Поверхносные акустические волны в поликристаллических сегнетоэлектриках Рыбянец, Андрей Николаевич

Введение к работе

Диссертация посвящена исследованию особенностей распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) в поликристаллических сегнето-элехтрихах. Наряду с исследованием волновых характеристик (ПАВ) и объемных акустических волн (ОАВ) в сегнетопьезокерамиках (СПК), основной акцент в диссертации сделан на исследование особенностей распространения ПАВ, связанных с проявлением специфических свойств поликристалли-ческих сегнетоэлектриков (зернистость, доменная структура зерен, мор-фотропный и изоморфные фазовые переходы, пьезоэффект, обусловленный наличием спонтанной и остаточной поляризации), а также их изменениями в результате влияния внешних воздействий (температура, электрическое поле). ПАВ использовались нами, главным образом, как инструмент для исследования свойств и физических процессов, происходящих в СПК.

Таким образом, настоящая работа является многоплановой и тематически затрагивает широжий яруг проблем из области физики сегнетоэлектриков, акустоэлектроншси и физической акустики твердого тела.

Актуальность темы. Быстрое развитие акустоэлектроники и интенсивное использование в акустоэлектронньгх устройствах поликристаллических и сегнетоэлектрических материалов делает актуальным исследование новых СПК, а также особенностей распространения ПАВ в известных материалах этого класса. Вследствие прагматического подхода в большинстве работ, посвященных разработке пьезокерамических материалов и исследованию распространения ПАВ, физические механизмы не рассматривались вовсе или затрагивались лишь в незначительной степени. В результате, несмотря на многочисленные исследования в этой области, отсутствует систематический подход к проблеме и остаются неясными не только многие физические механизмы, определяющие основные характеристики ПАВ, но и общие критерии поиска материалов с заданными ПАВ-свойствами. Это делает выполненные в данной работе исследования актуальными. Использование новых ультразвуковых методов (в частности ПАВ) для исследования физических свойств позшкристалдических сегнетоэлектриков также является актуальным.

Основная научная угль работы заключалась в систематическом изучении особенностей распространения ПАВ, связанных с проявлением специфических свойств поликристаллических сегнетоэлекгриков, а также их изменениями при внешних воздействиях.

Задачи научного исследования были определены в соответствии с целью работы и заключались в следующем:

выполнить численные расчеты и измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ во всех возможных по отношению к оси остаточной поляризации Pr плоскостях и направлениях в СПК системы ЦТС и определить влияние направления распространения и параметров СПК на структуру и характеристики ПАВ и ОАВ;

исследовать зависимости параметров распространения ПАВ от состава для СПК системы ЦТС в широком концентрационном интервале, включающем область морфотропного фазового перехода (МФП) и установить связь структурных, электрофизических и-ПАВ-парметров;

определить параметры распространения ПАВ в различных системах твердых растворов на основе ЦТС, титаната свинца, ниобата натрия-лития, ниобата свинца-калия, титаната натрия-висмута и ЦТСЛ;

исследовать температурные зависимости параметров распространения ПАВ и уточнить критерии температурной стабильности СПК;

исследовать зависимости потерь при распространении ПАВ от частоты и размера зерна н выявить физические механизмы, ответственные за затухание ПАВ в различных СПК;

исследовать влияние электрического поля на распространение ПАВ в се-гнетопьезокерамиках с различной степенью сегнетожесткости и определить физические механизмы, определяющие изменения параметров ПАВ.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны горячепрессованные СПК материалы на основе ЦТС, титаната свинца, ниобата натрия-лития, ниобата свинца-калия (структура ТКВБ), титаната натрия-висмута (ВСПС) и ЦТСЛ. Выбор объектов обусловлен как возможностью практического использования, так и специфичностью физических свойств выбранных составов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. В ряде пьезокерамик системы ЦТС для семейства плоскостей (0,0,90) и (0,0,0), определяемых углом Эйлера в, обнаружены области вырождения ПАВ в горизонтально поляризованную сдвиговую ОАВ. Вблизи этих направлений существует регистрируемая экспериментально псевдоповерхностная волна, фазовая скорость которой превышает фазовую скорость наиболее медленной сдвиговой ОАВ.

2. Аномалии температурных зависимостей параметров распространения ПАВ в ромбоэдрических составах системы ЦТС обусловлены структурным фазовым переходом между низкотемпературной (пространственная группа симметрии R3c) и высокотемпературной (R3m) ромбоэдрическими фазами. Температурная зависимость времени задержки ПАВ в этом случае определяется конкурирующим влиянием температурных зависимостей резонансных частот сдвиговой и продольной объемных мод колебаний.

3. Акустические потери при распространении ПАВ в сегнетопьезоке-рамических материалах (ар) определяются двумя основными механизмами - внутренним трением и рэлеевским рассеянием на зернах, и описываются общей эмпирической формулой: ар=ар +as=(³, где if.ag - потери обусловленные внутренним трением и рассеянием соответственно,/- частота ПАВ, D - средний размер зерна, a, b,c,d- размерные коэффициенты.

4. Характер изменения времени задержки и потерь при распространении ПАВ в сегнетопьезокерамике под действием электрического поля зависит от степени сегнетожесткости и определяется, главным образом:

в сегнетожестких керамиках - взаимодействием ПАВ с движущимися носителями объемного заряда, экранирующими приложенное поле и препятствующими переключению поляризации;

в сегнетомягких керамиках - доменно-ориентационными процессами.

5. Аномалии параметров распространения ПАВ в сегнетопьезокерамике ЦТСЛ (Pbo_<925Lao,o75)(Zro,65^'o,35)⁽-'3 ^в области температуры Td, расположенной ниже температуры Кюри и соответствующей дополнительным максимумам диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических

потерь, обусловлены исчезновением дальнего сегнетоэлектрического порядка и разрушением наведенного поляризацией макродоменного состояния.

Научная новизна основных результатов и выводов исследования заключается в том, что д работе впервые:

выполнены численные расчеты, а также измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ для всех возможных по отношению к оси Pr плоскостей и направлений в ряде СПК системы ЦТС;

обнаружено в результате численных расчетов и подтверждено экспериментально существование псевдоповерхлостных волн вблизи особых направлений в некоторых СПК системы ЦТС;

обнаружены и сопоставлены со структурными и электрофизическими параметрами аномалии температурных зависимостей параметров распространения ПАВ в окрестности структурного фазового перехода (R3c - R3m) в ромбоэдрических составах системы ЦТС;

выполнены измерения параметров распространения ПАВ в СПК ЦТСЛ, ниобата натрия-лития, ниобата свинца-калия и титаната натрия-висмута;

исследовано влияние электрического поля на параметры распространения ПАВ в СПК с различной степенью сегнетожесткости в широком диапазоне полей, превышающих коэрцитивное, и выявлены физические механизмы, определяющие изменения параметров ПАВ;

получены экспериментальные зависимости потерь при распространении ПАВ от частоты и размера зерна в СПК различньк систем и определены физические механизмы, ответственные за затухание ПАВ;

обнаружены и объяснены аномалии в поведении времени задержки и затухания ПАВ в СПК ЦТСЛ (РЬ_0і925^а_0;075 )(Zr₀₆₅Ti₀ 35)()3 в области температуры Td, расположенной ниже точки Кюри и соответствующей дополнительным максимумам диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Научная ценность диссертационной работы состоит в систематическом исследовании особенностей распространения ПАВ, связанньн с проявлением специфических свойств поликристаллических сегнетоэлектри-

ков, а также их изменениями при внешних воздействиях. Разработаны методы и обоснована возможность использования ПАВ для исследования свойств и физических явлений (фазовые превращения, доменно-ориентационные процессы, релаксация объемного заряда) в поликристаллических сегнетоэлектриках. Результаты исследования углубляют понимание физических процессов, происходящих в СПК при внешних воздействиях и фазовых превращениях, и позволяют уточнить критерии поиска СПК материалов с заданными свойствами. Большинство выполненных в диссертационной работе исследований располагается на стыке аукстоэлектрони-ки, физики сегнетоэлектриков и физической акустики и имеет одновременно фундаментальное научное и прикладное значение.

Практическая ценность диссертации определяется развитием экспериментальных методик акустических исследований свойств материалов с помощью ПАВ, а также непосредственным применением исследованных и разработанных СПК в акустоэлектронных устройствах. Полученные результаты использованы для создания новых СПК материалов и устройств на ПАВ, защищенных авторскими свидетельствами [А8-АИ]. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР и ОКР РГУ (№ гос. регистрации 0188.0046234,0186.0052566, 0185.0080102, 0183.0044034), а также гранта РФФИ № 99-02-17575 (Особенности фазовых состояний, возникающих в пространственно-неоднородных кристаллических сегнето-активных средах).

Личный вклад автора. Автором получены все основные результаты, которые легли в основу положений, выносимых на защиту. Лично автором под руководством проф. Турика А.В. сформулирована задача и основные направления исследований, разработана методика экспериментальных исследований, технология изготовления пьезокерамических подложек и конструкция преобразователей для измерения параметров ПАВ, выполнены все измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ в исследованных пьезокерамиках, а также основная часть численных расчетов.

Научный руководитель проф. Турик А.В. принимал участие в обсуждении всех основных результатов, полученных в диссертации. Изготовление пьезокерамических материалов и образцов для измерения выполнялись в

НИИ физики РГУ. Соавторы работ принимали участие, в разработке и изготовлении пьезокерамических материалов (Данцигер А.Я., Клевцов А.Н., Резниченко Л.А., Разумовская О.Н.), в приготовлении экспериментальных образцов для исследований (Мирошниченко Е.С., Дранишников А.П.), в проведении ренггеноструктурных исследований (Константинов Г.М.), в измерении электрофизических параметров (Хасабова Г.И., Дорохова Н.В.), в разработке конструкций ПАВ-устройств (Днепровский В.Г., Кац В.Д.), в обсуждении полученных результатов (Дудек Ю.С., Цихоцкий Е.С., Резниченко ЛА., Раевский И.П., Панич А.Е.). В диссертации использована программа расчета параметров распространения ПАВ в анизотропной среде, предоставленная Гайвянисом Р.Ю. (Каунасский политехнический институт). Расчеты параметров распространения ПАВ вьшолненьг при участии Науменко Н.Ф. (Институт стали и сплавов, Москва).

Лпробаиия работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались к обсуждались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях, совещаниях и конгрессах:

- XI и XII Всесоюзные конференции по физике сегнетоэлектриков: (г.
Черновцы, 1986 г., г. Ростов-на-Дону, 1989 г.).

III Всесоюзная конференция "Актуальные проблемы получения и применения сегнето-и пьезоэлектрических материалов" (г. Москва, 1987 г.).

II и III Научно-технические семинары по электронным датчикам ("Сенсор-87" - г. Ленинград, 1987 г., "Сенсор-89", г.Ужгород, 1989 г.).

III Межведомственный семинар-выставка "Получение, исследование и применение прозрачной сегнетокерамики" (г. Рига, І988 г.).

VI Всесоюзная конференция по физике диэлектриков (г. Томск, 1988 г.).

III Всесоюзная конференция по физико-химическим основам технологии сегнетозлектрических и родственных материалов (г. Звенигород, 1988 г.).

Всесоюзные конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации"(г. Черкассы, 1988 г., 1990 г.).

XIV Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, (г. Кишинев, СССР, 1989 г.).

International Conference "Electronic Ceramics - Production and Properties" (Riga, Latvia, 1990).

Seventh European Meeting on Ferroelectricity (Dijon, France, 1991).

International Conference on Electronic Ceramics and Applications "Electroceraraics V" (Avetro, Portugal, 1996).

IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics "ISAF96'* (Rutgers University, USA, 1996).

Международные научно-практические конференции "Фундаментальные проблемы пьезоэлектроники" ("Пьезотехника - 95", г. Ростов-на-Дону-Азов, 1995 г.), ("Пьезотехника - 96", г. Барнаул, 1996 г.), ("Пьезотехника-99", г. Ростов-на-Дону - Азов, 1999 г.).

Публикаиии. Всего по теме диссертации опубликовано 44 работы. Список наиболее важных работ, включает 1 монографию, 5 статей в реферируемых центральных изданиях, 2 статьи в сборнике "Пьезоэлектрические материалы и преобразователи", 4 авторских свидетельства, а также 10 тезисов докладов на Всесоюзных и Международных конференциях.

Структура диссертации определена в соответствии с целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, включающего 32 рисунка, 17 таблиц и библиографию из 103 наименований.