Delist.ru

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

Автор: Андреев Илья Александрович

Для всех материалов внутренние потери при низких температурах падают с уменьшением температуры вследствие уменьшения фонон-фононного взаимодействия. На частотах много меньших обратного времени релаксации тепловых фононов (Т, существующие теории предсказывают линейное изменение потерь с частотой

Q-1 = g(T) f (Т (23)

где (Т=3K/C v2D, (24)

K–теплопроводность, С –теплоемкость, отнесенная к единице объема, vD –средняя дебаевская скорость звука, g(T) - постоянная материала, зависящая от температуры. Наблюдаемое постоянство произведения Q·f=1·1013Нz у высокодобротных толщинно-сдвиговых кварцевых пьезоэлектрических резонаторов подтверждает линейную частотную зависимость Q-1. В данном эксперименте возбуждение сдвиговых резонаторов на третьей механической гармонике с частотой 9 МНz приводило к 3-х кратному уменьшению механической добротности резонаторов.

Анализ графика Q-1(Т) продольных резонаторов показывает, что акустические потери слабо зависят от температуры, особенно у легированного лангасита. Внутреннее трение сдвиговых резонаторов изменяется с температурой сильнее, что можно обьяснить большим вкладом в общие потери потерь в поверхностном слое сдвиговых резонаторах. Ранее линейный рост внутренних потерь с температурой наблюдался при изучении релаксационных пиков акустических потерь у силленитов Bi12GeO20 и Bi12SiO20 в аналогичном частотно-температурном интервале (f=80 кHz - 1 MHz, Т=125 – 400 К). Двухкратное увеличение внутреннего трения на частоте 25 Нz наблюдалось также в кристаллах Ba2NaNb5O15 в интервале 100 –300 К.

Наблюдаемое уменьшение потерь у легированных образцов можно объяснить косвенным влиянием ионов Аl3+ и Тi4+ на времена релаксации тепловых фононов (Т., должно приводить к уменьшению теплопроводности, а следовательно и потерь. Такой результат, когда «грязный» кристалл имеет меньшие потери, чем чистый, находится в качественном соответствии с теорией Ахиезера и ранее наблюдался в работах [1,13]. Введение 4% Gе в кристаллы кремния уменьшало в 5 –6 раз затухание поперечных упругих волн с частотой 1 GHz при 80 К по сравнению с затуханием в чистом кремнии. В данном эксперименте частота поперечных колебаний значительно меньше и уменьшение потерь от легирования составляет не более 50%. Выше 400 К наблюдаемое увеличение акустических потерь можно объяснить влиянием 2-го релаксационного пика с максимумом при 550 К, обнаруженного Джонсоном.

Проведенные исследования позволяют понять следующее. Чистые кристаллы лангасита - неупорядоченные кислородосодержащие соединения - имеют низкочастотные акустические релаксационные потери, обусловленные кислородными вакансиями. Источником внутренних потерь в лангасите являются фонон-фононное взаимодействие, рассеяние на кислородных вакансиях и потери в поверхностной области кристалла, что подтверждается линейной зависимостью потерь от частоты поперечных колебаний и различным характером температурной зависимости потерь от температуры для продольных и поперечных упругих колебаний. Легирование лангасита алюминием или титаном подавляет пик релаксационных потерь и уменьшает времена релаксации тепловых фононов, что приводит к уменьшению акустических потерь. Кристаллы, изоморфные лангаситу, имеющие упорядоченную структуру с меньшим содержанием галлия и кремния обладают очень низкими акустическими потерями.

В пятой главе «Фотоупругость селенида цинка, ниобата бария-стронция и лантан-галлиевого силиката» представлены данные исследования фотоупругости кристаллов ZnSe, SBN и LGS при комнатной температуре и SBN в области фазового перехода.

Ранее было известно, что широкозонный полупроводник селенид цинка ZnSe как потенциальный акустооптический кристалл обладает тремя привлекательными свойствами - очень широкой полосой прозрачности 0,4 –18 микрон, большим показателем преломления 2,66 и низкими продольными и поперечными скоростями звука. Фотоупругие постоянные и акустооптическое качество М2 ZnSe не были известны. В работе по методу Диксона-Коэна измерены коэффициенты М2 и рассчитаны фотоупругие постоянные pIJ для главных направлений в кубическом ZnSe (табл. 4).

Методом дифракции света на звуке в режиме Рамана-Ната (методом «розеток») измерены М2 и рассчитаны семь фотоупругих компонент тригонального кристалла LGS. К сожалению, фотоупругие постоянные LGS оказались очень малыми, что в сочетании с низким показателем преломления n0=1,91 определяет низкую эффективность акустооптического взаимодействия в LGS (табл. 4).

Вследствие малого двупреломления кристаллов SBN антисимметричная поправка к pIJ SBN пренебрежимо мала. Значения модулей pIJ SBN при 20°С приведены в таблице 4.

Таблица 4. Фотоупругие компоненты и акустооптическая добротность кристаллов.

Кристалл Акустическая волна Оптич. волна Рij М2,10-18с3/г

Направ. Поляр Скорость Направ. Поляр

n = 2,66

? = 5.26 г/см3 001

110 001

110 4,06

1,82 010 100

Р11= 0,175

Р12= 0,145 Р44= 0,055 32

SBN nе=2,28

n0=2,31

?=5.25 г/см3 100

100 100

001 6,56

3,49 010

010 100

любая Р11=0,10

Р31=0,16

Р66=0,04

Р44=0,05 1,05

ne=1,89

n0=1.91

? =5.74 г/см3 100

010 100

~001 5,77

3,00 010

100 100

010 Р11=0,02

загрузка...