Delist.ru

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

Автор: Андреев Илья Александрович

Р12=0,04

Р 31=0,12

Р 13=0,07

Р 33=0,16

Р 66=0,01

Р 24=0,03 0,015

0,6 0,12

Несмотря на высокое значение показателей преломления ne=2,28 и n0=2,31, акустооптическая добротность M2 кристалла SBN оказывается сравнимой с добротностью M2 кварца в основном за счет малых значений pIJ , что позволяет отнести кристаллы SBN-0,4 к среде с умеренным фотон-фононным взаимодействием.

Измерения температурных зависимостей интенсивности рассеянного на акустических фононах света проводились на частоте 600 МГц, в интервале 80 - I20°С пpи поле = l кВ/см. Исследования выявили сильную температурную зависимость интенсивности света, рассеянного на продольных фононах с q //[100], поляризованного по [00l]. Интенсивность падает до нуля при T=80°C и остается равной нулю в интервале 80 - 120°С. Относительно резкое (для размытого фазового перехода в SBN) уменьшение интенсивности связано со стремлением к нулю постоянной p31E при Т ( ТС снизу. Исследования температурных зависимостей интенсивностей света, пропорциональных другим pIJ , выявили монотонное уменьшение интенсивности на 20-50% от значения при 20 С (рис.9). Было также обнаружено, что при Т ( 60°С сильно увеличивается паразитное рассеяние света на сосуществующих областях сегнето и парафазы. Исходя из этого и учитывая возрастание затухания с ростом температуры, можно заключить, что все измеренные pIJ, кроме р31, в пределах погрешности эксперимента не зависят от температуры в области фазового перехода. Для компонент pIJ пьезоэлектрического кристалла с малой оптической анизотропией можно записать:

рijE= рijP+ рijEL= рijP+rimhmj (25)

где рijP - измеряемая рij при Р= const , рijEL - электрооптическая фотоупругость, обусловленная совместным влиянием пьезоэлектрического и электрооптического эффектов, rim - линейный электрооптический коэффициент, hmj- пьезоэлектрический коэффициент деформации. В SBN линейный электрооптический эффект обладает очень сильной анизотропией: r33 = 20 r13, причём r33 на I - 2 порядка больше rim всех известных кристаллов, за исключением ниобата калия -тантала. При малых и низкочастотных полях температурное поведение rim ~РS? у сегнетоэлектриков с чётким фазовым переходом при Т?ТС снизу подчиняется закону r ~ (TC-T)-1/2. Поэтому аномальный рост r при Т ? ТС снизу обусловливает в сегнетоэлектриках с чётким переходом и слабым электрооптическим эффектом небольшое увеличение постоянной рЕ. Поскольку в SBN

Рис.9. Температурные зависимости интенсивностей дифрагированного света IX, IZ (а) и фотоупругой постоянной р31 (б) кристалла SBN.

аномалия ?3(Т) на частотах выше 20 МГц не наблюдается, то можно принять ?3 = const на частотах 600 МГц. Следовательно, r33 должен не возрастать, а падать с Т( ТС снизу как спонтанная поляризация. В силу аномально высокого значения r33 "электрооптическая" фотоупругость вносит основной вклад в фотоупругость r31Е и уменьшается с температурой как РS до тех пор, пока при ТС=80°С постоянная p31E оказывается настолько малой, что интенсивность IZ ~ p312 не регистрируется. Строго говоря, постоянная p31E должна быть отлична от нуля в интервале 80 - 120°С, так как хотя РS и изменяется на порядок, но не равна нулю. Но паразитное рассеяние существенно уменьшает значение IZ, а значит и значение постоянной p31E при Т > 600С.

Подобная закономерность в поведении фотоупругости обнаружена впервые для сегнетоэлектриков и обусловлена сочетанием аномально высокого электрооптического эффекта и подавлением температурной аномалии диэлектрической проницаемости на высоких частотах.

В шестой главе «Практические применения результатов проведённых исследований» обсуждается использование полученных результатов в акустоэлектронике и акустооптике.

К началу настоящего исследования из большого числа пьезоэлектриков в качестве резонаторов на объёмных акустических волнах (ОАВ) использовались термостабильные кварц и танталат лития. У резонаторов ОАВ, предназначенных для работы в частотных фильтрах, кроме малого ТКЧ, важными параметрами являются моночастотность и минимально возможная величина динамической индуктивности. Моночастотность - отсутствие паразитных резонансов в спектре колебаний трудно реализуется на тригональных кристаллах вследствие их низкой симметрии. В работе показано, что индуктивность резонаторов SBN, работающих на продольной моде колебаний вдоль [00l] на порядки меньше индуктивности резонаторов из кварца и танталата лития. Принципиально различное температурное поведение упругих податливостей SBN позволило предложить два различных типа резонаторов. Первый тип - резонатор с очень малой и перестраиваемой с помощью температуры индуктивностью, представляющий собой брусок, удлинённый вдоль полярной оси с металлизированными торцевыми гранями. Размытый фазовый переход, аномально большой пьезоэффект в направлении полярной оси и сильная зависимость электромеханических параметров продольной моды, обеспечивает сильное и в то же время плавное изменение индуктивности с температурой. Кристаллы SBN являются единственными, где возможно такое управление индуктивностью. Вторым типом являются резонаторы, работающие на сдвиговой моде. Их резонансная частота слабо зависит от температуры вблизи 20°С. Такие элементы позволяют получить температурно-стабильные резонаторы с малой индуктивностью.

Обнаружение ориентаций с параболической зависимостью частоты от температуры с экстремумом при Т=20?С у кристаллов лангасита La3Ga5SiO14 осенью 1983 г. стало началом интенсивного проведения акустических исследований, а затем и применений в акустоэлектронике кристалла LGS и других кристаллов, изоморфных лангаситу.

Первые резонаторы из LGS изгибных (50-123 КНz), продольных (100-130 КНz), контурных (400 – 650 КНz) и толщинных (3 –20 МНz) колебаний, выполненные на элементах с нулевым ТКЧ, защищенных авторскими свидетельствами, разработаны автором в ОАО «Морион» в 1985-1986 годах. Впервые была реализована относительно высокая добротность Q=105 у плоско-выпуклых линз Y/-2о среза с частотой 3 МНz. Более сильный пьезоэффект по сравнению с кварцем обеспечил улучшение всех параметров резонаторов LGS (резонансного промежутка и емкостного отношения в 2-3 раза, динамической индуктивности в 6-18 раз). Отсутствие сегнетоэлектрических свойств определило в 3-5 раз меньшее старение резонаторов LGS , чем у резонаторов танталата лития. Это позволило создать на основе резонаторов LGS продольных колебаний с частотой 125 – 135 КНz экспериментальные образцы канальных фильтров проводной телефонной связи с лучшими характеристиками и меньшими габаритами, чем у кварцевого фильтра компании Bell Systems.

Первые монолитные фильтры на LGS для выделения тактовых частот в цифровых системах передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией разработаны автором и И.Н.Юхно в Ленинградском отделении НИИ Связи в конце 1985 г. Фильтры были выполнены на Y/-20 срезе LGS, имели центральную частоту 2,048 МНz с температурной нестабильностью не более 200•10-6 в интервале температур от –60 до +80 0С.

Первые эксперименты по возбуждению, регистрации и измерению характеристик ПАВ в LGS были выполнены автором в 1984г. Было обнаружено, что одноповоротные Х- и Y- срезы LGS обладают высоким значениями коэффициента электромеханической связи (КЭМС) до 0,38% при температурном коэффициенте скорости ПАВ первого порядка от 0 до - 35 10-6/0С и потерях на распространение ПАВ от 0,5 до 0,8 dB/?s. Первые устройства на подложках лангасита с использованием ПАВ – фильтры на 36 МГц и линии задержки на 89 МГц были разработаны и изготовлены в 1985-1986 г.г. на технологической базе Института авиационного приборостроения и НПО «Авангард».

В дальнейшем теоретически и экспериментально было доказано существование у LGS многих ориентаций с достаточно высоким КЭМС, нулевым углом потока энергии, оптимальным параметром анизотропии и нулевым ТКЧ первого порядка. Оптимальным для практического использования является повернутый Y/+500 срез при распространении ПАВ в направлении Х, составляющим с осью Х1 кристалла угол ?= 22-250 Сочетание КЭМС=0,32%, низкой скорости ПАВ 2742 м/с нулевого ТКЧ(1), малого ТКЧ(2)=52(10-9/0С2 и температуры экстремума ТЧХ Т0=40оС позволяет реализовать широкополосные LGS фильтры на ПАВ для систем сотовой связи множественного доступа с кодовым разделением CDMA, имеющие лучшие характеристики и меньшие размеры, чем кварцевые ПАВ-фильтры на ST-срезе.

Управляемые ультразвуковые линии задержки, содержащие звукопровод из LiNbO3 обладают малой эффективностью управления временем задержки. В работе предложена управляемая линия задержки со звукопроводом из молибдата гадолиния, при этом преобразователи и управляющие электроды расположены на гранях звукопровода, параллельных кристаллографическим осям YZ и УX соответственно. Для молибдата гадолиния эффективность управления в 5- 15 раз больше, чем у кварца или ниобата лития. Преимуществом предложенной ультразвуковой линии задержки является возможность мгновенного и сильного изменения времени задержки сигнала.

Акустооптические модуляторы на LiNbO3, кроме малой дифракционной эффективности, имеют ограниченный диапазон прозрачности от 0,4 до 4,5 микрон. Увеличение дифракционной активности и диапазона прозрачности акустического модулятора света достигается использованием кристалла ZnSe, причем направление распространения продольной упругой волны совпадает с одной из главных осей кристалла и с плоскостью поляризации падающего на кристалл излучения. С помощью пьезоэлектрического преобразователя в ZnSe создается продольная упругая волна, например, вдоль главной оси кристалла [100]. На кристалл падает излучение, плоскость поляризации которого также совпадает с направлением [100]. Использование ZnSe в сочетании с определенной геометрией направления звукового пучка и поляризацией падающего излучения позволяет увеличить дифракционную эффективность в 4,5 раза и в 2,5 раза увеличить диапазон прозрачности модулятора. Это позволяет использовать предложенное устройство как в видимой части спектра, так и в инфракрасной области.

В акустооптических брэгговских дефлекторах для обеспечения существования дифракции в диапазоне частот используется способ синхронного с изменением частоты звука изменения показателей преломления среды дефлектора при помощи внешнего электрического поля. Использование LiNbO3 требует применения очень больших электрических полей 4,7 - 9,6 кВ/см, что обусловлено малым значением электрооптических коэффициентов. Полученные результаты по акустооптике SBN и уникально большой электрооптический эффект позволили предложить акустооптическое устройство, содержащее кристалл SBN, ориентированный по осям X, Y и Z, преобразователь сдвиговых упругих волн на гранях XZ и управляющие электроды на гранях XY. В устройстве на SBN достигнуто уменьшение корректирующего (модулирующего) поля и мощности сигнала на два порядка по сравнению с LiNbO3 .

Пьезорезонансные преобразователям температуры, работающие в схемах автогенераторов, обычно выполнены из кварца или ниобата лития. Недостатками указанных преобразователей являются их низкая чувствительность и плохая моночастотность. Для повышения чувствительности преобразователя и улучшения его моночастотности предложено использовать пьезоэлектрическую пластину монокристалла Bа2NaNb5O15 Z-среза. Преобразователь температуры может работать в диапазоне температур от -273°С до +560оС. Температурный коэффициент частоты преобразователя температуры в диапазоне температур минус 20°С - +30°С равен 215• 10-6/град, а в диапазоне температур + 110°С — + 120°С равен 233•10-6/ град. Моночастотность преобразователя значительно лучше, так как в силу симметрии кристалла в нём возбуждаются только продольные колебания по толщине. Использование кристалла

BNN позволяет повысить чувствительность и улучшить моночастотность преобразователя.

В работе предложен пьезорезонансный приёмник ИК – излучения на основе двух пластин монокристалла Bа2NaNb5O15 Z-среза, одна из которых имеет поглощающее покрытие и является собственно приёмником излучения, а вторая служит для измерения температуры датчика. Поглощенная энергия лучистого потока преобразуется в тепловую, что ведёт к нагреванию пьезоэлемента резонатора – датчика. Резонатор - датчик и компенсирующий резонатор включены в цепь обратной связи идентичных автогенераторов и определяют частоты колебаний их выходных сигналов. Пластина Bа2NaNb5O15 Z-среза имеет абсолютное изменение частоты на градус в 3,85 раза больше, чем кварцевая пластина Y/50 – среза кварца, используемая в ИК – приёмниках. Достигнуто увеличение интегральной чувствительности приёмника до 2?106 Гц / Вт при уменьшении инерционности и улучшении моночастотности приёмника.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Основные результаты и выводы проведенного исследования можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования акустических и акустооптических свойств оптически прозрачных твёрдых сред методом брэгговского рассеяния света на звуке, позволяющая регистрировать дифрагированный свет на уровне шумов. Предложен способ измерения скорости и затухания упругих волн, основанный на временной селекции, накоплении и измерении нечётных видеоимпульсов.

2. Определены упругие податливости, пьезомодули, коэффициенты эл.-мех. связи кристаллов SBN и BNN. Обнаружена сильная анизотропия пьезоэффекта и электромеханической связи. Показано, что отношение пьезомодулей кристаллов SBN и BNN не соответствует отношению у других кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков, и объясняется сильной анизотропией эффекта электрострикции. Впервые сделан вывод, что из трёх типов структур - перовскита, ильменита и тетрагональной калий - вольфрамовой бронзы последнему типу присуща более сильная анизотропия электрострикции, чем структуре перовскита или ильменита.

3. Исследовано поведение упругих податливостей, пьезомодулей, коэффициентов электромеханической связи и механической добротности SBN в области фазового перехода. Обнаружено существование пьезоэффекта и спонтанной поляризации при температурах, больших температуры Кюри, что обусловлено сосуществованием сегнето- и парафаз в ниобате бария-стронция.

4. Обнаружена резкая анизотропия температурных аномалий низкочастотных упругих параметров SBN. Сильные аномалии наблюдаются только для параметров, определяющих скорость и затухание волн вдоль полярной оси. Показано, что наблюдаемая анизотропия аномалий низкочастотных упругих свойств обусловлена в конечном счёте анизотропией электрострикции.

5. Обнаружены слабые противоположные температурные зависимости упругих податливостей S11 и S44 ниобата бария-стронция равные -5•10-5 и +5•10-6/°С вблизи 20°С, что говорит о возможности существования в этом кристалле кристаллографических ориентаций с нулевой зависимостью скорости упругих колебаний.

6. Показано, что характер зависимостей S33E(Т) и ?33 (Т) для продольной волны вдоль полярной оси с частотой 2-5•105 Гц в сегнетофазе соответствует выводам теории Дворака. Обратное время релаксации продольных фононов ?-1 и затухание ?33 в интервале 60 - 80°С хорошо подчиняется зависимости ?-1 ~ (TС-Т) и ?33 ~ (TС-Т). При Т>80°С поведение ?-1 и ?33 лучше соответствует поведению этих параметров у сегнетоэлектриков с центросимметричной парафазой.

7. Исследовано поведение скорости и поглощения высокочастотного звука с волновым вектором, параллельным полярной оси Z, и интенсивности рассеянного на звуке света в SBN в интервале 20-120°С. Скорость и поглощение не имеют сегнетоэлектрических аномалий в области температуры Кюри, что подтверждает подавление температурной аномалии диэлектрической проницаемости на высоких частотах порядка 10 8 Гц.

8. Обнаружена параболическая 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. В изоморфном лангаситу кристалле галлогерманате стронция Sr3Ga2Ge4O14 (гегастроне) подобное явление отсутствует.

9. Обнаружено 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. Обнаружена и измерена более высокая временная стабильность упруго-пьезо-диэлектричеких свойств лангасита по сравнению со свойствами сегнетоэлектриков;

10. Изучено влияние поля на изменение пространственного положения плоскости поляризации поперечной упругой волны в танталате лития LiTaO3. что обусловлено эффектом наведённой электрическим полем эллиптической поляризацией упругой волны вследствие зависимости скорости линейно поляризованной поперечной упругой волны от напряжённости электрического поля.

11. Обнаружен наибольший для кристаллов с нулевым температурным коэффициентом скорости и низким затуханием звука электроупругий (поляризационный) эффект в лангасите, порядка 100•10-12 м/В, что определяется особенностью лабильной структуры кристалла, деформируемой электрическим полем.

загрузка...