Монокристаллы с умеренной и сильной электромеханической связью для акустоэлектроники и акустооптики Андреев Илья Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Фонон-фононное и фотон-фононное взаимодействия в диэлектриках 23

1.1. Механизмы фонон-фононного взаимодействия в диэлектриках. Влияние точечных дефектов 23

1.2. Фотоупругость ацентричных кристаллов. Фотоупругость сегнетоэлектриков в области фазового перехода 32

1.3. Термостабильные пьезоэлектрические кристаллы для акусто-электроники на объёмных и поверхностных акустических волнах 39

1.4. Выводы обзора и постановка задачи исследования 52

Глава 2. Методики эксперимента, измерительные установки и исследуемые образцы 54

2.1. Методики исследования пьезоэлектрических и низкочастотных упругих свойств кристаллов 54

2.2. Методика исследования фотоупругих и высокочастотных упругих свойств кристаллов (метод брэгговского рассеяния света на звуке) 57

2.3. Общая блок-схема установки брэгговского рассеяния и её оптическая, акустическая и измерительная части 61

2.4. Исследуемые образцы кристаллов, преобразователи гиперзвука и эталоны ниобата лития 69

Глава 3. Влияние температуры и постоянного электрического поля на пьезоэлектрические и упругие свойства монокристаллов 74

3.1. Диэлектрические, пьезоэлектрические и упругие свойства кристаллов ниобата бария-натрия, ниобата бария-стронция и лантан-галлиевого силиката при комнатной температуре 74

3.1.1. Анизотропия электромеханических и упругих свойств кристаллов Ba2NaNbsOi5 и Bao^Sro^Nt^Oe 74

3.1.2. Монокристаллы лангасита LasGasSiOu 80

3.1.3. Обсуждение экспериментальных результатов 83

3.2. Упругие и электромеханические параметров кристалла ниобата бария-стронция в области фазового перехода 90

3.2.1. Температурные зависимости упругих и электромеханических параметров, связанных с продольной модой, распространяющейся вдоль полярной оси 90

3.2.2. Температурные зависимости упругих и электромеханических параметров мод, определяемых податливостями Si і и S44 96

3.2.3. Обсуждение экспериментальных результатов 104

3.3. Температурная зависимость диэлектрических и упругих свойств лангасита. Обнаружение кристаллографических ориентации с нулевым ТКЧ упругих колебаний в лангасите 117

3.4. Влияние внешнего электрического поля на упругие свойства кристаллов 125

3.4.1. Индуцированная электрическим полем эллиптическая поляризация поперечных упругих волн в танталате лития 125

4 3.4.2. Электроупругий (поляризационный) эффект в кристаллах лангасита 132

3.5. Выводы 143

Глава 4. Низкочастотные и высокочастотные акустические свойства монокристаллов 149

4.1. Акустические потери в чистых и легированных кристаллах лангасита 149

4.2. Высокочастотные акустические свойства кристаллов ниобата бария-стронция и ортованадата кальция 159

4.2.1. Анизотропия и дисперсия скорости и затухания высокочастотных упругих волн в ниобате бария-стронция 159

4.2.2. Анизотропия и дисперсия скорости и поглощения продольного гиперзвука в ортованадате кальция Саз(У04)г 167

4.3. Упругие свойства селенида цинка и анизотропия затухания упругих волн в молибдате гадолиния 171

4.4. Влияние температуры Дебая, симметрии и состава кристалла на высокочастотное поглощение упругих волн 172

4.5. Выводы 175

Глава 5. Фотоупругость селенида цинка, ниобата бария-стронция и лантан-галлиевого силиката 177

5.1. Фотоупругие компоненты и акустооптическая добротность кристаллов ZnSe, LGS и SBN при комнатной температуре 177

5.2. Анизотропия температурных аномалий фотоупругого эффекта в кристаллах SBN в области фазового перехода 182

5.3. Влияние внешнего электрического поля на геометрию акустооптического взаимодействия в кристаллах SBN 190

5.4. Выводы 192

Глава 6. Практические применения результатов проведённых исследований 196

6.1. Пьезоэлектрические резонаторы продольных колебаний на кристаллах SBN и акустоэлектронные устройства на кристаллах LGS 196

6.2. Управляемая электрическим полем ультразвуковая линия задержки на кристалле молибдата гадолиния 201

6.3. Акустооптические устройства на кристаллах селенида цинка и ниобата бария-стронция 202

6.4. Пьезорезонансный преобразователь температуры и приемник ИК-излучения на кристалле ниобата бария-натрия 207

Заключение 210

Библиографический список использованной литературы 218

Приложения

• Фотоупругость ацентричных кристаллов. Фотоупругость сегнетоэлектриков в области фазового перехода
• Методика исследования фотоупругих и высокочастотных упругих свойств кристаллов (метод брэгговского рассеяния света на звуке)
• Температурные зависимости упругих и электромеханических параметров, связанных с продольной модой, распространяющейся вдоль полярной оси
• Высокочастотные акустические свойства кристаллов ниобата бария-стронция и ортованадата кальция

Введение к работе

В последние 40 лет важными и развивающимися областями физики твердого тела являются акустоэлектроника и акустооптика, изучающие возбуждение и распространение упругих волн высоких и сверхвысоких частот в твердом теле, а также взаимодействие упругих волн с когерентным оптическим излучением. При распространении в твердом теле упругих волн с длиной волны до долей микрона значительную роль играют эффекты фонон-фононного и фотон-фононного взаимодействия [1,2].

С ростом частоты упругих волн увеличивается их поглощение в твердом теле, причем наименьшее удельное поглощение наблюдается в монокристаллах. Поэтому прогресс в развитии акустоэлектроники в основном определяется появлением новых пьезоэлектрических монокристаллов с малым поглощением упругих волн и сильной электромеханической связью, имеющих особые кристаллографические ориентации с нулевым температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) упругих колебаний или скорости обьемных (ОАВ) и поверхностных акустических волн (ПАВ) в области 20 С.

Термостабильный и высокодобротный кристаллический кварц с 1935 г. по настоящее время остается основой пьезоэлектроники, однако он является слабым пьезоэлектриком, что стимулирует поиск новых термостабильных сильных пьезоэлектриков [3].

В 1966 - 1981 годах были открыты И: исследованы три< пьезоэлектрических монокристалла: с сильной электромеханической связью и нулевым ТКЧ: танталат лития ЕіТаОз, фосфат алюминия (берлинит) АІРО4, и тетраборат лития- Ы2В4О7. Однако по совокупности физических свойств эти кристаллы значительно уступают кристаллическому кварцу и не могут служить основой акустоэлектронных устройств стабилизации и селекции частоты в радиоэлектронных и.оптических системаххвязи [4]:

Изучение нелинейных свойств кристаллов имеет важное значение /при исследовании структурных фазовых переходов и создании устройств с управляемыми, параметрами; [5]. В" окрестности фазового' перехода кристаллическая решетка лабильна^ наблюдается сильный ангармонизм фонон-фононного и фотон-фононного взаимодействий [6] L Нелинейный; пьезоэффект изучен на ограниченном; числе кристаллов, причем ни один известный к 1986 г. кристалл не сочетал в себе термостабильные упругие свойства,, низкие потери и-< достаточный для практического применения нелинейный пьезоэффект [7]. .

Поэтому поиск физических- особенностей пьезоэлектриков, определяющих свойства высокодобротных монокристаллов с термостабильными; упруго-пьезо-диэлектрическимими параметрами, сильными электромеханической¹ связью и электроупругим эффектом является важной проблемой прикладной физики.

С 1977 по 1983 г. внимание автора было обращено, на' монокристаллы кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков? молибдата гадолиния

8 Gd2(MoC>4)3, кристалла ванадата кальция Ca₃(V04)2, синтезированного

впервые в 1981 г. в лаборатории Ю.С. Кузьминова (ИОФАН), кристаллов со

структурой калий-вольфрамовой бронзы - ниобата бария-натрия

BaiNaNbsOis и ниобата бария-стронция Ba_xSri__xNb206, обладающего

уникальным сочетанием электрооптических, пироэлектрических и

фоторефракционных свойств.

В 1983 г. были начаты исследования неизвестного ранее монокристалла

сложного окисла лантан - галлиевого силиката La3GasSiOi4,

синтезированного впервые в мире Б.В. Миллем (МГУ) с целью

использования предполагаемой оптической нелинейности кристалла для

управления частотой излучения твердотельных лазеров. Высокое качество и

большие размеры кристаллов дангасита, LGS (эти название и аббревиатура

для кристаллов лантан-галлиевого силиката введены автором диссертации в

1983 г.), выращенных М.Ф.Дубовиком в НПО Монокристаллов, позволили

автору диссертации получить принципиально важные результаты и

выполнить разработки акустоэлектронных устройств на кристаллах

лангасита на несколько лет раньше коллег в России и за рубежом.

Целью исследования является установление характерных особенностей

пьезоэлектрических монокристаллов, определяющих низкие акустические

потери, температурную и временную стабильность упруго-пьезо-

диэлектрических параметров, значительную величину электромеханической

связи и электроупругого эффекта.

9 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 СсІ2(Мо04)з»
Ca₃(V0₄)₂ B_a2NaNb₅0₁₅, Ba₀,4Sro,6Nb₂0₆ и La₃Ga5Si0₁₄.

3. Исследовать анизотропию фотоупругости и акустооптических свойств
кристаллов ZnSe, Bao,4Sro,6Nb2C>6 и La3Ga₅SiOi4.

4. 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 0,1-20 МГц.

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

10 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 Ba2NaNbsOis,

Bao4Sr₀6Nb2C)6 и La3Ga₅SiOi4, определяемую особенностью структуры

тетрагональной калий - вольфрамовой бронзы и тригонального кальций -

галлогерманата;

2. исследовать нелинейное изменение с температурой упругости, пьезоэффекта, внутренних упругих потерь кристалла Bao4Sro6Nb206 в области размытого сегнетоэлектрического фазового перехода;

3. наблюдать релаксационный характер анизотропии температурных аномалий упругих параметров Ba₀4Sro6Nb206 обусловленной анизотропией электрострикции;

4. обнаружить слабые противоположные температурные зависимости упругих податливостей Si і и S44 Ba₀4Sro6Nb₂06 равные -5-10"⁵/С и +5-10"^б/С вблизи 20С, определяющие возможность существования в кристалле кристаллографических ориентации с нулевой зависимостью скорости упругой волны от температуры вблизи 20 С;

5. обнаружить и изучить параболическую зависимость частоты продольных и поперечных упругих колебаний в кристаллах LasGasSiO^ с температурой экстремума вблизи комнатной температуры, что явилось первым экспериментальным доказательством существования в La₃GasSiOi4 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 ЫТаОз, 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

-I?

электроупругий (поляризационный) эффект в лангасите, порядка 100-10" 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

13 обнаружить существенное увеличение пьезоэффекта и уменьшение

упругих потерь в кристалле вследствие упорядочения его структуры;

13) исследовать акустооптическое взаимодействие в кристаллах ZnSe,
Bao4Sro6Nb2C>6 и La3Ga₅SiOi4, 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 р₃< | ниобата бария-стронция в области
фазового перехода, обусловленное влиянием аномально высокого
значения электрооптического коэффициента Гзз,- изменяющегося с
температурой как спонтанная поляризация Ps-

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. 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. 2: 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 г₃з "электрооптическая" фотоупругость, обусловленная совместным влиянием электрооптического и пьезоэлектрического эффектов вносит основной вклад

14 в эффективную фотоупругую постоянную рзі^Е и уменьшается с температурой

как спонтанная поляризация до тех пор, пока при температуре Кюри

фотоупругая постоянная p₃i 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 А1³⁺ или Ti⁴⁺ -ионов с меньшим радиусом, чем радиус иона галлия, частично замещающих ионы галлия в кристаллах лангасита с алюминием в октаэдрических позициях на 11% ив 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 Ga ⁺ и Si ⁺. 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"^IZ 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 2Ъ '>~Ыр атомами в
элементарной ячейке и температурой Дебая 740 К имеет наименьшее
нормированное затухание звука 0,9 - 4 дБ/ см ТГц².

Основные положения, выдвигаемые на защиту, опубликованы в следующих работах:

1. Андреев И.А., Шапкин В.В. Электромеханические свойства моно
кристаллов Ba_xSri._xNb206 // Физика твёрдого тела. -1979. Т. 21. №5. - С.
1576-1578.

2. Андреев И.А., Иванов Г.А., Кузъминов Ю.С., Полозков Н.М. Высоко
частотные упругие волны в сегнетоэлектрическом Ba_xSri._xNb206 // Физика
твёрдого тела. -1981. Т. 23. №2. - С. 628-631.

6. Андреев И.А., Ивлева Л.И. Гиперзвук в монокристалле нового сегнетоэлектрика Ca₃(V04)2 // Физика твёрдого тела. -1981. Т. 23. №12. -С. 3721-3724.

7. Андреев И.А. Фотоупругость Ba_xSri._xNb206 в области сегнето-электрического фазового перехода // Письма в Журнал технической физики. -1982. Т. 8. №17. - С. 1067-1071.

5. Андреев И.А., Кузъминов Ю.С., Полозков Н.М. Слабая температурная зависимость упругих податливостей Si і и S44 кристалла Ba_xSri__xNb20₆ вблизи 20 С // Журнал технической физики. -1983. Т. 53. №8. - С. 1632-1634.

6. Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Новый пьезоэлектрик лангасит La3Ga₅SiOi4 -материал с нулевым температурным коэффициентом частоты упругих колебаний // Письма в Журнал технической физики. -1984. Т. 10. №8. - С. 487-491.

7. Андреев И.А. К 20-летию обнаружения термостабильных упругих свойств

кристалла LasGasSiOu и появления термина "лангасит" // Журнал технической физики. -2004. Т. 74. №9. - С. 1-3.

8. Андреев И.А. Акустоэлектронные компоненты и пьезоэлектрические
монокристаллы: современное состояние и применения // Вопросы
оборонной техники. 2005. №5/6. - С. 37-44.

9. Андреев И.А. Влияние электроиндуцированной эллиптической
поляризации звука на акустооптическое взаимодействие в ІЛТаОз //
Оптический журнал. -2005. Т. 72. №10. - С. 79-81.

10. Андреев И.А. Поляризационный эффект в кристаллах лангасита // Журнал

технической физики. -2006. Т. 76. №1. - С. 124-128.

11. Андреев И.А. Анизотропия и дисперсия скорости и поглощения упругих волн в пьезоэлектрических кристаллах // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена. Естественные и точные науки. -2006. март. - С. 27-43.

12. Андреев И. А. Монокристаллы семейства лангасита - необычное сочетание свойств для применений в акустоэлектронике // Журнал технической физики. -2006. Т. 76. №6. - С. 80-86.

13. Андреев И. А. Анизотропия электромеханических свойств пьезо
электрических кристаллов со структурой вольфрамовой бронзы и
лангасита//Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. -2007. №1 - С. 45-52.

14. Andreyev LA., Gorokhovatsky Y.A. Electric field influence on elasticity of crystals //Moldavian J. of Phys. Sciences. -2007. V.6. №1 (январь). - p. 79-85.

15. Андреев И.А., Ивлева ЛИ Кристаллы для эффективного преобразования и управления лазерным излучением // Оптический журнал. -2007. Т. 74. №9 . - С.40-44.

16. Андреев И.А., Шапкин В.В. Устройство для измерения напряженности статических и квазистатических полей // А.С. № 527675, Бюл."Открытия, изобретения", №33, 1911 т.

17. Андреев И.А., Шушков А.Г., Галъцев А.П. и др. II Авторское свидетельство
№102249, 1977 г.

18. Андреев И.А., Шапкин В.В. Управляемая ультразвуковая линия задержки

//Авторское свидетельство № 716498, 1979 г.

19. Андреев И. А., Шапкин В.В. Пьезорезонансный преобразователь
температуры //№ 777481, бюл."Открытия, изобретения", №41, 1980 г.

20.Андреев И.А., Иванов Г.И., Величко И.А., Мельников Б.В. Акустический

модулятор света на продольных упругих волнах // Авторское

свидетельство № 795231, 1980 г. 2\.Андреев И.А., Кузъминов Ю.С., Камеристый Э.Ю., Полозков Н.М.

Пьезорезонансный датчик излучения // Авторское свидетельство №

807768, 1980 г. 22. Андреев И. А., Кузъминов Ю.С., Полозков Н.М. Акустооптическое

устройство с электрической коррекцией угла Брэгга // Авторское

свидетельство № 814093, 1980 г. 23.Андреев И.А., Величко И.А. Способ измерения скорости и затухания

упругих волн // А.С. № 879413, Бюл. "Открытия, изобретения", 1981 г.

№41, -С.247-250. 24.Андреев И.А., Величко И.А. Установка для изменения скорости и затухания

упругих волн // Авторское свидетельство № 878021, 1981 г. 25. Андреев И.А., Шапкин В.В., Дубовик М.Ф. Пьезоэлектрический

преобразователь // А.С. № 947933, Бюл. "Открытия, изобретения", 1982 г.,

№28, -С. 245-246. 26.Андреев И.А., Шапкин В.В., Соболев Г.Н. Пьезоэлектрический резонатор //

Авторское свидетельство № 943789, 1982 г.

19 П.Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Пьезоэлектрический элемент (его варианты) //

Авторское свидетельство № 1222170, 1985 г. 28.Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Пьезоэлектрический контурно-сдвиговый

элемент // Авторское свидетельство № 1230317, 1985 г. 29.Андреев И.А., Дубовик М.Ф., Рассветаев В.Л. II Авторское свидетельство

№258111, 1987 г. 30.Андреев И.А., Дубовик М.Ф., Рассветаев В.Л. II Авторское свидетельство

№258101, 1987 г. 31.Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Пьезоэлемент толщино-сдвиговых колебаний

//Авторское свидетельство № 1373278, 1987 г. 32.Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Пьезоэлемент с колебаниями сдвига по

контуру//Авторское свидетельство № 1382368, 1987 г. ЪЪ.Дубовик М.Ф., Андреев И.А., Кортикова Т.Н. и др. Пьезоэлектрический

материал // А. С. № 1506951, Бюл."Открытия, изобретения." 1989 г. №45. -

С. 177-178.

34. Андреев И.А., Шапкин В.В. Температурная зависимость скорости и затухания объемных упругих волн в молибдате гадолиния. // В кн: Сегнетоэлектрики. Сб. науч. трудов. -Л., 1978. - С.81-85.

35. Андреев И.А., Ивлева Л.И. Скорость и затухание ВЧ фононов в новом сегнетоэлектрике Саз(УС>4)2 // В кн: Сегнетоэлектрики. Сб. науч. трудов. -Минск, 1983.-С. 141-150.

35. Андреев И.А., Ивлева Л.И. Скорость и затухание ВЧ фононов в новом

сегнетоэлектрике Саз(У04)г // В кн: Сегнетоэлектрики. Сб. науч. трудов. -Минск, 1983.-С. 141-150.

36. Андреев И.А., Иванов Г.А., Величко И.А., Мельников Б.В. Акустооптические свойства ZnSe // Материалы для оптоэлектроники. Всесоюзная. конф.-Ужгород, 1980. -С. 153-154.

37. Андреев И. А., Иванов Г.А., Кузъминое Ю.С., Полозков Н.М. Акустооптические свойства Ba_xSri__xNb₂06 // Материалы для оптоэлектроники. Всесоюзная конф. -Ужгород, 1980. - С. 173-174.

38. Андреев И.А. Акустическая электрогирация в кристаллах ЫТаОз // Одиннадцатая Всесоюзная конф. по акустоэлектронике и квантовой акустике. -Душанбе, 1981. часть I. -С. 191-192.

39. Андреев И.А., Кузъминое Ю.С., Полозков Н.М. Акустические и пьезоэлектрические войства Ba_xSri__xNb206 // Одиннадцатая Всесоюзная конф. по акустоэлектронике и квантовой акустике. -Душанбе. 1981, часть П. - С. 237-238.

40. Андреев И.А., Клудзин В.В., Дубовик М.Ф. Электромеханические и акустооптические свойства лангасита // Актуальные вопросы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов. Вторая Всесоюзная конф. - Москва, 1984. ч.2. -С. 267.

41. Андреев И.А., Кузъминое Ю.С., Полозков Н.М. Поверхностные
акустические волны в ниобате бария-стронция // Актуальные вопросы

21 получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов.

Вторая Всесоюзная конф. - Москва, 1984. ч.2.. - С. 334.

42. Андреев И. А., Дубовик М.Ф. Сильное электроакустическое
взаимодействие в кристаллах лангасита // Тринадцатая Всесоюзная конф.
по акустоэлектронике и квантовой акустике. -Киев, 1986. ч. 2. - С. 143-144.

43. Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Лангасит - перспективный кристалл для
термостабильных устройств на ОАВ и ПАВ // Актуальные вопросы
получения и применения сегнето- и пьезоэлектриков. Третья Всесоюз.
конф. - Москва, 1987. - С. 143.

44. Андреев И.А., Дубовик М.Ф. Модифицированный лангасит - основа
низкочастотных устройств пьезоэлектроники // Четырнадцатая
Всесоюзная конф. по акустоэлектронике и квантовой акустики. -Кишинев,
1989. ч. 2. - С.67-68.

45. АндреевИ.А., Дубовик М.Ф. Основные параметры ВЧ устройств на ОАВ и
ПАВ из лангасита // Четырнадцатая Всесоюзная конф. по
акустоэлектронике и квантовой акустики. - Кишинев, 1989. ч. 2. - С.69-70.

46.Dubovik M.F., Andreev I.A.,Shmaly Y.S. Langasite (LasGasSiOu), an optical Piezoelectric. Growth and Properties II Proc. IEEE Inter. Freq. Control Symp. -Boston, 1994. V. 48. - p.43-47.

47'.Andreyev LA., Ivleva L. I. ZnSe and Саз(У04)г as nonlinear crystals for the efficient laser radiation conversion and control II Proc. 2-nd Inter. Conf. on Physics of Laser Crystals. - Yalta, September 25-30, 2005. - OC8.

48. Andreyev LA., Gorokhovatsky Y.A. The influence of dc electric field on sound

velocities in litium tantalate and langasite crystals II Proc. 4-th Inter. Symp. on Optical Materials. - Prague, June 26-30, 2006, - p. 90.

49. Andreyev LA., Gorokhovatsky Y.A. Electro-elastic effect in litium tantalate and
langasite crystals II Proc. 3-rd Inter. Conf. on materials science and condensed
matter physics, - Chisinau, October 3-6, 2006, - p. 72.

50. Андреев И.А., Гороховатский Ю.А. Влияние электрического поля на
упругие свойства кристаллов танталата лития и лангасита // Третья
Международная конф. по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го
века».- Черноголовка. 20-26 ноября 2006. - С. 390-392.

51. Андреев И.А. Пьезоэлектрические, акустические и акустооптические
свойства монокристаллов ниобата бария-стронция //Автореферат дисс...
канд. физ.-мат. наук. Л. ЛГПИ. 1983г. 21с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, (пять глав содержат оригинальные результаты), заключения, списка цитируемой литературы, включающего 264 наименования и 4-х приложений-документов, подтверждающих мировой приоритет обнаружения термостабильных" свойств лангасита. Диссертация изложена на 257 страницах, содержит 25 таблиц и 61 рисунок.

Фотоупругость ацентричных кристаллов. Фотоупругость сегнетоэлектриков в области фазового перехода

Взаимодействие света с тепловыми фононами кристалла (рассеяние Манделыитама-Бриллюэна) или с упругими волнами, введенными в кристалл (рассеяние Рамана-Ната, Брэгга, Шеффера-Бергмана) определяется фотоупругостью - изменением оптического показателя преломления п от деформации Ski [1,12,13,40]. Изменение тензора диэлектрической непроницаемости ДВу- связано с деформацией Su коэффициентами фотоупругости Pyki тензора четвертого ранга (-4 ДВЦ= I п ) , =pijk,Sk, (12) симметрично по перестановке внутри первой пары (оптических)индексов и, как считалось до недавнего времени, симметричного по перестановке внутри второй пары (акустических) индексов. Уравнение (12) описывает фотон-фонотонное взаимодействие в центросимметричных кристаллах [73 - 75]. Кристаллы без центра симметрии обладает пьезоэлектрическим и электрическим эффектом [76, 77]. Динамические упругие деформации в пьезокристалле сопровождаются вследствие пьезоэлектрического эффекта возникающим динамическим полем Е, которое в результате электрооптического эффекта также изменяет показатель преломления кристалла. Поэтому уравнение (12) в случае кристалла с пьезоэффектом описывает изменение ДВу , обусловленное одной из составляющих фотоупругости - «решеточной» фотоупругости. Общее же выражение для ДВу пьезоэлектрического кристалла имеет вид: ABEjj = АВРу + ДВу = pijkI SkI + r;jm Em (13) где величины с индексами Е и Р измерены соответственно при постоянном поле и постоянной поляризации, rjjm — электроолтический коэффициент.

Поскольку, как было показано в работе [80], симметрия Apyki отличается от симметрии рщ , значение р ijkl не сохраняет своего значения для всех направлений в кристалле. Новые свойства симметрии тензора руы подтверждены в экспериментах по рассеянию света на тепловых фононах в кристаллах рутила [80], кальцита [81] ниобата и танталата лития [82], молиблата гадолиния [83]. Геометрия взаимодействия света с упругими волнами подробно рассмотрена Рытовым [1] и для случая брэгговского рассеяния экспериментально изучена наиболее подробно в тригональных кристаллах [84, 85], где показано, что оптическая анизотропия при условии поворота плоскости поляризации падающего света [74] приводит к своеобразным эффектам при рассеянии света (появление критических частот звука, соответствующих коллинеарному, обратному рассеянию и рассеянию при нулевом угле падения или рассеяния). Связь интенсивности брэгговского рассеяния с характеристиками распространения упругих волн и с физическими свойствами кристалла, используемая при определении скорости, затухания звука и фотоупругих постоянных, рассмотрено в главе 2 при описании экспериментальной методики и установки.

Фотоупругость сегнетоэлектриков. Рассматривая линейный электрооптический эффект в сегнетоэлектриках как квадратичный эффект, возникший в результате спонтанной поляризации Ps , Уэмпл и Дидоменико [86] показали, что «электрооптическую» добавку в (13) к «решеточной» фотоупругости Apijki можно представить в виде Арум = 2gij33 (eCPs2/Cw) (ATc/Skj) (15) где gjj33 - квадратичные электрооптические коэффициенты, 6с относительная диэлектрическая проницаемость, С-у/ - константа Кюри-Вейса. Так как для большинства сегнетоэлектриков g ),lM4/Cw и Cw 1,5-105 С , а следовательно Ар ==40" 6cPs то авторы работы [86], учитывая, что GcPs изменяется от 10 до 100 единиц, предсказали очень большой вклад электрооптического эффекта (Ар «0,1-1) в фотоупругость, измеряемую при постоянном поле. Из (15) и (13) следует также, что фотоупругость р должна аномально изменяться в области фазового перехода. p Первое наблюдение температурной зависимости р в сегнетоэлектриках было проведено Броди и Куминсом [87] при измерении интенсивности спонтанного бриллюэновского рассеяния света на тепловых сдвиговых фононах в параэлектрической пьезоэлектрической фазе КН2РО4.

Уэмпла и Дидоменико [86]. Однако Тада и Кикучи приходят далее к заключению, что сильная температурная зависимость рц , может иметь место и в сегнетоэлектриках, у которых диэлектрическая проницаемость не имеет аномалий вблизи Тс.

Методика исследования фотоупругих и высокочастотных упругих свойств кристаллов (метод брэгговского рассеяния света на звуке)

Оптические методы исследования акустики твердого тела обладают тем преимуществом перед радиотехническими, что позволяют изучать характеристики упругой волны в любой точке среды. Высокочастотные оптические методы (Брэгга и Мандельштама - Бриллюэна) кроме того обладают и большой чувствительностью по сравнению с радиотехническими (эхо - импульс) и низкочастотными оптическими (Шеффера - Бергмана и Рамана - Ната) методами, причем метод Брэгга в экспериментальном отношении проще метода Мандельштама - Бриллюэна [1, 2, 12 , 13]. Брэгговское рассеяние рассматривается как трехчастичное рассеяние с сохранением энергии и импульса [1] : 032=03 2711) (21) %=К\±Ч (22) -» -» где ю і , ю 2 5 К\ Ко " частота и волновой вектор падающего ("1") и рассеянного ("2") света. Так как СО» v , то для оптически изотропной среды или оптически аниизотропной среды без поворота плоскости поляризации К2 « Kj и из векторного треугольника, выражающего закон сохранения импульса (рис. 10а), можно получить связь угла рассеяния 02 (равного углу падения света 0f ) с частотой v и скоростью фононов и /1/ : sin Of = sin 62 =VkJ2nx (23) где углы і , 0 2 измеряются в среде, к0 - длина волны оптического излучения в вакууме. Экспериментально определяются углы 015 02 в воздухе, поэтому SU10J = sin02 = V \ /2u (24) При рассеянии с поворотом плоскости поляризации падающего света в оптически анизотропной среде К{ =2nnJ\0 К2 =2ш2/Х0 (рис.106) и выражения для углов 0 j , 02 усложняются [1 ] : (25) (26) sinGf =(\U/2npjjL+(u/X0Uf(ri} -2) sin0j {XJJIln - IXljf -4) 4 A Рис.10 Векторные треугольники, соответствующие изотропной дифракции (а) и анизотропной дифракции (б). Для сред с обычным значением о = 5-Ю3 м с"1 , малым двулучепреломлением An = 10"2 , различие в значениях скорости, рассчитанных по формулам (24) и (25,26) для частот v 3 108 Гц весьма мало.

Поскольку частота v и длина волны Х0 измеряются с высокой точностью, измерение скорости v сводится к определению угла дифракции 0. Кришером [125] показана возможность измерения скорости и на частоте 109 Гц и размере образца 10 мм с точностью до 0,1%. Измерение затухания звука заключается в наблюдении экспоненциального уменьшения интенсивности рассеянного света I при перемещении лазерного пучка по кристаллу на расстоянии Ак=х2 —Х I»\п6р21 pu3 jPa ехр а Ах (27) гдер - эффективная фотоупругая постоянная, Ра - значение акустической мощности упругой волны до смещения, откуда коэффициент затухания а в (дб/см) равен: а = 10ig(lxx I Ix2 )/(х2 - JC, ) (28) где 1Х] , 1Х2 - интенсивность в точках Xi и Хг .

В режиме брэгговского рассеяния в эталоне (рис. 11 б) наблюдаются три импульса. Первый (її) вызван волной, второй (12) - отражением от переходного слоя (склейки), третий (Із) - импульсом, прошедшим через исследуемый образец, отразившимся от свободного торца и вернувшимся в эталон. Геометрия эксперимента по методу Диксона-Коуэна (а); осциллограмма при рассеянии света в эталоне (б); и при рассеянии в исследуемом образце (в). Из вышеизложенного видно, что точность измерения аир определяется точностью измерения I. Хотя скорость о рассчитывается из значения угла 0 , измеряемого обычно гониометром с высокой точностью, сама точность настройки на угол 0 определяется точность настройки на максимальное значение I . В известных экспериментальных установках [1,2] настройка I и измерение I производится по осциллографу.

В процессе проведения исследований была разработана установка [126], основным отличием которой от известных является построение измерительной части на основе принципа выделения и накопления видиоимпульсов с их последующим измерением. Использование этого принципа позволило увеличить соотношение сигнал/шум, увеличить чувствительность и точность измерений. Иное построение измерительной части позволило в дополнение к известной методике определения и и а предложить способ определения и и а, исключающий определение угла 0 и смещения Ах [127].

Кроме использования принципа выделения и накопления полезного сигнала разработанная установка имеет еще ряд отличий от известных: использование электродинамической системы возбуждения 62 перестраиваемого коаксиального резонатора, образующего единое целое с оптическим термостатом; использование нерезонансных преобразователей гиперзвука, являющихся одновременно и эталонами при определении фотоупругих постоянных Рц кристаллов. Оптическая часть установки почти не отличается от известных - введён только дополнительный экран с отверстием в центре.

Акустическая часть (рис. 14) предназначена для генерации упругих СВЧ волн в импульсном режиме в нерезонансном пьезопреобразователе -кристалле ниобата лититя НЛ, измерении частоты волн и синхронизации измерительной части установки. Длительность, частота следования СВЧ импульсов и выработка синхроимпульсов задается предмодулятором -импульсным генератором Г5-15.

Модулятор ГИ-30 модулирует СВЧ сигнал генератора Г4-5 {v = 200 + 1000 МГц) или Г4-8 (у = 1000 - - 2000 МГц). Частота v (в режиме непрерывной генерации) измеряется цифровым электронно-счётным частотомером 43-34 совместно с делителем частоты ЯЗЧ-51. СВЧ импульс от Г4-5 (Г4-8) поступает в коаксиальный четвертьволновый СВЧ резонатор Р плавно перестраиваемый в диапазоне частот 500 - -1000 и 1000 + 1800 МГц плунжерами. Согласование настройки генератора СВЧ и резонатора Р, и мощность генератора контролируется супергетеродинным приемником П5-3 с шириной полосы пропускания 1МГц, подключенным к одному из входов осциллографа С1-70, по наличию серии эхо-импульсов в ниобате лития, видной на экране С1-70. Преобразователь - кристалл НЛ помещен в отверстие на торце резонатора Р, где напряженность электрической составляющей электромагнитного поля максимальна. Электрический импульс преобразуется кристаллом НЛ в упругий. Часть энергии отражается от склейки, соединяющей НЛ и исследуемый кристалл, а часть проходит в кристалл, где так же испытывает отражение.

Температурные зависимости упругих и электромеханических параметров, связанных с продольной модой, распространяющейся вдоль полярной оси

Измерения температурных зависимостей частот резонатора vr и антирезонанса va , динамического сопротивления R , электрической емкости С проводились с предполагаемым средним значением температуры фазового перехода Тсср соответствующей максимуму диэлектрической проницаемости ef. После того как для кристаллов SBN-0,4 было установлено значение ТсР =75- 85 С (рис. 18), все температурные измерения указанных параметров проводились в следующих точках: 20, 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 85, 90, 100, ПО, 120 С. Время между установлением температуры в термостате и измерением Q,5 часа. За один цикл проводились измерения как с нагреванием, так и с охлаждением образца.

Результаты диэлектрических измерений представлены на рис.18. Проницаемость е8ъ (I) имеет размытый максимум при Тсср = 75 , если измерения идут с нагреванием и Тсср - 85 С при охлаждении. Гистерезис зависимости є (Г) имеет место в интервале 30 -90С, выше 90С зависимости ъ (Т), соответствующие нагревателю и охлаждению образца в пределах погрешности эксперимента совпадают, причем е\ уменьшается с температурой линейно. Было обнаружено, что пьезоэффект в кристаллах SBN существует во всем исследуемом интервале температур. Измерения температурных зависимостей частот резонанса Vr и антирезонанса Ра брусков, ориентированных вдоль [001] выявили сильную зависимость от температуры частотных постоянных резонанса Nr = Vr I и антирезонанса Na = Va І. На рис. 19 показаны температурные зависимости относительно измерения постоянной резонанса &Nr/Nr и постоянной антирезонанса /SNaINa. Видно, что обе зависимости.

Зависимость нормированного к Т = 20 С динамического сопротивления R брусков, ориентированных вдоль [001] от температуры показана на рисунке 20. По экспериментальным данным зависимостей є (Т), Nr (7), Na (7) последовательно рассчитаны температурные зависимости коэффициента электромеханической связи К3з, упругих податливостей S?3 , S33 и пьезомодуля d33. При этом допускалась возможность совместного использования зависимости є (Т), полученной на частоте 1кГц и зависимостей Nr (Г), Na (Г), полученных на 150- -250 кГц, так как дисперсия є3 SBN в диапазоне частот до 105 Гц практически отсутствует [151]. Данные по зависимости R (Т) использовались для расчета температурной зависимости нормированной к Г=20 С добротности механических колебаний образцов & , [124].

После обнаружения аномалий параметров К, s, d, QM продольной моды с q вдоль [001] в области фазового перехода, были проведены измерения температурных зависимостей частот Vr и Va, сопротивления R брусков, удлиненных по [100] и пластин с толщиной по [001]. Возбуждающее электрическое поле при измерении параметров брусков было направлено по [001], при измерении параметров пластин - по [100]. Постоянное поле Е= 1 кВ см"1 было направлено в обоих случаях вдоль [001]. Измерения удалось провести только в интервале 20 90 С. Температурные зависимости постоянных Nr и Na и нормированного сопротивления R для [100] - брусков показаны на рис. 24 и 25, для пластин на рис. 26 и 27. Видно, что поведение постоянных Nr и Na как для брусков, так и для пластин принципиально отличается от поведения постоянных Nr и Na для [001] брусков. Общее изменение постоянных с температурой на 1-2 порядка меньше измерения постоянных [001] - брусков. Зависимость N (Т) близка к параболической, причем температурный коэффициент частоты (ТКЧ) пластин противоположен по знаку ТКЧ брусков. В пределах погрешности эксперимента аномалии постоянных N , связанных с фазовым переходом, отсутствуют; исключение составляет небольшая, порядка 10" , аномалия постоянной Na пластин.

По данным, приведенным на рисунках 24 - 27, рассчитаны температурные зависимости параметров К.ц , Sj\ , S , d i и Sf4 , s , djs . Зависимость Кц (Т) рассчитана по формуле: Kl5=[l+ Nr/AN2a-K)Y 2 (55) Расчет зависимостей нормированной механической добротности 0м (Т) [100] -брусков и пластин проводился на основании данных R (7) (рис.25, 27) по упрощенной формуле (56) ввиду малых изменений постоянных Nr, Na порядка 10"2 в интервале 20-90 С. QX«R-1 , Q»«R-l-s? (56)

Рассчитанные температурные зависимости указанных параметров приведены на рисунках 28-31. Электромеханические параметры d и К (d - в большей степени, К - в меньшей) испытывают явные аномалии в области фазового перехода. С другой стороны податливости Sfx , Sfi и добротность Q { вообще не испытываю аномалий, изменяясь монотонно с температурой, а податливости SfA, s и добротность Q" обнаруживает очень малые аномалии (S44 - порядка 10" , рис. 31). Исследования температурных зависимостей скорости и затухания мод, распространяющихся вдоль направлений, указанных в таблице 6, методом рассеяния света показали отсутствие аномалий, связанных с фазовым переходом. На рис.32, как пример, приведены зависимости от температуры коэффициента затухания CLll и скорости ц, продольных фононов с qll [100]. В пределах погрешностей эксперимента затухание растёт с температурой линейно, а зависимость относительного изменения скорости Ці или упругого модуля си = puf, от температуры имеет параболический характер (рис.33). Полученные данные имеют важное значение, так как позволяет судить о поведении акустических параметров и более широком интервале температур и дают прямые сведения о затухании звука, тогда как метод пьезорезонанса дает косвенные сведения о затухании - через механическую добротность.

Высокочастотные акустические свойства кристаллов ниобата бария-стронция и ортованадата кальция

Исследования распространения ВЧ продольных и сдвиговых упругих волн с частотами 500 - 1700 МГц, проведенные методом брэгговского рассеяния позволили определить фазовую скорость и коэффициент поглощения волн вдоль направлений [100] , [001] , [110], [100] и [111] (табл. 17). Дифракция на сдвиговых волнах вдоль [001] и [110] не наблюдалось [200, 201]. Таблица 17. Экспериментальные значения фазовой скорости и коэффициент затухания упругих волн в SBN на частоте 500 МГц при 7=20С и Е=\ кВ / см. Направление распространения Тип волны Скорость, 105м/с,±1% Эффективнаяпостоянная10,0н/м2,±2% Коэффициент затуханиядБ/см, ± 10% 100 LS,s2 6.56 5.16 3.49 C„=22.6 C66 = 13.9 C44 = 6.40 1.5 1.61.7 101 LSis2 6.86 5.36 3.58 СЭФФ = 24JСЭФФ=15.0 СЭФФ = 6 70 1.3 1.1 1.5 111 LSis2 4.663.54 2.27 СУФФ=11.4 СЭФФ = 6.58 СЭФФ = 2.70 2.4 2.0 2.6 001 L 5.27 C33 = 14.6 -50 ± 20 % L - продольная, Si - быстрая сдвиговая, S2 - медленная сдвиговая. 162 Исследования при комнатной температуре выявили ряд интересных особенностей акустических свойств SBN. Во-первых, анизотропия фазовой скорости звука v (эффективных упругих податливостей су) в SBN значительна (значение скорости изменяется от 6,86 105 м с"1 до 2,27 105 м с"1) , тогда как анизотропия поглощения звука а практически подавлена для всех направлений, кроме направления [001]. Во-вторых, абсолютная величина коэффициента поглощения фононов с волновым вектором, непараллельным направлению [001] весьма мала. В-третьих, обнаружено очень большое затухание фононов с волновым вектором, параллельным направлению [001], (порядка 50 дБ7см на частоте 500 МГц). Наконец, измерение коэффициентов затухания как функции частоты фононов в диапазоне частот 500 + 1700 МГц выявило отклонение частотной зависимости поглощения от квадратичного закона. Для сдвиговых волн получена зависимость вида а со1 5 (рис. 49), а для продольных волн - вида а со (рис. 50). Особенности акустических свойств SBN. Как было показано в главе 1, при ютф 1 теория дает квадратичную, а при (отф \ - линейную частотную зависимость решеточного поглощения.

Несоответствие эксперимента и теории можно было бы объяснять тем, что реальное т больше приведенного из оценки по теплопроводности, так как использовались дебаевское приближение - слишком грубое при Т = 300 К вследствие возможной дисперсии скорости тепловых фононов (средняя скорость фононов может быть много меньше дебаевской и). Однако даже с учетом дисперсии скорости ф может не совпадать с т, так как в теплопроводности участвуют различные процессы рассеяния - как с сохранением импульса (нормальные процессы), так и процессы переброса, проходящие без сохранения импульса. За поглощение звука ответственны только нормальные процессы, относительный вклад которых в теплопроводность не поддается точной оценке. Ясно, что если оценки Тф из теплопроводности и не вполне правомочны, тем не менее Тф и т не могут отличаться на три порядка, чтобы в эксперименте наблюдалась область перехода сот«1. Кроме того, эксперименты по зависимости а от температуры в интервале 20 + 120 С указывают на отсутствие степенной зависимости а Т, которая должна иметь место при механизме Ландау -Румера.

Однако полученные в эксперименте aL, а5 больше на порядок рассчитанных указывают на то, что кроме влияния точечных дефектов на а упругих волн (через тепловые фононы) существует конкурирующий процесс - непосредственное рассеяние фононов на макродефектах размеры которых близки к длине волны фононов. На это прямо указывает данные по измерению ИК поглощения в SBN - в области от 5 до 9 микрон имеет место сильное поглощение [128], что соответствует длинам упругих волн частотой 0,6 - - 1,2 ГГц при скорости 3 - - 6 10 м с" . Рассеяние на дефектах -микровключениях моноклинной фазы должно слабо (как размер дефекта) расти с температурой и увеличивать затухание фононов, что наблюдается в эксперименте.

По типу сингонии (точечная группа Зт) и высокому значению температуры Кюри ТС=1110С кристалл ортованадат кальция Ca3(VC 4)2 подобен LiNb03. Но в отличие от LiNb03 Ca3(VC 4)2 обладает малым двулучепреломлением А п=0.03 [205] и устойчив к воздействию лазерного излучения с интенсивностью до 100 Вт/мм [206]. В работе [207] были впервые изложены результаты исследования методом брэгговского рассеяния лазерного излучения на звуке высокочастотных упругих свойств Ca3(V04)2. Исследования распространения продольных упругих волн в полидоменном образце Ca3(VC 4)2 по осям X, У, Z и вдоль направления YZ при комнатной температуре показали, что Ca3(VC 4)2 обладает высокими значениями скоростей и, учитывая полидоменное состояние образца, малым затуханием звука, особенно вдоль полярной оси. Результаты измерений скорости и затухания упругих волн с частотой 500 МГц вдоль четырех указанных направлений при Т=300 К приведены в таблице 18. Измерения коэффициента затухания продольных волн как функции частоты в диапазоне частот 500-1100 МГц показали хорошее соответствие квадратичной зависимости а со2 для волн, распространяющихся в любом исследуемом направлении (рис. 51). Дифракция на сдвиговых волнах в исследованных образцах не наблюдалась возможно не только из-за более сильного рассеяния сдвиговых волн на доменных

Квадратичный характер зависимости а v2 говорит о том, что в исследуемом диапазоне частот при Т =300 К выполняется соотношение шгт 1. Отсутствие данных по скорости сдвиговых волн не позволило определить VD, однако оценка UD возможна из тепловых свойств Саз(У04)2- Используя значения Тпл=1700 К и М=26.9 для Ca3(V04)2, получаем uD=3.8xl0 м/с. Подставляя в (93) значения V\j= Uzz=6.23xl03 м/с, р= 3.12 г/см3, =1.45 Вт/м-К и uD=3.8xl03 м/с, и принимая YL =2.0 как наиболее вероятное у, для со=27г 109 с"1 находим azz=2 дБ/см.

Расхождение между экспериментальным значением cczz =24 дБ/см для полидоменного образца и расчетным azz =2 дБ/см для монодоменного кристалла можно объяснить сильным. рассеянием гиперзвуковых волн на доменных стенках образца. Подобное резкое возрастание затухания на порядок наблюдалось в полидоменных образцах молибдата гадолиния Gd2(Mo04)3 [208] для продольных волн вдоль осей X и У, в то время как для продольных волн по Z затухание в поли- и монодоменных образцах было одинаково. В исследованном Саз(У04)2 затухание продольных волн вдоль любого исследованного направления по порядку величины одинаково, что, по-видимому, связано с особенностями доменной структуры Cas(V04)2- Таким образом, ясно, что рассеяние на доменных стенках вносит основной вклад в общее затухание в исследованном кристалле. Однако можно ожидать, что затухание в монодоменном Ca3(V04)2 может быть уменьшено на порядок. Такое заключение следует из двух общих положений, основанных на связи затухания с тепловыми колебаниями решетки и подтвержденных экспериментально [1]: 1) величина затухания обратно пропорциональна температуре Дебая и 2) кристаллы более сложного состава имеют меньшее затухание. На рисунке 52 в двойном логарифмическом масштабе представлена зависимость коэффициента затухания Г = a/v (дБ/см-ГГц ) от прозведения pvLvD для хорошо известных кристаллов двойных окислов Pb2Mo06, РЬМо04 Gd2(Mo04)3, LiNbCb, LiTa03, УзРе50і2, Li2Ge03 и Саз(У04)2. Высокое значение температуры Дебая 465 К (а следовательно, и pv vD ) и сложный состав кристаллов Саз(У04)2 позволяют надеяться на уменьшение затухания до 2 - 3 дБ/см на частоте 1 ГГц.

Похожие диссертации на Монокристаллы с умеренной и сильной электромеханической связью для акустоэлектроники и акустооптики

Дислокационная структура монокристаллов карбида кремния в связи с условиями их роста Левчук Богдан Иосифович

Выращивание монокристаллов купратов, боратов и родственных соединений и их генетическая связь с природными прототипамиМальцев Виктор Викторович