Liquid Phase Epitaxy of Ferromagnetic-Piezoelectrics Heterostructures and Femto-Tesla Magnetic Sensors and Arrays

铁磁压电异质结构和飞特斯拉磁传感器和阵列的液相外延

基本信息

  • 批准号:
    1307714
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 34.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-07-01 至 2018-02-28
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

A research program is proposed on novel piezoelectric-ferromagnetic heterostructures for miniature, low-frequency, femto-Tesla magnetic sensors and sensor arrays with potential for applications in biomedical imaging. A majority of such magneto-electric (ME) composites studied so far have bonded ferroelectric and ferromagnetic layers in which an applied ac magnetic field produces magnetostrictive strain in the ferromagnet, leading to a voltage response in the ferroelectric layer. Ferroelectrics based ME sensors have several shortcomings including non-linear sensor response and considerable noise due to ferroelectric hysteresis and pyroelectric noise. This proposal is aimed at magnetic sensors made of piezoelectric lanthanum gallium tantalate, La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), and functionally graded ferromagnetic layer with nickel zinc ferrite Ni1-xZnxFe2O4 (NZFO). The motivation is the group's preliminary data on ME effects in LGT-ferromagnetic composites that show (i) one to two orders of magnitude higher ME coefficients at low-frequency and at bending and electromechanical resonance, and much lower noise compared to samples with ferroelectrics, and (ii) theoretical models that predict a strong zero-bias ME interactions in the heterostructures. Intellectual Merit:The novelty in the planned approach is multifold with: (i) use of piezoelectric LGT that is expected to show strong ME coupling, linear voltage response to ac magnetic field and elimination of pyroelectric noise, (ii) graded ferromagnetic layers for self-magnetic biasing; (iii) heterostructures by liquid phase epitaxy (LPE) for efficient strain transfer; and (iv) utilization of micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology in miniaturization of sensors and sensor arrays. Primary tasks will include (i) synthesis of magnetization-graded NZFO films on LGT substrates by liquid-phase epitaxy (LPE), (ii) studies on low-frequency and resonance ME interactions, (iii) design and fabrication of MEMS cantilever based ferrite/LGT multiple structures as resonant frequency tunable magnetic sensors and sensor array, (iv) comprehensive characterization of the materials and sensors. The desired fT-sensitivity will be achieved by frequency modulation with the sensor operating at bending or electromechanical resonance. Broader Impacts:Anticipated broader impacts of the research include the following: (i) Miniature magnetic sensors and sensor arrays for applications in diverse fields, including medical imaging (magneto-cardiography and magneto-encephalography) and security systems. (ii) Human resources development and curriculum development/enrichment in materials and measurement technologies. (iii) Undergraduate Research Training: The PIs will recruit undergraduate science and engineering majors for participation in the research. (iv) Research experience for high school students: Students from local schools will be recruited for participation in research.
提出了针对新型的压电 - 有线磁性异质结构的研究计划,用于微型,低频,femto-tesla磁传感器和传感器阵列,并具有用于生物医学成像中的应用。 到目前为止研究的大多数这种磁电磁(ME)复合材料都粘合了铁电和铁磁层,其中施加的AC磁场在铁磁体中产生磁性菌株,从而导致铁电层中的电压响应。 基于铁电的ME传感器有几个缺点,包括非线性传感器响应和由于铁电滞后和pyroelectric噪声而引起的相当大的噪声。该提案针对的是由压电灯笼甘露酯制成的磁传感器,LA3GA5.5TA0.5O14(LGT),以及功能分级的铁磁性层,具有镍锌铁岩Ni1-XZNXFE2O4(NZFO)。 动机是该小组对我在LGT铁磁复合材料中的效果的初步数据,这些数据显示(i)在低频,弯曲和机电共振时(弯曲和机电的共振)高1-两个级数,与具有强大模型相比的样品相比,弯曲和机电共振的噪声较低,并且较低的噪声是强大的互动互动。智力优点:计划方法中的新颖性是多重的:(i)使用压电LGT,预计将显示出强烈的耦合,对交流磁场的线性电压响应以及消除层状噪声,(II)分级的铁磁性层来自我磁性偏见; (iii)液相外延(LPE)的异质结构,以进行有效的应变转移; (iv)在传感器和传感器阵列的微型化中,微机械系统(MEMS)技术利用了微机械系统(MEMS)技术。 主要任务将包括(i)通过液相外观外观(LPE)在LGT底物上合成磁化材料分级的NZFO膜,(ii)对低频和共振ME相互作用的研究,(iii),(iii)MEMS悬臂设计和制造基于悬臂/LGT多个结构的综合材料和感应的材料(均具有频率调节的特征)(传感器。所需的FT敏感性将通过频率调制来实现,传感器在弯曲或机电共振下运行。 更广泛的影响:该研究的预期更广泛的影响包括:(i)在不同领域的应用中应用的微型磁性传感器和传感器阵列,包括医学成像(磁性摄影和磁摄影学)和安全系统。 (ii)材料和测量技术的人力资源开发和课程开发/丰富。 (iii)本科研究培训:PIS将招募本科科学和工程专业的研究。 (iv)高中生的研究经验:将招募来自当地学校的学生参加研究。

项目成果

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