Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Ультразвуковые исследования сегнего-электриков триглицинсульфата и сегнетовой соли вблизи фазового перехода (обзор). 11
1.1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по аномальному поглощению и скорости звука в сегнетовой соли 11
1.2. Обзор работ по исследованию скорости и поглощения ультразвука в триглицинсульфата (ТГС) вблизи точки фазового перехода -20
Глава 2. Теория импедансного метода измерения скорости и поглощения звука в веществе .32;
2.1. Отражение звуковой волны от полубесконечного слоя ЛЮ
2.2. Применение импедансного метода для исследования тонких пленок Ьк
2.3. Применение импедансного метода для исследования монокристаллов. Отражение
звука от двухслойной системы .36 2Л. Алгоритм предварительного расчета скорости и поглощения звука для двухслойной системы Ъ9
Глава 3. Методика измерений модуля и фазы коэффициента отражения и описание экспериментальной установки &5г
3.1. Описание экспериментальной установки ...
3.2. Методика измерения модуля коэффициента отражения SO
3.3. Методика измерения фазы коэффициента отражения 5"3
3.4. Апробация экспериментальной установки 5"9
Глава 4. Условия распространения квазипродольных волн по направлению [00і] в триглицинсулъфэте и по направлению [Oil] в сегнетовой соли при фазовых переходах б'
4.1. Условия распространения квазипродольных волн в ТГС и сегнетовой соли вдали от точки фазового перехода 6/
4.2. Условия распространения квазипродольной волны в ТГС по направлению [001] вблизи точки фазового перехода 63
4.3. Условия распространения квэаипродольных волн в сегнетовой соли по направлению [Oil]
вблизи точки фазового перехода
Глава 5. Экспериментальные исследования поглощения и скорости ультразвука частотой 120 МГц в триглицинсульфате и сегнетовой соли в окрестности фазового перехода ?5"
5.1. Экспериментальные результаты измерений модуля и фазы коэффициента отражения и определение поглощения и скорости звука в кристаллах ТГС 1-S
5.2. Сопоставление экспериментальных температурных зависимостей коэффициента поглощения и скорости квазипродольных волн частотой 120 МГц в ТГС с результатами
низкочастотных ультразвуковых измерений 28
5.3. Экспериментальные результаты измерений модуля и фазы коэффициента отражения и температурные зависимости поглощения и скорости в кристаллах сегнетовой соли вблизи верхней точки фазового перехода
5Л. Сопоставление экспериментальных температурных зависимостей коэффициента
поглощения и скорости квазипродольных волн частотой 120 МГц в сегнетовой соли
с результатами низкочастотных ультра звуковых измерений 3*
Выводы
- Обзор теоретических и экспериментальных работ по аномальному поглощению и скорости звука в сегнетовой соли
- Отражение звуковой волны от полубесконечного слоя
- Описание экспериментальной установки
- Условия распространения квазипродольных волн в ТГС и сегнетовой соли вдали от точки фазового перехода
- Экспериментальные результаты измерений модуля и фазы коэффициента отражения и определение поглощения и скорости звука в кристаллах ТГС
Обзор теоретических и экспериментальных работ по аномальному поглощению и скорости звука в сегнетовой соли
Температурные и частотные зависимости поглощения и скорости звука в диэлектрических кристаллах определяются релаксационными процессами установления термодинамического равновесия. При воздействии звуковой волны кристалл выходит из состояния термодинамического равновесия: возникает сдвиг фаз между напряжением и деформацией звуковой волны, что приводит к поглощению и дисперсии скорости звука. Релаксационный характер поглощения сильнее всего проявляется, когда период звуковой волны близок к времени релаксации или превышает его.
При воздействии звуковой волны на сегнетоэлектрик величина поляризации отклоняется от равновесного значения, поскольку она связана с деформацией звуковой волны посредством пьезоэлектрического или электрострикционного эффектов. Вблизи точки фазового перехода это приводит к аномальному затуханию ультразвука. Исследование аномального поглощения и скорости ультразвука вблизи фазового перехода позволяет исследовать кинетические процессы, происходящие при этом и определить значение кинетического коэффициента и температурную зависимость времени релаксации.
В 1954 году Ландау и Халатников [і] рассмотрели температурную зависимость поглощения звука в жидком гелии вблизи его фазового перехода второго рода и показали, что время релаксации параметра порядка Т должно расти с приближением к температуре перехода. В связи с этим должно наблюдаться аномально большое релаксационное поглощение звука вблизи температуры перехода в жидком гелии. Это полностью подтвердило экспериментальные результаты работы Чейзэ [5J .
Отражение звуковой волны от полубесконечного слоя
Впервые теорию Ландау-халатникова применительно к поглощению !:звука в сегнетозлектрических кристаллах при их фазовых пере -G ходах экспериментально проверили И.А. Яковлев и Т.С.Величкин8[б]. Они исследовали на частоте 5МГц импульсным методом на прохождение поглощение поперечных волн в сегнетовой соли вблизи ее верхней точки Кюри и обнаружили аномальное релаксационное поглощение этих волн с максимумом в точке Кюри. Это поглощение вызвано пьезоэлектрической связью между сдвиговой деформацией и электрической поляризацией, являющейся параметром порядка при фазовом переходе второго рода в сегнетоэлектриках. Рост времени релаксации поляризации приводит к увеличению сдвига фаз между напряжением и деформацией в звуковой волне и соответствующему росту ее релаксационного поглощения.
Температурная и частотная зависимость аномального поглощения, рассчитанная авторами работы [б ] для этого случен удовлетворительно описала экспериментальные результаты,и в [б] впервые была определена температурная зависимость времени релаксации при фазовом переходе в сегнетовой соли и величина кинетического коэффициента. Эта работа открыла новое направление в физической акустике твердого тела - исследование условий распространения звука в сегнетоэлектриках вблизи их фазовых переходов второго рода.
Описание экспериментальной установки
В 1964 году в работе 0"Брэйена и Литовитцэ [21] было исследовано поглощение ультразвуке в сегнетоэлектрике триглицинсуль-фате (ТГС), обусловленное электрострикционной связью между деформацией упругой волны и поляризацией. Исследования проводились для квазипродольных волн, распространяющихся по оси 2 кристалла на частотэх от 15 до 125 МГц импульсным методом на прохождение. Обнаруженная зависимость поглощения и скорости .звука от температуры и частоты в этом случае оказалась аналогичной полученной Ландау и Хэлатниковым для гелия, и существенно отличается от случая сегнетовой соли. Но уже на частоте 65 МГц не удэлосьизмерить аномальное поглощение в максимуме ввиду того, что в этом случав величина максимального поглощения линейно возрастает с частотой и при этом методом на прохождение невозможно зарегистрировать сигнал, прошедший через образец.
Таким образом, в ходе исследований аномального поглощения звука на частотах ICr-ІСг Гц в согнетоэлектриках были выявлены два основных механизма поглощения, один из которых обусловлен связью между деформацией упругой волны и поляризацией посредством пьазоэффекта (сегнетовая соль), а в другом эта свнзъ определяется электрострикцией (ТГС).
Экспериментальная проверке релаксационной зависимости условий распространения ультразвука требует изменения сит на два-три порядка, что в молекулярной акустике достигается измерениями в широких интервалах температур и частот. 5 случав фазовых переходов в,оегнвтоэлектриках соответствующие изменения шт достигаются изменением температуры за счет сильной температурной зависимости т вблизи точки фазового перехода. Температурные и частотные зависимости поглощения в ТГС и сегнетогой соли исследовались в основном на низких ультразвуковых частотах порядка 10 -Ю7 Гц (6 15, 34-47). При этом температурный интервал, где ш Съ { в ТГС составляет всего 1(Г -1(Г К, что затрудняет проверку теоретических зависимостей релаксационного поглощения и скорости звука. В соответствии с этими зависимостями, с увеличением частоты должно происходить расширение температурного интервала вблизи точки фазового перехода, в котором период колебаний ультра звука одного порядка и меньше времени релаксации, т.е. где бот2-1 . Расширение этого интервале температур, особенно в кристалле ТГС, должно позволить более подробно изучить в нем температурные зависимости поглощения и скорости звука.
Условия распространения квазипродольных волн в ТГС и сегнетовой соли вдали от точки фазового перехода
Измерения модуля коэффициента отражения и изменений фазы отраженного сигнала позволяют определить в каждой температурной точке абсолютные значения скорости и коэффициента поглощения в исследуемом веществе. В диссертации разработана методика этих измерений для тонких образцов кристаллов с учетом акустических свойств склейки и созданэ установка, обеспечивающая измерения температурных зависимостей модуля и фазы коэффициента отражения на чэстоте 120 МГц. В результате применения импедансного метода впервые проведены измерения температурных зависимостей коэффициента поглощения и скорости квазипродольных волн в кристаллах сегнетовой соли и ТГС в сплошных интервалах температур, включающих их точки фазовых переходов на частоте 120 МГц. Повышение частоты ультразвука действительно привело к расширению интервала температур, где оит і . это позволило более подробно исследовать условия распространения ультразвука вблизи точки фазового переходе и определить основные кинетические характеристики исследуемых кристаллов - величину кинетических коэффициентов и температурные зависимости времени релаксации. Применение импедансной методики расширило диапазон частот, в котором могут использоваться релаксационные свойства сегнето-электриков вблизи температур их фазовых переходов как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. Кроме того, разработанный в диссертации ввриант импедансного метода ультразвуковых измерений с использованием наложения когерентных импульсов для измерения сдвига фаз при отражении, применен также для измерений акустических свойств тонких пленок пьезополупроводников и образцов цианокрилатного клея. При этом показана возможность использования импедансного методе для измерения акустических свойств этих материалов для технологического контроля в процессе их изготовления.
Экспериментальные результаты измерений модуля и фазы коэффициента отражения и определение поглощения и скорости звука в кристаллах ТГС
Применение импедансной методики расширило диапазон частот, в котором могут использоваться релаксационные свойства сегнето-электриков вблизи температур их фазовых переходов как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. Кроме того, разработанный в диссертации ввриант импедансного метода ультразвуковых измерений с использованием наложения когерентных импульсов для измерения сдвига фаз при отражении, применен также для измерений акустических свойств тонких пленок пьезополупроводников и образцов цианокрилатного клея. При этом показана возможность использования импедансного методе для измерения акустических свойств этих материалов для технологического контроля в процессе их изготовления.
Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе проведен анализ теоретических и экспериментальных работ по релаксационному аномальному поглощению и дисперсии скорости ультразвука в ТГС и сегнетовой соли вблизи их точек фазовых переходов. Показано, что на частотах выше 50 МГц импульсная методика измерений на прохождение не позволяет провести исследование поглощения и скорости в интервале температур, где с лг I. Во второй главе дана теория импедансного метода измерений скорости и поглощения звуке в тонких пленках и тонких слоях монокристаллов в условиях сильного поглощения. Разработан метод предварительного приближенного расчета скорости и поглощения звука для двухслойной системы склейкэ - исследуемый кристалл, когда акустические свойства склейки считаются известными. Показано, что предварительный приближенный рэсчет пригоден для определения скорости и поглощения звука в кристаллах ТГС и сегнетовой соли на частоте 120 МГц в сплошном интервале температур вблизи точки фазового перехода, включая и область максимального поглощения.
