Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I.
1.1. Физические свойства модификаций иодата лития
1.2. Распространение ультразвуковых волн в пьезополупроводниках
ГЛАВА П.
2.1. Методика изучения температурных, частотных и полевых зависимостей коэффициента поглощения ультразвука
2.2. Измерение температурных и полевых зависимостей модулей упругости иодата лития
2.3. Применение нерезонансного метода возбуждения и приема ультразвуковых волн для исследовании акустических свойств иодата лития
ГЛАВА Ш. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОДАТА ЛИТИЯ
3.1. Методика измерений электропроводности и диэлектрической проницаемости
3.2. Исследование частотных, температурных и полевых зависимостей относительной диэлектрической проницаемости иодата лития
3.3. Исследование частотных, температурных и полевых зависимостей электропроводности иодата лития
3.4. Выводы
ГЛАВА ЦТ. ИЗУЧЕНИЕ ЩШШМОВ ПОГЛОЩЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В ИОДАТЕ ЖШЯ 107
4.1. Температурные и частотные зависимости коэффициента поглощения ультразвуковых волн 107
4.2. Влияние внешнего электрического поля на поглощение упругих волн 126
4.3. Исследование температурной зависимости электроакустического эха в порошках иодата лития 137
4.4 Выводы
ГЛАВА У. ИЗУЧЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ УПРУГИХ СВОЙСТВ ИОДАТА ЛИТИЯ 146
5.1. Температурные зависимости модулей упругости 146
5.2. Влияние внешнего электрического поля на скорость распространения ультразвуковых
волн в иодате лития J-5I
5.3. Выводы 154
ГЛАВА УІ. ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.ИОДАТА .ЛИТИЯ 156
6.1. Резонансные преобразователи на основе монокристаллов иодата лития , 156
6.2. Применение иодата лития в качестве датчика акустической эмиссии 162
6.3. Апериодический датчик импульсных давлений. 163
6.4. Широкополосный преобразователь для ультразвукового импульсно-фазового интерферометра 167
6.5. Многоканальная пассивная ультразвуковая линия задержки 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 173
ЛИТЕРАТУРА 1
Введение к работе
Акустические методы исследования различных физических объектов, в особенности твердых тел, в последнее время составляют значительную часть экспериментальной физики твердого тела. Весьма важную роль такие методы играют в изучении свойств большого класса пьезополупроводниковых соединений, находящих с каждым годом все большее применение в современной радиоэлектронике, значительную область в которой теперь занимает акусто-электроника.
Специфика акустоэлектронных устройств требует комплексного изучения пьезополупроводниковых и других материалов, используемых в качестве основных компонентов таких приборов. При этом особое значение имеют исследования электроакустических свойств, позволяющие получить информацию о динамическом поведении объекта в присутствии внешних электрических полей при различных температурах, поэтому комплексное изучение упругих, электроакустических и электрофизических свойств пьезополупроводников пироэлектриков, а также описание их в рамках феноменологической теории электрон-фононного взаимодействия, представляет интерес в теоретическом плане.
Применение пьезополупроводников в технических устройствах по обработке и преобразованию сигналов, в основе которых лежит электроакустическое взаимодействие (пассивные и активные линии задержки, параметрические усилители и генераторы упругих волн, корреляторы и т.д.) требуют знания особенностей взаимодействия упругих волн с внешними электрическими полями. При этом важным являются как выяснение характера электроакустического взаимодействия в зависимости от частоты и поляризации в упругой волны во внешнем электрическом поле, так и количественное определение акустических и электроакустических констант. Разработка реальных устройств, использующих специфические акустические свойства исследуемого объекта, важна в плане конкретных технических применений, что и обуславливает актуальность работы в этом направлении.
Примерами конкретных решений могут быть пьезопреобразо-ватели с широкой частотной полосой и почти равномерной амплитудно-частотной характеристикой для качественной регистрации сложного по спектру акустического сигнала, например, в методе акустической эмиссии, и интегральные пассивные ультразвуковые линии задержки, выполненные из монокристаллов, реализующие многоканальное разделение исходного сигнала. Рассматриваемые в работе пьезопреобразователи из иодата лития существенно расширяют возможности современных методов ультразвукового контроля, в частности, за счет широкополосности, которая, вообще говоря, управляема внешними параметрами.
Интегральная линия задержки, использующая одновременное нерезонансное возбуждение упругих волн различных типов в рабочем пространстве, позволяет получить на выходе несколько сигналов с разными временами задержки, амплитудой которых можно управлять, изменяя внешние условия.
Оба типа указанных устройств могут быть эффективно реализованы только с применением таких пьезоэлектрических материалов, которые обладают вполне определенным набором взаимосвязанных физических свойств, например: большим пьезомодулем, значительным собственным поглощением упругих волн при комнатных температурах, сильной зависимостью коэффициента поглощения от внешних условий и другими. В связи с этим, при исследовании пьезополупроводниковых материалов, возникает необходимость в комплексных измерениях многих параметров, таких как «и. 6 скорость и поглощение ультразвука, а также электропроводности и диэлектрической проницаемости при разных температурах и -частотах.
Среди многообразных пьезополупроводниковых материалов особое место по своим электроакустическим и нелинейно-оптическим свойствам занимают соединения кислородно-октаэдрического типа АВО , при этом большой интерес для акустоэлектроники представляют иодаты щелочных металлов.
Одним из таких перспективных материалов является иодат лития гексагональной модификации (о(- LiJ03)f исследованию электроакустических свойств которого, в основном, и посвящена настоящая работа, выполненная в лаборатории ультразвука кафедры молекулярной физики Ленгосуниверситета им.А.А.Жданова.
В работе проведены экспериментальные исследования иодата лития при температурах от 77 до 500 К на частотах ультразвуковых волн от 2 до 50 МГц. При этом изучались не только акустические и электроакустические свойства, но и другие электрофизические характеристики иодата лития, что позволило получить наиболее полное представление о механизмах электроакустического взаимодействия в этих кристаллах.
Работа состоит из шести глав, в которых первая содержит обзорный материал, а остальные посвящены описанию и обсуждению экспериментальных результатов.
Первая глава в своей первой части посвящена, в освновном, детальному анализу известных из литературы кристаллофизиче-ских, акустических, оптических и электрофизических свойств всех кристаллических модификаций иодата лития (° 0іУ-LiJUa), причем наибольшее внимание уделено его гексагональной (нецент-росимметричной) фазе (c(-/./JCL)« Здесь обосновывается необхо 1-і» / • димость детального изучения электроакустических свойств, особенно температурных и частотных зависимостей поглощения упругих волн различных поляризаций в кристаллах и- Ч» обсуждаются вопросы, связанные с зависимостью акустических и пьезоэлектрических свойств этих кристаллов от условий их выращивания и технологии приготовления образцов. Во второй части первой главы дается обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных, в основном, вопросам электрон-фононного взимодей-ствия в пьезополупроводниках. Обсуждается линейная теория Хат-сона-Уайта в применении к известным пьезополупроводниковым монокристаллам, проводимость которых можно изменять освщенностью или температурой. Обращается внимание на неудовлетворительное согласие эксперимента и теории в случае электрически-неоднородных образцов сульфида кадмия, а также в случае фоточувствительного поглощения высокочастотного ультразвука в этом же материале» Особо обсуждается вопрос о применимости теории Іатсона-Уайта к пьезополупроводникам суперионного типа.
Вторая глава содержит описание методов экспериментальных исследований, применявшихся в настоящей работе, с оценкой их точности и надежности. Необходимость проведения ультразвуковых измерений при высоких и низких температурах во внешнем электрическом поле привела к созданию специальной конструкции держателя образцов, оказавшейся пригодной и для электрофизических измерений. Особое внимание в этой главе уделено возможности применения в температурных измерениях нерезонансного метода возбуждения упругих ультразвуковых волн различных поляризаций в образцах «/JC npE различной геометрии электродов.
В третьей главе приведены результаты исследований электрофизических свойств гексагонального иодата лития: относительной диэлектрической проницаемости и электропроводности, которые о изучались в большом частотном и температурном диапазонах при приложении внешних электрических полей. Эти исследования позволили уточнить характер электропроводности при высоких и низких температурах, важный для интерпретации вида электроакустического взаимодействия в подате лития, а также получить ряд энергетических констант материала.
В четвертой главе приведены экспериментальные результаты проведенных исследований поглощения упругих волн различных поляризаций в образцах ck-LiJU Показано наличие значительных релаксационных максимумов на температурных зависимостях коэффициента поглощения продольных упругих волн, распространяющихся вдоль оси шестого порядка монокристалла c(-Z./JUj, и наличие монотонной температурной зависимости для остальных типов волн. Приведены также полевые зависимости скорости и коэффициента поглощения для упругих волн разных поляризаций и направлений. Кроме того, представлены температурные зависимости характерного времени релаксации Т в методе электроакустического эха на порошках гексагонального иодата лития, показывающие аномальную корреляцию с поглощением ультразвуковых волн в монокристаллических образцах.
Пятая глава посвящена изучению линейных упругих свойств образцов, конкретнее, исследованию температурных и полевых зависимостей упругих модулей монокристаллов» Результаты экспериментов показывают значительное влияние температуры и напряженности внешнего электрического поля на скорость продольных упругих волн, распространяющихся вдоль гексагональной оси монокристалла иодата лития, в то же время аналогичное влияние незначительно для других типов волн.
В шестой главе рассмотрены вопросы практического применения, в основе которых использованы результаты исследования электроакустических свойств гексагонального иодата лития, при этом детально описаны и обсуждены: резонансные пьезопреобразователи с управляемой добротностью, апериодический датчик импульсных давлений, широкополосный преобразователь для акустического импульсно-фазового интерферометра и многоканальная пассивная ультразвуковая линия задержки.
