Введение к работе
Предмет исследования и актуальность темы.
Современные исследования в области поверхностных акустических волн (ПАВ) во многом предопределились потребностями интенсивно развивающихся технологий сенсорных датчиков, нашедших перспективные применения в химии, биологии, фармацевтике и медицине. Соответственно развитие получили вопросы, касающиеся особенностей распространения ПАВ в условиях, когда звукопровод нагружается газообразной или жидкой средой [1-3].
Другое направление исследований ПАВ, преследующее как расширение круга их применений на новые области - нанотехнику, мехатронику и робототехнику [4], так и разработку устройств по технологии smart materials [5], ставит во главу угла изменение условий распространения под влиянием различных воздействий (электрических [6], механических [7], тепловых и пр.) на звукопровод. Несмотря на многообразие учитываемых внешних факторов, распространение ПАВ рассматривалось, за редким исключением [8-10], только вдоль фиксированных границ и при отсутствии перемещения сред. Однородная нестационарность ПАВ-зву ко проводов, проявляющаяся в форме равномерного движения границ или относительного перемещения составных частей волноводных структур, между тем, достаточно распространена, чтобы начать систематическое изучение её влияния. Так, доменные и межфазные границы кристаллов [11] способны под внешними воздействиями к перемещениям со скоростями, сопоставимыми со скоростями распространения удерживаемых ими ПАВ. Другой тип волноводов, в которых по конструктивным особенностям в процессе распространения ПАВ возможно относительное перемещение элементов звукопровода, представляют щелевые структуры на основе пьезоэлектриков [12].
Однородная нестационарность звукопроводящей среды для ПАВ может проявиться и как результат внутреннего упорядоченного движения отдельных частиц, образующих самостоятельную подсистему. Пример тому - токовая плазма пьезополупроводника или полупроводника, граничащего с пьезоэлек-триком, которая обуславливает хорошо изученные для ПАВ дрейфовые эффекты акустоэлектронного взаимодействия [1].
Отдельные аспекты дрейфового акустоэлектронного взаимодействия для ПАВ в слоистых структурах "пьезоэлектрик - полупроводник" продолжают оставаться актуальными. В частности, на начальном этапе работы над диссертацией был интересен вопрос о существовании на акустическом контакте пьезоэлек-трика и полупроводника с током дрейфа электрозвуковых ПАВ специфической объемно-поверхностной структуры [13]. Создание идеального и протяженного монолитного контакта таких материалов проблематично. Поэтому в качестве альтернативы потребовалось обсудить возможность существования электрозвуковой объемно-поверхностной волны (ЭОПВ) в условиях акустического сцепления пьезоэлектрика с полупроводником слоем диэлектрической вязкой жидкости.
Вместе с этой задачей объектом исследования в диссертации избрано
влияние на ПАВ электрозвукового типа однородной нестационарности пьезоэлектриков в форме равномерного поперечного движения межфазных границ и относительного продольного перемещения (ОНИ) пьезоэлектрических сред. Выбор указанного типа ПАВ продиктован тем, что в отличие от классических волн Рэлея и Стоунли, поведение которых предопределяется решеткой кристалла, в их формировании наряду с решеточной подсистемой не меньшую роль играют электрические поля. Относительно низкая инерционность последних обуславливает более заметную чувствительность электрозвуковых ПАВ к изменениям условий распространения.
Целью работы является теоретическое изучение влияния равномерного поперечного движения пакета доменных границ (ДГ) сегнетоэлектрика, ОНИ пьезокристаллических сред в щелевых структурах и дрейфового тока носителей заряда в полупроводнике, сцепленным с пьезоэлектриком слоем диэлектрической вязкой жидкости, на распространение соответствующего типа электрозвуковых волн.
В задачу исследования вошло:
обоснование возможности замены идеального (монолитного) контакта пары "пьезоэлектрик - полупроводник с током дрейфа" в качестве волновода ЭОПВ слоем связующей вязкой жидкости;
выявление роли коллективных взаимодействий поперечно движущихся ДГ сегнетоэлектрика на удерживаемую ими электрозвуковую волну для системы примыкающих полосовых доменов (ПД) и сверхрешетки ДГ;
оценка влияния ОНИ пьезоэлектриков щелевой структуры на поведение мод щелевой электрозвуковой волны;
оценка энергетической эффективности преобразования электрозвуковой волны поперечным движением одиночной ДГ сегнетоэлектрика;
исследование влияния ОНИ на туннелирование сдвиговой волны через вакуумную щель в движущийся пьезоэлектрик;
описание специфики дисперсионных свойств щелевых электрозвуковых волн на поперечно смещающейся трещине пьезоэлектрического кристалла.
Научная новизна диссертации заключается:
в установлении дополнительного ограничения на область существования ЭОПВ в структуре "пьезоэлектрик - вязкая жидкость - полупроводник" с током сверхзвукового дрейфа носителей заряда, налагаемого сверху на толщину слоя жидкости вязкостными потерями;
в предложенной оценке энергетической эффективности преобразования граничной электрозвуковой волны (ГЭВ) поперечным движением удерживающей её 180-градусной ДГ сегнетоэлектрика отношением усредненной энергии полей волны на движущейся ДГ к значению, соответствующему неподвижной доменной стенке;
в выявлении и истолковании нижних границ спектра мод ГЭВ в структуре примыкающих ПД сегнетоэлектрика, как признака коллективного взаимодействия движущихся ДГ, происходящего без образования новых дисперсионных ветвей;
- в установлении характерных признаков неколлинеарности ГЭВ для
структуры примыкающих ПД, сверхрешетки ДГ сегнетоэлектрика и вакуумной трещины пьезоэлектрика, вызванных поперечным движением удерживающих границ;
в предсказании парного расщепления дисперсионных ветвей спектра мод парциальных (блоховских) ГЭВ доменной сверхрешетки сегнетоэлектрика внутри разрешенной зоны, меняющихся местами при инверсии скорости поперечного смещения ДГ;
в предсказании существенной невзаимности стационарного распространения и возможности конвективного акустоэлекгронного усиления щелевых электрозвуковых волн при 01111 пьезоэлектриков слоистой структуры со щелью;
в выявлении дополнительной ветви рефракции туннелирования сдвиговых волн через щель пьезоэлектриков, испытывающих 01111, и усиления отраженной волны по механизму обращения волнового фронта (ОВФ).
Практическая значимость результатов работы состоит в развитии теоретических представлений о свойствах ГЭВ в условиях проявления системой однородной нестационарности свойств (дрейфовая нестационарность полупроводника, 01111 пьезоэлектриков щелевых структур) или равномерного движения удерживающих границ. Полученные результаты позволяют прогнозировать ряд качественно новых особенностей в поведении ГЭВ (нетрадиционная структура волновых полей ЭОПВ; невзаимность стационарного распространения щелевых электрозвуковых волн вследствие 01111 пьезоэлектриков; "сверхотражение" сдвиговых волн щелевой структурой пьезоэлектриков в условиях 01111 по механизму обращения волнового фронта). На этой основе выявлены новые каналы манипулирования распространением ГЭВ и, как следствие, определены дополнительные возможности для разработки приложений. Так, применительно к акустодомённым устройствам совмещение режима обработки сигнальной информации с регулируемым движением ДГ позволяет рассчитывать на дополнительную доплеровскую компрессию импульсов или желаемые частотные сдвиги, а невзаимность распространения щелевых электрозвуковых волн вследствие 01111 представляется перспективной для разработки узлов с механически контролируемой задержкой сигнала.
Основные положения, выносимые на защиту:
Существуют ЭОПВ при надкритической дрейфовой нестационарности полупроводника и его акустическом сцеплении с пьезоэлектриком слоем вязкой жидкости, ограниченным сверху по волновой толщине.
Движение ДГ сверхрешетки сегнетоэлектрика обуславливает внутризонное расщепление спектров мод парциальных (блоховских) ГЭВ на пары. При инверсии скорости ДГ сверхрешетки внутри пар имеет место перестановка спектров мод местами.
ОНИ пьезоэлектриков щелевой структуры вызывает невзаимность стационарного распространения, изменение спектра и конвективную акустоэлектронную неустойчивость антисимметричной моды щелевых электрозвуковых волн.
При туннелировании сдвиговых волн через зазор пьезоэлектриков, подвергнутых ОНИ с двухкратным превышением скорости звука, к обычной ветви реф-
ракции добавляется новая ветвь рефракции с ОВФ, приводящая к усилению отражения.
Достоверность результатов диссертации обеспечена адекватностью соответствующих физических моделей, справедливостью используемых приближений и надежностью численных методов расчета, применяемых для решения близких по тематике задач. Результаты расчета спектров мод, составляющие большую часть всех численных расчетов, контролировались общепринятым способом - подстановкой полученных значений корней в дисперсионное соотношение D(co,k)=0, где со - частота, к - волновой вектор, и достаточной (принятой в соответствии с точностью их оценки) малостью отклонения |D(co,k)| от нуля.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Кишинев, 1989), на Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций памяти проф. А.И.Весницкого. (Н.Новгород, 2004), V (Самара, 2006) и VII (Самара, 2008) Международных научно-технических конференциях "Физика и технические приложения волновых процессов", на XVIII (Таганрог, 2006) и XIX (Н.Новгород, 2007) сессиях Российского акустического общества, на 4-ой Межрегиональной молодежной научной школе "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение" (Саранск, 2005).
Личный вклад автора в получении материалов диссертации был определяющим и состоял в выводе общих решений граничных задач, составлении программ и выполнении численных расчетов. Результаты разделов 2.5, 2.6 диссертации, получены совместно со старшим научным сотрудником УФ ИРЭ РАН Вилковым Е.А. При выборе, постановке исследовательских задач и обсуждении полученных результатов автор пользовался поддержкой научного руководителя - академика РАН Гуляева Ю.В., а также консультациями академика РАН Бугаева А.С. и ведущего научного сотрудника УФ ИРЭ РАН Шевяхова Н.С.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 научных работах. Из них 6 - статьями в рецензируемых журналах РАН, 4 - статьями в научных сборниках и периодических научных изданиях и 6 - материалами научных конференций.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации содержит 159 страниц текста, включая 52 рисунка. Список литературы включает 123 единицы цитирования.
