Введение к работе
Актуальность темы. Пьезоэлектрические и упругие характеристики являются важными параметрами, определяющими многие физические процессы в кристалле. Необходимость широкого исследования кристаллов, обладающих ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, вызвана также возрастающими в последнее время потребностями акустоэлектроникп в материалах с улучшенными свойствами.
К настоящему времени существующие теории не позволяют достаточно точно прогнозировать электромеханические характеристики кристаллов по химическому составу и структуре, поэтому экспериментальные исследования особенно важны.
Несмотря на существование огромного количества пьезоэлектрических кристаллов, широкое применение к настоящему времени имеют главным образом кварц (ЭЮг), ннобат лития (ІлМЬОз) и танталат лития (ІлТаОз). Эти кристаллы сильно различаются по электромеханическим свойствам и температурной стабильности.
Стремительное, в последнее время, развитие акустоэлек-тронных применений, особенно средств мобильной связи, выявило потребность в кристаллах с промежуточными свойствами, то есть с более сильной, чем у кварца, пезоактивностью, и с лучшей, чем у ниобата и танталата лития, термостабильностью. Поиск и исследование таких кристаллов представляет важную для пьезотехники и интересную для науки задачу.
С этой точки зрения в настоящее время основной интерес уделяется кристаллам группы берлинита (АІРО4), кристаллам группы тетрабората лития (L12B4O7) и кристаллам группы лантан-галиевого силиката (La3Ga5SiO)4), (LGS). Эти кристаллы интенсивно исследуются, однако ряд факторов ограничивает их практическое применение. При выращивании кристаллов берлинита возникают серьезные трудности, которые пока не позволяют получить кристаллы необходимого для практических применений качества.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны несколько кристаллов из группы LGS и кристалл тетраборат лития. Были исследованы частично изученный до наших работ кристалл LGS, еще не исследованные на термостабильность кристалл лантан галлиевого ниобата 1^^355^0,5^14 (LGN) и стронций галлиевый гер.манат Sr3Ga2 Направление исследований. Основным методом поиска новых пьезоэлектрических кристаллов в настоящее время являются широкие экспериментальные исследования. Причина этого заключается в невозможности получить теоретически, с достаточной для практических применении точностью, электромеханические пара- метры кристалла. Для получения согласованных данных весь комплекс измерений материальных констант и их температурных коэффициентов необходимо проводить на образцах, приготовленных из одного кристалла. Это снизит разброс физических параметров из-за различий по стехиометрии, примесям, дефектам, неоднородностям, внутренним напряжениям. Правильное определение температурных коэффициентов материальных констант требует высокой точности их измерения. Кроме того, измерения каждой величины, влияющей на определение результирующих электромеханических характеристик, необходимо проводить с точностью, соответствующей точности остальных величин. Это выдвигает проблему подбора комплекса близких по точности методик измерения материальных констант. Цель и задачи исследования. Целью данной работы является: Экспериментальное исследование температурных зависимостей электромеханических материальных констант кристаллов LGS, LGN, SGG и тетрабората лития в широком интервале температур с использованием прецизионных и близких по точности методов. Получение, на основании экспериментальных данных, полного согласованного набора электромеханических материальных констант кристаллов LGS и LGN и проведение расчетов их электромеханических характеристик в произвольном направлении во всем исследованном температурном интервале. Определение для этих кристаллов направлений, в которых одновременно существуют сильная пьезоактивность и высокая термостабильность. Изучение возможных аномалий упругих свойств тетрабората лития и их влияния на термостабильность кристалла, проведение измерений температурных зависимостей скоростей звука ряда упругих мод, а также рентгеновских исследований параметра решетки при низких температурах. Научная новизна работы. Впервые в широком температурном интервале, с использованием комплекса согласованных по точности .методик проведены исследования фазовых скоростей звука, резонансных характеристик, диэлектрических свойств и теплового расширения кристаллов LGS и LGN. Впервые из экспериментальных данных, измеренных на одном кристалле, получен полный набор упругих и пьезоэлектрических модулей, диэлектрических постоянных и коэффициентов теплового расширения для кристаллов LGS и LGN". Впервые в кристалле LG\T обнаружены направления с нулевым температурным коэффициентом скорости звука и частоты. Впервые в кристаллах LGS, LGNu SGG обнаружены аномалии температурной зависимости диэлектрической постоянной єзз- В том числе обнаружены диэлектрические постоянные с отрицательными температурными коэффициентами, а на температурной зависимости єзз кристалла LGN обнаружен излом при температуре ЗОК, с выходом на плато при более низких температурах. Впервые проведены исследования температурных зависимостей теплопроводности кристаллов LGS и LGN, показана близость этих кристаллов с точки зрения теплопроводности к разупорядо-ченным структурам и стеклам. Впервые проведены исследования скоростей звука ряда мод в кристалле тетрабората лития в широком интервале температур. Обнаружены аномалии в виде скачков скорости звука и гистере-зисных явлений, особенно интенсивных для продольной и сдвиговой мод по оси Z. Впервые проведены рентгеновские исследования параметра ячейки в кристалле тетрабората лития при температурах до 4.2К. На температурной зависимости параметра ячейки с обнаружена аномалия в виде излома при температурах 65К с выходом на плато при более низких температурах. Практическая ценность работы. Данная работа имеет непосредственное практическое применение, поскольку ее результаты используются при конструировании конкретных акустоэлектрон-ных устройств из кристаллов LGS и LGN и при расчете их электромеханических характеристик. В настоящей работе в этих кристаллах найдены направления с нулевыми температурными коэффициентами фазовой скорости звука, срезы с нулевым температурным коэффициентом частоты а также эффективные при практическом использовании срезы, обладающие одновременно сильной пьезоактивностью и высокой термостабильностью. Полученные в работе данные и реализованные алгоритмы позволяют рассчитать для тригональных кристаллов направления и срезы, имеющие заданные значения ряда электромеханических параметров и их температурных коэффициентов, в том числе минимальные, максимальные и нулевые. Термостабильные срезы кристалла LGN нами запатентованы. Полученные нами данные широко используются для расчетов резонаторов и устройств ПАВ на лангасите. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Реализация лабораторно - методического комплекса измерений полного набора электромеханических материальных констант, включающего в себя прецизионные и согласованные по точности, огигинальную ультразвуковую установку, резонансную установку для измерения пьезосвоиств, е>1костные установки для измерения коэффициентов теплового расширения и диэлектрических постоянных, унифицированную систему регулирования температуры. 2.Проведение на одном кристалле комплексных исследований температурных зависимостей электромеханических параметров кристаллов LGS и LGN, в том числе фазовых скоростей большого набора упругих мод, теплового расширения, резонансных характеристик пьезоэлементов, диэлектрических свойств. Получение на основании экспериментальных данных полного набора температурных зависимостей упругих и пьезоэлектрических модулей. Проведение исследований упругих и диэлектрических свойств кристалла SGG. Обнаружение в кристаллах LGS и LGN мод с положительным температурным коэффициентом скорости звука и направлений с нулевым температурным коэффициентом фазовой скорости упругой волны. Обнаружение в кристаллах LGS, LGN и SGG аномальной температурной зависимости диэлектрической постоянной Є33, имеющей отрицательный температурный коэффициент. Кроме того, в кристалле LGN, наиболее изученном с точки зрения диэлектрических свойств, диэлектрическая постоянная Є33 имеет аномалию в виде излома при температуре ЗОК, и выходит на плато при более низких температурах. Проведение по экспериментальным данным расчетов ряда электромеханических характеристик кристаллов LGS и LGN для всех направлений. Нахождение срезов с нулевыми температурными коэффициентами фазовой скорости и частотной постоянной, а также зоны направлений, в которых сильный пьезоэффект совпадает с высокой термостабильностью. Обнаружение аномально низких значений теплопроводности кристаллов LGS и LGN при низких температурах. Такой вид температурной зависимости теплопроводности характерен для сильно разупорядоченных структур и стекол. Обнаружение на температурных зависимостях скоростей звука в теграборате лития в температурном диапазоне 65 - 375К скачков и гистерезисных явлений, характерных для несоизмеримой фазы или доменной структуры. Аномальные явления наиболее сильно выражены для продольной и сдвиговой мод по оси Z, некоторые из них группируются в окрестности температур 75К, 125К, 215К. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международном симпозиуме ISSWAS, Новосибирск, июль 1996, на всесоюзной конференции "Реальная структура и свойства ацентричных кристаллов", Александров, сентябрь 1990, на международном симпозиуме IEEE FCS, Salt Lake City, США, июнь 1993, на международной конференции EWPM, Монпелье, Франция, декабрь 1993, на международном симпозиуме IEEE FCS, Сан-Франциско, Калифорния, США, июнь 1993, на международном симпозиуме IEEE FCS, Гонолулу, Гавайи, июнь 1996, на международной конференции EWPM, Монпелье, Франция, сентябрь 1997. Публикации и вклад автора. Основные результаты работы отражены в 26 публикациях, в том числе в тезисах десяти конференций, в отечественных и зарубежных изданиях. Опубликованные работы написаны в соавторстве. В них приведены основные экспериментальные данные, полученные автором, и сделаны основные выводы. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, включающих 50 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.
Похожие диссертации на Исследование электромеханических свойств новых сильных пьезоэлектриков
