kuts, Y. Qi , P. Zhou, A. Klimov, Y. Fetisov, Temperature characteristics of magnetoelectric effect in a monolithic langatate-metglas heterostructure: the effect of annealing, J. Mater. Science and Technol. Res., 2025, v. 12. p. 1-7.
5. L.Y. Fetisov, D.V. Saveliev, V.I. Musatov, F.A. Fedulov, Y.K. Fetisov, Resonance magnetoelectric effect in a three-layer non-symmetric ring structure Ni/PZT/Metglas, Smart Mater. Struct. 2024, 33 015014 Q1
6. W. Pan, Y. Liu, Y. Ao, P. Zhou, F. Fedulov, Y. Fetisov, T. Zhang, S. Xing, G. Srinivasan, Y. Qi Large room temperature magnetoelectric response in quasi 1–2 nanocomposite films on mica substrate. J Am Ceram Soc. 2024; 1–12. Q1
7. Fetisov Y.K., Chashin D.V., Fedulov F.A. Magnetoelectric effect in a planar ring metglas – langatate heterostructure - J Phys D Appl Phys, 2024, v. 57, p. 30LT01. Q1
8. D.V. Savelev, G. Glavan, D . A. Burdin, I.A. Belyaeva, L.Y. Fetisov, M. Shamonin, Y.K. Fetisov, Enhancement of magnetoelectric effect in polymer composites at low resonance frequencies by operation in the transverse-transverse mode, J. of Mag. Magn. Mater, 2024, 598, 172020 Q2
9. D.V. Savelev , D.A. Burdin , L.Y. Fetisov, Y.K. Fetisov, N.S. Perov , L.A. Makarova, Low-frequency resonant magnetoelectric effect in piezopolymer - magnetoactive elastomer layered structure at different magnetization geometries, Polymers 2024, 16(7), 928; Q1
10. L.Y. Fetisov, D.V. Savelev, L.A. Makarova, N.S. Perov, Y.J. Qi, P. Zhou, Y.K. Fetisov. Dynamics of resonant magnetoelectric effect in a magnetoactive elastomer based cantilever: magnetic field induced orientation transition and giant frequency tuning, J. Mag. Magn. Mater, 2024, v. 605, p. 172330. Q2
11. F. A. Fedulov, D.V. Savelev, Y.K. Fetisov, Synaptic behavior of a composite multiferroic heterostructure FeBSiC – PZT at resonant excitation, Modern Electronic Materials 2024; 10(2): 91–101. Q3
12. Musatov V.I., Fedulov F.A., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K. Resonant magnetoelectric effect in an obliquely magnetized planar ferromagnet-piezoelectric heterostructure, J. Mag. Magn. Mater, 2024, v.605, 172322.

Многослойные магнитные структуры с толщиной слоев в несколько нанометров привлекли к себе пристальное внимание исследователей после открытия в них явления гигантского магнетосопротивления, которое сразу же нашло широкое практическое применение. В основе принципа действия считывающих головок жестких дисков емкостью 100 Гб – 1 Тб, которыми укомплектованы персональные компьютеры, лежит именно этот эффект. Внедрение таких головок позволило перейти к более плотной записи и увеличить емкость жестких дисков. Многослойные магнитные структуры широко используются в качестве датчиков магнитного поля и находят все новые применения. На их основе создается энергонезависимая магнитная память с произвольной выборкой, которая, при благоприятном развитии событий, будет способна заменить как жесткие диски, так и оперативную память на основе полупроводников. Наряду с этим оказалось, что многослойные магнитные структуры являются чрезвычайно интересным объектом для фундаментальных исследований. В случае столь тонких слоев (характерные толщины слоев составляют единицы-десятки ангстрем) влияние границ и размерные эффекты являются очень существенными, поэтому физические свойства тонких слоев могут сильно отличаться от свойств соответствующих объемных материалов.

Большое влияние на свойства тонких слоев оказывают дефекты типа "случайное локальное поле". В зависимости от величины анизотропии такие дефекты могут приводить к фазовым переходам различных типов. В частности, в случае слабой анизотропии случайных полей с понижением температуры имеет место плавный переход от парафазы с динамическими флуктуациями параметра порядка к фазе Имри-Ма со статическими флуктуациями, вызванными флуктуациями случайного поля дефектов. В случае сильной анизотропии случайных полей дефекты приводят к эффективному уменьшению числа компонент параметра порядка и возникновению при конечной температуре фазового перехода в упорядоченное состояние.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:

1. A. A. Berzin, A. I. Morosov and A. S. Sigov, "Defect-Induced Long-Range Order and the Imry-Ma State in Two-Dimensional O(n) Models," in IEEE Transactions on Magnetics, doi: 10.1109/TMAG. 2020.3030755.
2. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Двумерные O(n)-модели с дефектами типа "случайная локальная анизотропия", Физика твердого тела 2020, т.62, вып.4, С. 610.
3. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Дальний порядок в двумерных O(n)-моделях, индуцированный случайными полями, и состояние Имри-Ма, Физика твердого тела 2020, т.62, вып.2, С.281.
4. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Фаза Имри-Ма в нанокристаллическом ферромагнетике, Физика твердого тела 2018, т.60, вып.9, С.1689.
5. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Анизотропия кубического типа, создаваемая дефектами типа "случайная локальная анизотропия", и фазовая диаграмма O(n)-модели, Физика твердого тела 2017, т.59, вып.12, С.2420.
6. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Фазовая диаграмма O(n)-модели с дефектами типа "случайное локальное поле" и справедливость теоремы Имри и Ма, Физика твердого тела 2017, т.59, вып.10, С.1992.
7. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Неоднородное состояние Имри-Ма в системе с O(n)-симметрией, индуцированное примесями типа "случайная локальная анизотропия", Физика твердого тела 2016, т.58, вып.10, С.1947.
8. Берзин А.А., Морозов А.И., Сигов А.С., Механизм возникновения дальнего порядка, индуцированного случайными полями: эффективная анизотропия, созданная дефектами, Физика твердого тела 2016, т.58, вып.9, С.1783.

Ферроики (сегнетоэлектрики, магнетики, мультиферроики) представляют собой двухбитовую систему, обеспечивающую запись и считывание информации, а также модуляцию параметра порядка между состояниями системы. Основной целью направления является определение условий и физических механизмов удаленного сверхбыстрого переключения состояния такой системы с целью создания платформы для недиссипативных функциональных элементов устройств информационных технологий, оперирующих на терагерцовых частотах. При этом применяется концептуально новый способ контроля ферроидного состояния среды с минимально возможной выработкой тепла и за минимальное время с использованием сверхкоротких (фемто- и пикосекундных) электромагнитных импульсов оптического и ТГц диапазонов.

В настоящее время поисковые и фундаментальные исследования направлены на решение следующих основных задач:
1. Исследование сверхбыстрых физических процессов, инициированных фемтосекундным оптическим импульсом в ферроидных магнитоупругих материалах, в том числе вблизи спин-ориентационного перехода, и гетероструктурах на их основе для устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и магнитоупругих элементов магнитоэлектрической памяти MELRAM, а также поиск новых эффектов, которые могут расширить функциональные возможности этих устройств.
2. Экспериментальное определение условий и наблюдение процессов возбуждения ангармонизма сегнетоэлектрического и магнитного параметров порядка терагерцовым импульсом, а также перехода режима возбуждения ангармонических фононов и магнонов в режим переключения соответствующего параметра порядка

Исследования выполняются по программам Минобрнауки РФ, грантам Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, а также  международным проектам в тесном сотрудничестве с научными группами из Университета г. Лилль (Франция), Университета г. Наймеген (Нидерланды), Института общей физики РАН, Института радиотехники и электроники РАН, Объединенного института высоких температур РАН, Московского государственного университета.

Основные работы, опубликованные по результатам исследований:

1. Ovcharenko S. V. et al. Ultrafast Magnetization Reversal in DyFeCo Thin Film by Single Femtosecond Laser Pulse // Phys. Met. Metallogr. 2019. Vol. 120, № 9. P. 825–830.
2. Brekhov K.A. et al. Optical second harmonic generation and its photoinduced dynamics in ferroelectric semiconductor Sn2P2S6 // Phys. Solid State. 2018. Vol. 60, № 1. P. 31–36.
3. Grishunin K. et al. Transient Second Harmonic Generation Induced by Single Cycle THz pulses in Ba0.8Sr0.2TiO3/MgO // Sci. Rep. 2019. Vol. 9, № 1. P. 697.
4. Mishina E. et al. Ultrafast polarization switching of (BaSr)TiO 3 thin film by a single-period terahertz pulse in a vicinity of phase transition // Ferroelectrics. 2018. Vol. 532, № 1. P. 199–207.
5. Mishina E. et al. Polarization switching in ferroelectric thin film induced by a single-period terahertz pulse // MRS Adv. 2018. Vol. 3, № 33. P. 1901–1906.
6. Билык В.Р. et al. Сверхбыстрая модуляция сегнетоэлектрической поляризации в пленке Ba0.8Sr0.2TiO3 интенсивным субоднопериодным терагерцовым импульсом // Теплофизика высоких темепратур. 2020. Vol. 58, № 6. P. 1–3.
7. Ilyin N.A. et al. Dynamics of Magnetization in Multilayer TbCo / FeCo Structures under the Influence of Femtosecond Optical Excitation // Russ. Technol. J. 2019. Vol. 7, № 3. P. 50–58.
8. Brekhov K.A. et al. The temperature dependence of the photoinduced soft mode in Sn 2 P 2 S 6 crystal // Int. J. Mod. Phys. B. 2019. Vol. 33, № 8. P. 1950061.
9. Ovcharenko S. V. et al. Laser-induced spin dynamics in the iron-yttrium garnet film doped with Si ions // Russ. Technol. J. 2020. Vol. 8, № 1. P. 58–66.
10. Gaponov M. et al. Ultrafast magnetization dynamics in the vicinity of spin reorientation transition in TbCo2/FeCo heterostructures // J. Phys. Condens. Matter. 2020. Vol. 32, № 22. P. 225803.
11.  Ovcharenko S. et al. Photoinduced spin dynamics in a uniaxial intermetallic heterostructure TbCo 2/ FeCo // Sci. Rep. 2020. Vol. 10, № 1. P. 15785.
12. Bilyk V.R., Grishunin K.A. Complex Refractive Index of Strontium Titanate in the Terahertz Frequency Range // Russ. Technol. J. 2019. Vol. 7, № 4. P. 71–80.
13. Bilyk V. et al. Transient Polarization Reversal Using Intense THz Pulse in Silicon‐Doped Lead Germanate // Phys. status solidi – Rapid Res. Lett. 2020. P. pssr.202000460.
14. Bilyk V.R. et al. The propagation effects in ultrafast nonlinear electro-optical modulation in thin film on a substrate // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1556. P. 012009.