Delist.ru

Монокристаллы с умеренной и сильной электромеханической связью для акустоэлектроники и акустооптики (09.01.2008)

Автор: Андреев Илья Александрович

Для достижения этой цели было необходимо провести комплексные исследования диэлектрических, пьезоэлектрических, акустических и акустооптических свойств неисследованных ранее пьезоэлектрических монокристаллов различной симметрии, структуры и состава в широком диапазоне частот упругих волн, температур и электрических полей и решить следующие задачи:

1. Разработать методику и установку для исследования акустических и акустооптических свойств оптически прозрачных твердых сред методом брэгговского рассеяния света на звуке, позволяющую регистрировать дифрагированный свет на уровне шумов,

2. Исследовать анизотропию и дисперсию пьезоэлектрических и акустических свойств пьезоэлектрических монокристаллов Cd2(MoO4)3, Ca3(VO4)2 Ba2NaNb5O15, Ba0,4Sr0,6Nb2O6 и La3Ga5SiO14.

Исследовать анизотропию фотоупругости и акустооптических свойств кристаллов ZnSe, Ba0,4Sr0,6Nb2О6 и La3Ga5SiO14.

Изучить влияние температуры и внешнего электрического поля на акустические, пьезоэлектрические и акустооптические свойства кристаллов.

В работе использовались следующие методики:

1) измерение пьезоэлектрических и низкочастотных упругих свойств методом пьезоэлектрического резонанса в диапазоне частот 100 кГц – 20 МГц

2) измерение высокочастотных упругих параметров методом эхо - импульса в диапазоне частот 200 МГц - 1 ГГц

3) измерение высокочастотных упругих и акустооптических свойств методом дифракции лазерного излучения на упругих волнах с частотой 500 МГц - 2 ГГц в режиме Брэгга.

Научная новизна работы. В отличие от проведенных ранее исследований акустических и пьезоэлектрических свойств кристаллов, не решивших фундаментальную проблему связи их структуры и состава с существованием термостабильных упруго-пьезо-диэлектрических свойств и проблему нахождения сильного, акустически прозрачного пьезоэлектрика с термостабильными и управляемыми свойствами, проведеные в настоящей работе комплексные исследования пьезоэлектрических, акустических и акустооптических свойств малоизученных параэлектриков и сегнетоэлектриков с разными точечными группами, структурами, составом позволили установить ряд характерных особенностей, определяющих существование названных свойств.

Широкий диапазон экспериментальных условий и применение точных методов измерений позволили впервые:

1) исследовать анизотропию диэлектрических, пьезоэлектрических, упругих и электромеханических параметров кристаллов Ba2NaNb5O15, Ba04Sr06Nb2O6 и La3Ga5SiO14, определяемую особенностью структуры тетрагональной калий - вольфрамовой бронзы и тригонального кальций - галлогерманата;

2) исследовать нелинейное изменение с температурой упругости, пьезоэффекта, внутренних упругих потерь кристалла Ba04Sr06Nb2O6 в области размытого сегнетоэлектрического фазового перехода;

3) наблюдать релаксационный характер анизотропии температурных аномалий упругих параметров Ba04Sr06Nb2O6 обусловленной анизотропией электрострикции;

4) обнаружить слабые противоположные температурные зависимости упругих податливостей S11 и S44 Ba04Sr06Nb2O6 равные -5•10-5/°С и +5•10-6/°С вблизи 20°С, определяющие возможность существования в кристалле кристаллографических ориентаций с нулевой зависимостью скорости упругой волны от температуры вблизи 200С;

5) обнаружить и изучить параболическую зависимость частоты продольных и поперечных упругих колебаний в кристаллах La3Ga5SiO14 с температурой экстремума вблизи комнатной температуры, что явилось первым экспериментальным доказательством существования в La3Ga5SiO14 редкого явления в физике твердого тела - взаимной компенсации положительных и отрицательных температурных коэффициентов модулей упругости кристалла лангасита;

6) обнаружить отсутствие у кристаллов лангасита аномалий упруго-пьезо-диэлектричеких свойств в широком интервале температур, что свидетельствует о принадлежности лангасита к классу пьезоэлектриков-параэлектриков и отсутствии сегнетоэлектрических свойств;

7) обнаружить и измерить более высокую временную стабильность упруго-пьезо-диэлектричеких свойств кристаллов лангасита по сравнению со свойствами сегнетоэлектриков;

8) обнаружить и изучить влияние внешнего электрического поля на изменение пространственного положения плоскости поляризации поперечной упругой волны в танталате лития LiTaO3, обусловленное эффектом наведённой электрическим полем эллиптической поляризацией упругой волны вследствие зависимости скорости линейно поляризованной поперечной упругой волны от напряжённости электрического поля;

9) обнаружить и измерить наибольший для кристаллов с нулевым температурным коэффициентом скорости и низким затуханием звука электроупругий (поляризационный) эффект в лангасите, порядка 100•10-12 м/В, определяемый особенностью лабильной структуры кристалла, деформируемой электрическим полем;

10) исследовать анизотропию и дисперсию скорости и поглощения упругих волн в диапазоне частот 500 – 1700 МГц в сегнетоэлектриках и параэлектриках и найти зависимость между нормированным поглощением и симметрией, структурой и составом кристалла;

11) обнаружить и изучить малое поглощение низкочастотных и высокочастотных упругих волн в лангасите, обусловленное сложным составом и высокой симметрией кристалла;

12) исследовать влияние на упругие и пьезоэлектрические свойства лангасита процесса легирования кристалла ионами алюминия или титана и обнаружить существенное увеличение пьезоэффекта и уменьшение упругих потерь в кристалле вследствие упорядочения его структуры;

13) исследовать акустооптическое взаимодействие в кристаллах ZnSe, Ba04Sr06Nb2O6 и La3Ga5SiO14, измерить фотоупругие постоянные этих кристаллов и обнаружить высокую эффективность взаимодействия в селениде цинка;

14) обнаружить аномальное для всех известных кристаллов уменьшение до нуля фотоупругой постоянной p33 ниобата бария-стронция в области фазового перехода, обусловленное влиянием аномально высокого значения электрооптического коэффициента r33, изменяющегося с температурой как спонтанная поляризация РS.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Сильная анизотропия электрострикции ниобата бария-стронция, вызываемая искажением структуры тетрагональной калий-вольфрамовой бронзы определяет значительную анизотропию пьезоэффекта и коэффициента электромеханической связи и характер зависимости от температуры акустических параметров в области фазового перехода.

В кристалле ниобате бария-стронция температурное поведение фотоупругости, измеряемой в постоянном электрическом поле, определяется в области фазового перехода поведением спонтанной поляризации. В силу аномально высокого значения электрооптического коэффициента r33 "электрооптическая" фотоупругость, обусловленная совместным влиянием электрооптического и пьезоэлектрического эффектов вносит основной вклад в эффективную фотоупругую постоянную p31Е и уменьшается с температурой как спонтанная поляризация до тех пор, пока при температуре Кюри фотоупругая постоянная p31E оказывается пренебрежимо малой.

3. В монокристаллах лантан – галлиевого силиката (лангасита) существуют кристаллографические ориентации, для которых скорости продольных и поперечных упругих волн не зависят от температуры вблизи комнатной температуры, что связано с взаимной компенсацией температурных коэффициентов упругих модулей.

4. Введение в кристаллы лангасита модифицирующих ионов Аl3+ или Тi4+ - ионов с меньшим радиусом, чем радиус иона галлия, частично замещающих ионы галлия в кристаллах лангасита с алюминием в октаэдрических позициях на 11% и в тетраэдрических позициях на 3%, а в кристаллах лангасита с титаном в октаэдрических позициях на 28% и в тетраэдрических позициях на 5%, уменьшает неупорядоченность его структуры, обусловленную статистическим распределением в кристаллической решётке ионов Ga3+ и Si4+. Это определяет существенное увеличение пьезоэффекта и уменьшение упругих потерь в кристалле.

5. Среди кристаллов с термостабильными упругими свойствами и слабым поглощением упругих волн кристаллы лангасита обладают наибольшей зависимостью упругих модулей от величины электрического поля, порядка 100 10-12 м/В, что определяется особенностью кристаллического строения лангасита – наличием каналов, параллельных тригональной оси и заселенных наиболее крупными катионами, смещаемыми электрическим полем.

6. Монотонное изменение с температурой упруго-пьезо-диэлектрических параметров лангасита в широком интервале температур свидетельствует о принадлежности лангасита к классу пьезоэлектриков- параэлектриков. Отсутствие сегнетоэлектрических свойств определяет в три-пять раз более высокую температурную и временную стабильности упруго-пьезо-диэлектрических параметров лангасита по сравнению со свойствами сегнетоэлектриков.

7. В исследованных кристаллах разной симметрии и состава анизотропия затухания упругих волн выражена достаточно сильно, но связь между анизотропией затухания и анизотропией скорости звука отсутствует. В кристаллах с высокой температуры Дебая, более сложным составом и более низкой симметрией наблюдается уменьшение величины акустического затухания. Лангасит - тригональный кристалл с 14–ю атомами в элементарной ячейке и температурой Дебая 740 К имеет наименьшее нормированное затухание звука 0,9 – 4 дБ/ см ·ГГц2.

Из совокупности сформулированных положений следует, что в диссертации решена крупная научно-техническая проблема физики конденсированного состояния, имеющая важное хозяйственное значение – установлен ряд характерных особенностей, определяющих свойства акустически прозрачных кристаллов с термостабильными упруго-пьезо-диэлектрическимими параметрами, сильными электромеханической связью и электроупругим эффектом, и найдена группа кристаллов семейства лангасита, обладающая совокупностью таких свойств, что вносит существенный вклад в физику пьезоэлектриков и открывает новые подходы к разработке научных основ практических применений термостабильных высокодобротных пьезоэлектриков с управляемыми свойствами.

Теоретическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты дают обширный экспериментальный материал для развития представлений о физических закономерностях в сложных кислородосодержащих неупорядоченных соединениях, а также имеют большое значение для разработки теоретических основ конструирования и технологии изготовления акустоэлектронных устройств на основе данных соединений.

Практическая значимость работы. Исследование и применение монокристаллов семейства лангасита для создания акустоэлектронных устройств стабилизации и селекции частоты радиодиапазона на объёмных и поверхностных акустических волнах стало наиболее важным практическим результатом работы и получило развитие как новое направление в акустоэлектронике сначала в России, а затем и за рубежом.

На основании полученных результатов предложены и реализованы четыре группы акустоэлектронных и акустооптических устройств на исследованных кристаллах:

1) акустоэлектронные устройства стабилизации и фильтрации частоты радиодиапазона на кристаллах ниобата бария - стронция и лангасита с использованием обьёмных и поверхностных акустических волн в диапазоне частот 100 кГц – 90 МГц;

2) акустоэлектронные устройства, управляемые электрическим напряжением или температурой (линии задержки на кристаллах молибдата гадолиния, резонаторы на кристаллах ниобата бария-стронция);

3) пьезорезонансные устройства регистрации температуры и ИК- излучения на кристалле ниобате бария – натрия с интегральной чувствительностью 2•106 Гц/Вт;

загрузка...