Нелинейные электромеханические свойства и распространение акустических волн в тригональном пьезоэлектрике La3 Ga5 SiO14 в условиях статических внешних воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

С:-

Турчин Павел Петрович

НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ТРИГОНАЛЬНОМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКЕ ЬазСа^Юн В УСЛОВИЯХ СТАТИЧЕСКИХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

О¡.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 1997

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Красноярского государственного университета и в лаборатории кристаллофизики Института физики им. Л.В.Киренского СО РАН

Научные руководители - академик Александров К.С.

доцент, кандидат физико-математических наук Сорокин Б.П.

Официальные оппоненты -

доктор физико-математических наук Захаров Ю.В. (г. Красноярск)

кандидат физико-математических наук Квашнин Г.М. (г. Красноярск)

Ведущая организация -

Институт физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 1997г. в _ час. на заседании

диссертационного Совета Д 002.67.02 при Институте физики им. Л.В.Киренского СО РАН.

Адрес: 660036, г.Красноярск, Академгородок, Институт физики

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В.Киренского СО РАН.

-'V-'/>,->/у

Автореферат разослан " ' " ^ 1997г.

/

Ученый секретарь диссертационного Совета

доктор физико-математических наук .¿¿У?'л - 13.В.Вальков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последовательное изучение нелинейных'свойств твердых тел началось в 50-е годы и в значительной степени обусловлено как развитием представлений о природе Энгармонизма межатомных взаимодействий, так и возможностями практических приложений устройств твердотельной акустоэлектроники в различных областях науки и техники. Современное развитие более полных исследований нелинейных электромеханических свойств (НЭМС) известных и вновь полученных материалов связано, главным образом, с практикой применения их в различных- приборах, когда требуется максимальное проявление нелинейности (например, датчики внешних воздействий) или необходимы устройства, функции которых определяются только линейными свойствами материала. К числу новейших относится пьезоэлектрик Ьа,Ой5ЗЮ14 (лангасит), который также, как и кварц, принадлежит к точечной группе симметрии 32, обладает термостабильными направлениями распространения акустических волн, но имеет больший коэффициент электромеханической связи, что делает его перспективным для использования в устройствах акустоэлектроники. До настоящего времени отсутствовали данные по.НЭМС кристалла лангасита, что, по нашему мнению, было связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, с недостаточной методической проработкой экспериментальных исследований НЭМС тригональных кристаллов с сильной пьезоэлектрической связью и, во-вторых, ввиду значительной громоздкости и объема проводимых расчетов и измерений для определения полного набора НЭМС. Выполненные исследования анизотропии распространения объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волн применительно к лапгаситу носили недостаточно полный характер и не затрагивали вопросов распространения воли при внешних воздействиях. Поэтому получение значений НЭМС и изучение ориентационных зависимостей основных характеристик акустических волн различных типов в лангасите является актуальным как с точки зрения практического применения этого материала, так и с позиций более полного изучения ангармоничности и характера проявления нелинейности электромеханических свойств низкосимметричных пьезоэлектрических кристаллов.

Целью работы является комплексное исследование НЭМС тригонального пьезо-электрика ЬачОазЗЮн и анализ распространения ОАВ и ПАВ в этом монокристалле в условиях действия однородного электрического поля и статических механических напряжений.

В основные задачи исследования входили:

1. Анализ влияния внешних статических воздействий на распространение акустических волн в кристаллах точечной симметрии 32.

2. Рассмотрение особенностей распространения ОАВ и ПАВ под действием постоянного электрического поля (Е ) и однородных механических напряжений (х ) в кристалле лангасита.

3. Исследование методических особенностей экспериментального определения линейных и нелинейных ЭМС в тригональных кристаллах ультразвуковым импульсным методом. Анализ достоверности экспериментальных данных.

3. Определение полного набора линейных и нелинейных ЭМС La,Ga,SiOH.

5. Оценка возможностей применения этого материала в устройствах акустоэлск-троники.

Научная новизна. Автором впервые получен полный набор нелинейных материальных постоянных (нелинейный пьезоэффект, электрострикция, упругая и диэлектрическая нелинейности) монокристалла лангасита. Исследованы условия снятия вырождений по скоростям сдвиговых волн в направлении акустических осей в данном пьезоэлек-трике в результате изменения симметрии кристалла при приложении внешних воздействий. На основе полученных данных определены срезы и направления распространения ОАВ и ПАВ с экстремальными проявлениями линейных и нелинейных электромеханических характеристик. Найдены срезы с оптимальным сочетанием параметров ОАВ и ПАВ для использования в линейных и нелинейных устройствах акустоэлектроники и исследованы возможности практических применений монокристаллов лангасита. Установлена принципиальная возможность существования в исследуемом материале термостабильных срезов для распространения ПАВ, обладающих достаточно высокими значениями коэффициента электромеханической связи (КЭМС).

Практическая ценность. Разработанные автором методические подходы в изучении НЭМС тригональных кристаллов могут быть успешно использованы для определения НЭМС других низкосимметричных сред. Полученные данные по электромеханическим и нелинейным ЭМС полезны при разработке практических устройств на основе этого материала и могут стать основой перспективных исследований природы термо-стабильиости, трансформации акустических волн, а также исследований влияния внешних воздействий на распространение акустических волн других типов, например, оттекающих или приповерхностных.

На защиту выносятся:

Г. Методика определения НЭМС монокристаллов симметрии 32 на основе импульсного ультразвукового метода*

2. Результаты исследований нелинейных электромеханических свойств монокристаллов лангасита.

3. Анализ изменений акустических свойств и расчет анизотропии основных параметров ОАВ и ПАВ в пьезоэлектрике La3GasSiOi4 при приложении внешних воздействий.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались на I Всесоюзной и II Международной конференциях "Реальная структура и свойства ацен- -трнчных криааллов" (Александров 1990, 1995), на IV Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и применения сегнето-, пьезо-, пироэлектриков и родственных им материалов" (Москва 1991), на Международном симпозиуме "Ferro-, piezoelectric materials and their applications" (Москва 1994), на XIII Всесоюзной и XIV Всероссийской конференциях по физике сегнетоэлектриков (Тверь 1992, Иваново 1995), на Международных "1995 IEEE Ultrasonics Symposium" (Сиэтл 1995) и на "1996 IEEE Internationa! Frequency Control Symposium" (Гонолулу 1996).

В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в участии в постановке задачи, выполнении аналитических расчетов, проведении экспериментальных исследований, программировании и расчетах на ЭВМ, а также в анализе полученных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ в журналах "Физика твердого тела", "Известия РАН", "Ferroelectrics Letters", в материалах и тезисах Всероссийских' к Международных конференций

i "фуктура и объем работы. Диссертация состой г "'J введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литераторы. Работа изложена па 179 страницах машинописного текста и включает 17 таблиц, 36 рисунков: список цитируемой лтерапры содержит 231 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ

Во введении (.одержигея постановки )адач диссертации как части комплексных Иььлсдиьашш нелинейных мекцнхмелаиическич cnoi'tcm пье¡оэлекзрических криааллов, проводимых на кафедре физики твердого тела Красноярского госуниверситста, обосновывается актуальность выбранной темы, описана структура диссертации.

Пстжа.я_гла_ва_ имеет обзорный характер. В ней рассмотрено феноменологическое описание нелинейных явлений в пьек>пектрических кристаллах развитое в paooiax Терс i она, Тирстена. Лямова и др. Записаны термодинамические по i енцналы. уравнения сосюяння и уравнения движения пьезоэлектрической среды в материальном описании при воздействии внешних сил. Приводится явный вид динамической части уравнений состояния и эффективных постоянных для адиабатического случая, где учтено влияние статических электрических и одноосных механических воздействий.

Проанализированы методы исследования нелинейных электромеханических свойств пьезоэлектриков и особенности метрологического определения нелинейных материальных постоянных, низкосимметричных кристаллов. Определены наиболее перспективные по чувствительности и информативности методы для исследования нелинейных свойств пьезоэлектрических материалов с большим значением КЭМС, к которым отнесены импульсные методы измерения зависимостей скоростей ультразвука V от электрического поля Е и одноосных механических напряжений т .. Сделаны выводы в отношении возможностей экспериментального определения и практического применения нелинейных материальных констант в прикладных и научных целях.

Рассмотрены типы и свойства акустических волн на свободной поверхности полубесконечного пьезоэлектрического кристалла, а также особенности распространения акустических волн в различных кристаллографических направлениях, связанные с явлениями внутренней конической рефракции, отражения и преломления ОАВ и эффектами трансформации ОАВ и ПАВ. Исследованы возможности аналитического и численного анализа анизотропии акустических волн различных типов с учетом влияния внешних статических воздействий.

На примере ряда устройств и результатов современных исследований особенностей распространения акустических волн в пьезокристаллах проанализированы существующие тенденции научных исследований и пути совершенствования как серийно выпускаемых акустоэлектрониых радиокомпонент, так и перспективных приборов на основе нелинейных эффектов.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу распространения ОАВ малой амплитуды в кристаллах симметрии 32 в условиях внешних статических воздействий и изучению особенностей метрологии НЭМС тригональных кристаллов, связанным с числом нелинейных материальных постоянных, подлежащих экспериментальному определению.

Предложен способ выбора кристаллофизической системы координат (КФСК) для энантиоморфных кристаллов точечной симметрии 32 непосредственно из кристаллоаку-стического эксперимента, для чего использованы срезы, перпендикулярные первона-

чально неразличимым кристаллографически направлениям

°л/2 л/2.

■и Л.

в

этих направлениях выполняются соотношения

2 2

. 2

Р0У»+Р,У(»=-(С®+СЗЕ, + 2С® -гей), \ (1)

р0Уоь+р01>о5= 1(С®+С^+2С'+2С,Е4). (2)

и

откуда по установленным значениям модулей упругости и измеренным скоростям квазипродольной и квазисдвиговых волн легко найти соответствие указанных кристалло-фпзических направлений с направлениями образца (нами использовано требование С|4<0), задавая тем самым правый октант рабочей КФСК. В установленной КФСК определены модификация используемых образцов и взаимный знак пьезомодулей с1ц и (1)4. Измерения показали, что образцы относились к левой модификации, а пьезомодули имели одинаковый знак: <1М <0, с114 <0.

В предположении о достаточности учета только первых степеней внешних воздействий при записи эффективных постоянных пьезоэлекгрической среды решены модифицированные уравнения Грина-Крцстоффеля (3,4), записанные в координатах начального состояния:

[Гвс(Ё)-5всРоУ2]Ос=0, (3)

гдеГвс(Е) = ГвГ+^,

е

ГвСР = СдВСоПдПц + ~ С ]№СО + ^С ддрц (1 д,,; ^П д П р Ш, Е ,

ев = [е.Ав + (е1Авсс^со + Н,мв]т1Е]п,Пд,

ес = сс +2е,,ю()Я)СпрпРт)Е,

[гвс<т)-5всРо1У2]Ос = 0, (4)

где для нспьезоактивных ОАВ Гяс(т) имеет вид

Гвс(^) = [с;нс0 + + ^^ЛЙГО^ГСК!. + - " Г< ^ I'1 А 11'! -

а для пьезоэлектрической части Гвс(т) получено:

ПС • * П ' " И НЛ/ * .47 1

. (емСРеНАВКЬ + еМАВеиСРК1)ПМПМ рЕ — _

п 0кьхгтхг

ЕрдНрПд

-------1"НтУУ = УУХ7ТХ7ПРП0 плпп- (б)

(е^ПрПд)"

В этих соотношениях С^ВСр,с]АВ(ё,д|() и - упругие, пьезоэлектрические, диэлектрические постоянные;, ■ СдВС00К,е,ЛВСО,НАВрО и е„„ - нелинейные упругие, пьезоэлектрические, элёктрострикционные и диэлектрические постоянные; е£ и ев - компоненты век- ' торов "прямого" и "обратного" пьезоэффекта! е' - эффективная'диэлектрическая по-

стоянная; 1Лс, пл и т, - компоненты единичных векторов упругих смещений (поляризации волны), направления распространения волны и ориентации поля Е, тхг -компоненты тензора напряжений.

Получен необходимый набор (включая контрольные) соотношений, связывающих нелинейные материальные постоянные с экспериментально определяемыми величинами а,Е; и а^ :

удон ле;л6_0 (од дт

Показано, что для определения нелинейных параметров О;, ^ и д (¡=1...7, }=1...6) и 31 нелинейной постоянной кристаллов симметрии 32 достаточны срезы, перпендикулярные

кристаллофизическим направлениям [100], [010], [001],

4+

л/2

О-'*

V2 V2.

. Для

экспериментального определения констант электрострикции и нелинейной диэлектрической проницаемости дополнительно предложено использовать результаты измерений величин (7) для пьезоактивных ОАВ. При этом проверочные уравнения были получены из условий приложения статических механических напряжений в направлениях

. V2V2

4г42

. Показано, что в кристаллах симметрии 32 влияние постоянно-

го электрического поля на распространение непьезоактивных ОАВ описывается семью введенными нелинейными параметрами а, и нелинейным пьезомодулем ел5.

Аналитически исследованы случаи снятия вырождения по скоростям сдвиговых ОАВ в направлении акустической оси 3 при приложении Е и т . В частности получено, что поле Е||[100] снимает вырождение по скоростям сдвиговых волн в направлении акустической оси 3, что является, конечно, следствием изменения симметрии среды при воздействии. Для этого случая симметрия среды, согласно принципу Кюри, понижается до моноклинной класса 2 и собственные значения тензора Г„С(Е) имеют вид: >*, = С44 +а„Ё (и||[100],8-волна), X, = С44-а„Ё ( 0~||[010], QS-волна), = Сзз (U *||[001], QL-волна), где аи = -а, + 2CJ4dn. Аналогично установлены и другие особенности распространения ОАВ.

Из анализа общего вида модифицированного тензора Грииа-Кристоффеля Г|)С(Е) найдено, что приложение Е перпендикулярно оси 2 вызывает возмущение только нулевых компонент ГВС(Ё) при распространении ОАВ вдоль и перпендикулярно оси 2. примером чего служит вид тензора в направлении [100]:

к

Гпг(п]][100],Е * 0,т, = 0) -

Гн a,,E a,,E

_ о о

Гп Ги

_ О О

а,,Е Гз: Pj

(8)

/

Ненулевые нелинейные добавки авс в (8) в решения задачи на собственные значения будут входить как величины, квадратичные-no Е (раскрываем определитель по строке или столбцу), на основании чего сделан вывод об отсутствии влияния электрического поля, приложенного перпендикулярно оси 2 на скорости ОАВ, распространяющихся вдоль и перпендикулярно оси 2, в линейном по Е приближении в кристаллах рассматриваемой симметрии.

Разработана численная процедура нахождения и определения достоверности нелинейных материальных постоянных, в основу которой положен метод наименьших квадратов для решения переопределенной системы линейных уравнений (Thurston R.N., McScimm H.J., Andreatch P. //J.Appl.Phys., 1966, v.37, №1, p.267-275). Установлена последовательность экспериментального определения всего набора нелинейных параметров монокристаллов симметрии 32.

В третьей главе содержатся основные результаты экспериментальных исследований линейных и нелинейных электромеханических параметров пьезоэлектрика LajGajSiOu и описаны применяемые автором экспериментальные методы исследования распространения акустических волн в условиях действия однородных электрических полей и сташческих механических напряжений, включая экспериментальные особенности приложения внешних воздействий и температурных измерений скоростей ОЛВ. В качестве основной экспериментальной установки была выбрана схема импульсного ультразвукового метода, разработанного Сорокиным (кап. дисс., Красноярск, 1985), к достоинствам которой относятся возможность достаточно точных абсолютных (а ICH) и огноенгсльныч Ы0<>) измерений скоростей ОАВ

Получены экспериментальные зависимости скоростей ОЛВ от температуры в диапазоне от -180°С до Ю0°С. Проведен учет задержки звука в контактном слое смазки образец-преобразователь, в экспериментах применялся жесткий акустический контакт "образец-преобразователь". ГТо результатам исследований 7;(Т) определены температурные зависимости электромеханических свойств монокристалла La,Ga,SiOl4 н рассматриваемом диапазоне температур (табл. I).Отметим существенное различие температурных коэффициентов модулей упругости и C« = + —, а также Cf, и

еи

С" = о;-, + —, что связано с температурным поведением пьезоэлектрической добавки: в

Е

И

С1

первом случае она почти в 4 раза увеличивает, а во втором - уменьшает абсолютное значение соответствующих коэффициентов (табл. 1).

Таблица 1

Электромеханические свойства и температурные коэффициенты монокристалла ЪазСабБЮи (20°С)

Настоящая работа * ++

Компоненты тензоров материальных свойств Значения постоянных Температурные коэффициенты, 10"61/К Значения постоянных Температурные коэффициенты, ÍO^I/K Значения по-, стоян-ных Температурные коэффициенты, 10"61/К Значения постоянных

Плотность р, г/см5

| 5.743 | -13.5 | 5.743 | | 5.754 | | 5.754

Модули упругости Cuv, 1010 Па

СЕ Hi 18.88+0.01 -67.5 19.02 -47 18.89 -58.7 19.09

Hl 18.98±0.01 -54.0 19.15 -47 "

сЕ. 12 10.47±0.02 -126.1 10.63 -100 10.46 -218 10.63

СЕ 9.59±0.02 -75.0 9.19 -130 9.68 -101 10.42

СЕ -1.41+0.02 -317.5 1.47 -370 1.43 -154 1.52

сЕ 26.14+0.01 -102.5 26.21 -94 26.22 -135 26.19

рЕ . 44 5.35±0.01 -67.8 5.38 -30 5.39 -79.7 5.24

сЕ 4.2Ю.01 7.9 4.2 36 4.22 139 4.32

с° 4.3±0.01 29.0 4.319 36

Пьезоэлектрические коэффициенты e¡u, Кл/м2; d¡v, Ю-12 Кл/Н

еп -0.44±0.1 587.5 -0.44 -2400 -0.45

е14 -0.08+0.07 625 0.07 -5000 0.09

dii -5.02±0.05 -6.16

di4 -4.55±0.05 5.36

Диэлектрические константы ej / е0

18.92+0.03 150 18.98 153 18.86 447 18.99

el/za 50.7+0.03 -772.5 ■ 48.5 -760 49.10 -618 49.3

* Сильвестрова И.М., Писаревский Ю.В., Сенющенков П.А., Крупный А.И. //

ФТТ, 1986, т.28, в.9, с.2875-2878.

** Ilyaev A.B., Umarov B.S., Shabanova L.A. Dubovic M.F. // Phys. stat. sol., 1986, (а) 98, р.К109-К114.

*** Сильвестрова И.М., Писаревский Ю.В., Каминский A.A., Милль Б.В. // ФТТ, 1987, т.29, в.5, с.1520-1522.

Выполнены экспериментальные исследования зависимостей 1/¡(E) и 1Л(х). Контроль степени однородности прикладываемых механических напряжений предложено осуществлять путем непосредственного измерения коэффициентов управления в páзличныx точках исследуемого образца. Показано, что при выполнении требования параллельности противоположных граней образца не хуже ±1 мкм/см, значения aj, будут одинаковы во всех точках. Экспериментально подтверждены выводы главы 2 об

отсутствии влияния Е на скорости ОАВ при определенных сочетаниях направлений распространения ОАВ и приложения Е , а также о снятии вырождения сдвиговых ОАВ в направлении [001] при действии Е и Т. Во всех случаях измерений зависимости скоростей ОАВ от прикладываемых однородных внешних воздействий носили линейный характер (на рис.1 приведены результаты экспериментальных исследований зависимостей V от Н). Были определены значения коэффициентов управления ос)5, и а', и рассчитаны нелинейные электромеханические параметры .исследуемого монокристалла (табл.2), где в качестве сравнения приведены значения нелинейных модулей упругости пьезо-электриков ЭЮг и 1лЫЬОз. Каждый из наборов НЭМС находился численным решением переопределенной системы линейных уравнений методом наименьших квадратов с определением погрешности Вычисляемых констант и последующей ее минимизацией. Так для определения 14 нелинейных модулей упругости решалась система из 24 уравнений.

-21 .оо ->

Рис.I. Зависимости Vl(E) а кристалле Ьа^Оа^Юи

Проведен сравнительный анализ нелинейной упругости лангасита и льезоэлек-триков 5Юг и 1л1ЧЬОз, на основе предложенного Сорокиным [10,17] нелинейного параметра:

Таблица 2

Нелинейные электромеханические постоянные монокристалла ЬазСа^Юы (20°С)

Нелинейные материальные константы Нелинейные параметры

Ю'оН/м1 ; е^„, Кл/м2 а,, Кл/м2

Ьаз0а5810и ^N«>5 [32] БЮг [19] еш 9.3+0.7 а. 6.19±0.6

С|ц -97.2±0.5 -212 -21.0 еиз -3.5±0.5 а2 -4.34+0.5

С|12 0.7±0.1 -53 -34.0 ец4 1.0±0.3 а3 -0.03+0.1

Сиз -11.6±0.3 -57 1.3 е|22 0.7±0.3 а4 -1.21+0.3

Сц4 -2.2+0.1 20 -16.3 е|24 -4.8+0.6 а5 -4.3+0.7

С123 0.9±0.2 -25 -29.4 ,. е|34 6.9±0.б а6 5.08±1.0

С|24 -2.8±0.1 4 -1.5 еи4 -1.7±0.3 а? -4.69+0.6

С|33 -72.1+0.5 -78 -31.2 ез!5 -4±1.2 ' Ь;, !0-|0Н/В2

С [34 -4.1 ±0.1 15 0.2 Нхи, 10>» Н/В^ Ь| -43.3±9

С]44 -4.0±0.2 -30 -13.4 Ни -2б±10 ь2 170.2±13

С|55 -19.8±0.4 -67 -20.0 Н,2 65±7 Ьз • -23.6±12

Сг22 -96.5±0.3 -233 -33.2 Ни 20+8 ь4 -26.8+10

Сззз -183.4+0.7 -296 -81.5 Н| 4 - -43+9 ь5 65.5±7

С 344 -38.9+0.3 -68 -11.0 Н3| -24+15 ь6 -44.4±Ю

С444 20.2±0.7 -3 -27.6 Нзз -40±30 д, 10-мФ/В

е^, 10-м Ф/В Н4) . -170+13 Я 6.0+2

£П -0.5+1 Н44 -44±10

,. _ 1 1 С'1П1| _ ' С1И " /9)

л 3 с;И1 з с;, •

где Щ,е,„„ и ЩЮ1 нелинейный и линейный вклады в плотность упругой энергии. Апостроф обозначает, что компоненты тензоров берутся в "повернутой" системе координат и предполагается что кристалл подвергнут однородному одноосному статическому растяжению вдоль оси X; (деформация положительна). Получено, что монокристалл лан-гасита обладает максимальной степенью проявления "упругого" энгармонизма среди рассматриваемых пьезоэлектриков (среднее значение |у|=2,4), но минимальным коэффициентом, характеризующим анизотропию проявления упругой нелинейности

В четвертой главе проанализирована анизотропия основных электромеханических характеристик (включая нелинейные) ОАВ и ПАВ. При численном анализе и ком-

пьютерном расчете анизотропии всех параметров акустических волн как в линейном, так и в нелинейном случаях мы использовали программы, разработанные С.И.Бурковым (кан. дисс., Красноярск, 1989). Определены направления и срезы для распространения акустических волн с экстремальными проявлениями различных характеристик или их оптимальным сочетанием, В частности, отмечено, что для ОАВ максимальное значение коэффициента управления достигается для медленной сдвиговой ОАВ

Таблица 3

к N Мода V, м/с к У," (отклоне ние потока энергии) ТСУ, 10 5м/с Налрав леиие Е 10 ,: м/В Налрав ление Р а;,, 10" мУН

1 х-срез, (р~72° РБ 3330,1 0 10,8 0 Е||[100] 10 РЦ[Ю0] 10

2 у-срез. П00] 2379.6 0 0 " Е|| N 106

3 у-срез, ф~50° 3378,1 0,025 3,4 0,5 Е||1\ -10,3 Р..1 N. Р±[010] -11

4 г-срез, у>=30° РБ 2738,2 0 16 Е||1Ч 0 РШ001] -10

5 х-срез, ср=90° Ь 6746,7 0 0 ЕЦ[!00] 0

6 у-срез, ф~42° Я5 3334,5 0,037 7,3 0,5 р±.м, Р1[010] 0

в направлении [100] при приложении Е||Х I (а^, =10,6-10"" м/В), а в случае распространения ПАВ максимален коэффициент управления а", в х-срезе при ф«25° =13,5-10""

м2/Н) Другие наиболее интересные сочетания параметров ОАВ и ПАВ приведены в табл. 3,4. Дополнительно к расчету анизотропии характеристик ПАВ в базовых х,у,/,-срезач применялась процедура поиска с помощью вычислений параметров ПАВ для х,у,/-осей цилиндра, а также х,\,7.-осеп буди (см. Акустические кристаллы. Справочник, под ред. М П.Шаскольской // М.: Паука, 1982,632с,).

Таблица 4

Параметры ПАВ в избранных направлениях __

N N V, ч/с Направление К, а.' , 10" м/В Направление Р а;,, 10" М-/Н к-, 10 •• ТСП. 10 5 м/с

I у-срез (ф=0,1К0°) 2332,1 епх; 9 3,6 5,9

2 г-срез (ф=30,90,150°) 2370,2 енх; 11 0 6,0

3 у-ось булн (ф=45.135°) 2510,8 ецх; 8 3,3 4,5

4 \-срез (ф=25°) 2349,8 рнх; 13,5 2,3 5,8

5 у-срез (ф=77,ШЗ°) 2757,2 щх; 0 рцх; 4 0,2 0

6 ч-срез (ф=166°) 2558,0 рцх; 6 3,2 3,3

7 ч-ось були (ф=85°) 2337.6 ецх; 8.2 3.6 5,9

Показано, что помимо акустической оси в направлении кристаллографической оси 3, существует еще одна акустическая ось под углом ф«138° в х-срезе. Рассмотрены характеристики ОАВ, обладающих нулевыми значениями ос,1; при приложении Е пер-

пендикулярно кристаллографической оси 2. Отмечено, что такая "неуправляемость" ' связана с отсутствием линейной электромеханической связи в направлении распространения волны, либо поляризация такой волны перпендикулярна направлению приложения- Е .Рассчитанные ориентационные зависимости коэффициентов управления ОАВ а^ и ац в пределах экспериментальной ошибки совпадают с экспериментально установленными значениями. В качестве примера на рис: 2,3 приведены результаты таких расчетов для у-среза (точками обозначены экспериментальные значения).

Рис. 2. Ориентационные зависимости а^ ОАВ: у-срез (E))ÎS). Широкая линия отвечает зависимости для продольной, тонкая - для быстрой сдвиговой ОАВ

Одним из интересных результатов исследований стали итоги сравнительного анализа анизотропии КЭМС, температурных зависимостей скорости ОАВ (TCV) и задержки ПАВ (TCD), приведенные в таблице 5. Первые четыре случая в таблице отвечают расчётам, выполненным для повернутых у и z-срезов (а - нормаль п к плоскости распространения ПАВ составляет угол у с осью Xi КФСК и лежит в плоскости Х1ОХ2, б - п лежит в плоскости, проходящей через ось Хз под углом vj/ к плоскости Х1ОХ3 и составляет угол ф с осью Хз).

Обобщение полученных результатов показывает, что в направлениях, обладающих стремящимися к нулю температурными коэффициентами, КЭМС меняет значе ния от близких к нулю до достаточно высоких, представленных в табл. 5. Такая анизотропия в поведении к2 говорит о необходимости корректного и детального поиска срезов

20 (Ху , 10'" М2/Н

-20

■ V

200

Рис. 3. Ориентационныезависимости ату ОАВ: у-срез (Р11Ч,РХ[010]). Широкая линия отвечает зависимости для продольной, тонкая - для быстрой сдвиговой ОАВ

Таблица 5

Ориентация среза кристалла Мода Скорость, м/с к'плв. 10-' коив ТСОплв, 10 5 1/К ТСУо.в, Ю-51/К

и/=95°, 1^26" (о) ПАВ 2942.9 1.81 - 0

и/=35°, ф-153° (6) ПАВ 2942 5 1 33 - 0.05 -

ц/=25°, ф=153° (б) ПАВ 2942.6 1.83 - -0 08 -

Ч/=25°, ф=3б° (а) ПАВ 2719.2 0.82 - 1.39 -

х-срез, ф-72° ПАВ 2659.2 0.015 - 2.63 -

х-срез, ф-156° ПАВ 2643 5 1.85 2.07 -

х-срез, ф=180° ПАВ 2436.6 4.4 - 5.07 -

\-срез, ф=80° 2604.6 - 0.164 -3 98

у-срез, ф=90° I. 5748.7 - 0.075 -4.47

у-срез, ф=66° 3260.1 - 0.047 - 0.049

с необходимым сочетанием нужных параметров. Другим выводом является наличие в монокристалле ЬазСазЭЮн термостабильных направлений для распространения как ОАВ, так и ПАВ. В заключение главы приведены оценки возможностей практического применения монокристаллов лангаспта в устройствах акустоэлектроники.

Основные выводы и результаты диссертации 1. Получен явный вид модифицированного тензора Грина-Кристоффеля ГВС(Е), в котором учтено влияние всех видов нелинейных свойств и записаны компоненты Гвс(т), с учетом пьезоэлектрического взаимодействия, необходимые при получении

нужного числа уравнений для определения полного набора НЭМС кристаллов симметрии 32. Получены соотношения для коэффициентов управления скоростью ОАВ электрическим полем ос® и статическими механическими напряжениями сЦ и исследованы особенности распространения ОАВ в кристаллах симметрии 32 в условиях приложения однородных внешних воздействий. Показано, что приложение электрического поля перпендикулярно направлению кристаллографической оси 2, в линейном приближении по воздействию, не будет влиять на скорости ОАВ, распространяющихся также перпендикулярно оси 2, либо вдоль нее. Найдено, что все особенности распространения непье-зоактивных ОАВ в условиях действия Е могут быть описаны ограниченным числом нелинейных параметров а, и нелинейным пьезомодулем ел

2. Исследованы методические особенности определения НЭМС в кристаллах симметрии 32, установлен набор направлений и определена последовательность экспериментальных измерений материальных постоянных кристаллов данной симметрии путем импульсной ультразвуковой методики. Рассмотрены вопросы установления достоверности и вычисления погрешности рассчитываемых из переопределенной системы линейных уравнений констант.

3. Результаты экспериментальных измерений показали, что зависимости скоростей ОАВ линейны и обратимы во всем диапазоне прилагаемых внешних воздействий, что отвечает сделанным предположениям.

4. .Впервые получен полный набор нелинейных материальных постоянных (нелинейный пьезоэффект, электрострикция, упругая и диэлектрическая нелинейности) монокристалла лангасит. На основании полученных данных исследованы особенности распространения ОАВ и ПАВ в условиях действия постоянного электрического поля и статических механических напряжений в этом монокристалле. Рассчитанные ориента-ционные зависимости коэффициентов управления а,Е; и а,', в пределах экспериментальной ошибки совпадают с экспериментально установленными значениями.

5. Показано, что вследствие изменения симметрии кристалла при приложении воздействий возникает снятие вырождения по скоростям сдвиговых ОАВ в направлениях первоначально "иевозмущенных" акустических осей, одна из которых совпадает с кристаллографической осью 3, а другая проходит под углом ф»138° в х-срезе. Совместный анализ анизотропии параметров ОАВ и ПАВ с их температурными характеристиками позволил установить срезы и направления распространения ОАВ и ПАВ в монокристалле L;i3G;iíSiOi4 с оптимальным сочетанием названных параметров для применения в линейных и нелинейных устройствах акустоэлектроники. Показана принципиальная возможность существования в данном пьезоэлектрике термостабильных срезов для распространения ПАВ с достаточно высокими значениями коэффициента электромеханической связи.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

I. Бурков С.И., Сорокин Б.П., Турчин П.П. Термостабильные направления и срезы для распространения объемных и поверхностных волн в пьезоэлектрике LajGa5SiO,4 // Тез докл. Всес. конф "Реальная структура и свойства ацентричных кристаллов", Александров, 1990. с.Ш. . "" " ----- ---

2. Сорокин Б.П., Турчин П.П. Минимизация погрешности измерений скоростей объем-пых акустических волн в пьезоэлектрике La,Ga,SiOu II Тез. докл. Всес. конф. "Реальная с i р> к гура и свойства ацентричных кристаллов", Александров, 1990, с. 182.

3. Александров К.С.. Сорокин В.П , Гурчин П.Г1. Нелинейные электромеханические параметры пьезоэлектрика La3Ga5SiOM //Тез. докл. IV Всес. конф. "Актуальные проблемы получения и применения сегнето-, пьечо-, пироэлсктрнкоп и родственных им материалов", Москва, 1991, с.64.

4. Aleksandrov K.S., Sorokin В.Р., Turchin P.P., Glushkov D.A. Non-linear piez.oelectricity in La,GasSiOu piezoelectric single crystal // Ferroelectrics Letters., 1992, v.14, №5-6, p.l 15-126.

5. Александров К.С., Сорокин Б.П., Турчин П.П., Глушков Д.А. Исследование влияния постоянного электрического поля на распространение объемных акустических волн в

пьезоэлектрике La.,Ga,SiO,. II Тез докл XIII конф. по физике ссгнетоэлектриков, "Тверь. 1992. с 35

6 Александров К С , Сорокин Б,П., "Гурчин П П , Г'лушков Д А Влияние постоянного >лекгрического поля на распространение обьечных акустических волн в пьеюэлек-грике La.,Ga;SiOl4 // Известия АН СССР. Сер фнз., 1993, т.57, №3, с 3-7

7 Aieks'cindrov K.S., Sorokin В Р.. Tnrchm P.P., Glushkov D.A Nonlmear electw-mechanical properties of La3Ga5S¡0„ piezoelectric crystuls // Abstr's of Int. Symp. and IMiib. "Ferro-, piezoelectric tnaterials and their applications". Russia, Moscow,I994,P-5-3.

8. Сорокин Б.Г1.,Т>рчип П.П., Глмнков Д А Упру:ая нелинейность и особенное i и распространения объемных акустических волн в условиях действия однородных механических напряжений в монокристалле La,Ga,SiOM // ФТТ. 1994, г.36, в.10, с.2907-2916.

" Александров К С . "Гурчин П П., Сорокин Б П , Бурков С.И. Влияние внешних статических полей на анизотропию распространения объемных и поверхностных акустических полн » ш.счоэлекфике l.a,Ga<SiOn //Тез. докл. П Межд. конф. "Реальная структура и свойства ацентричных кристаллов", Александров, 1995. с.66.

Ю.Сорокин Б.П., Турчин П.П. Параметр упругой нелинейности в кристаллах с различными типами химических связей // Тез. докл. XIV Всерос. конф. по физике сегнето-электриков, Иваново, 1995, с.90.

11,Александров К.С., Турчин П.П., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Нелинейные электромеханические свойства и распространение акустических волн под действием внешних статических полей в пьезоэлектрике La3Ga5Si014 //Тез. докл. XIV Всерос. конф. по физике сегнетоэлектриков, Иваново, 1995, с. 169.

12. Aleksandrov K.S., Sorokin В.Р., Turchin P.P., Burkov S.I. Effect of static electric field and mechanical pressure on the propagation of surface acoustic waves in La3Ga5Si014 piezoelectric single crystals // Abst's of 1995 IEEE Int. Ultrasonics Symp., USA, Seattle, 'Washington, 1995, p.147.

13.Sorokin B.P., Turchin P.P., Glushkov D.A. Correlations dependences of nonlinear elasticity parameter - chemical bond types // Abst's of 1995 IEEE Int. Ultrasonics Symp., USA, Seattle, Washington, 1995, p. 194-195.

14.Aleksandrov K.S., Sorokin B.P., Turchin P.P., Burkov S.I., Glushkov D.A., Karpovich A.A. Effect of static electric field and mechanical pressure on surface acoustic waves propargation in La3Ga5Si014 piezoelectric single crystals // Proc. of 1995 IEEE Ultrasonics Symp., USA, Seattle, Washington, 1995, p.409-412.

15.Sorokin B.P., Turchin P.P., Glushkov D.A. Correlations of elastic nonlinearity parameter in crystals with different chemical bonds II Proc. of 1995 IEEE Ultrasonics Symp., USA, Seattle, Washington, 1995, p.611-614.

16.Sorokin B.P., Turchin P.P., Burkov S.I., Glushkov D.A., Aleksandrov K.S. Effect of static electric field, mechanical pressure and temperature on the propargation of surface acoustic waves in La3Ga5Si014 piezoelectric crystals // Abst's of 1996 IEEE Int. Frequency Control Symp., USA, Hawaii, Honolulu, 1996, p.88.

17.Сорокин Б.П., Турчин П.П., Глушков Д.А. Параметр упругой нелинейности в кристаллах с различными типами химических связей // Известия РАН. Сер. физ., 1996, т.60, в. 10, с. 106-110.

18.Александров К.С., Турчин П.П., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Нелинейные электромеханические Свойства и распространение акустических волн под действием внешних статических полей в пьезоэлектрике La3Ga5SiOl4 // Известия РАН. Сер. физ., 1996, т.60, в.10, с. 103-105.

19.Sorokin В.Р., Turchin P.P., Burkov S.I., Glushkov D.A., Aleksandrov K.S. Influence of static electric field, mechanical pressure and temperature on the propargation of acoustic waves in La3Ga5Si014 piezoelectric single crystals II Proc. of 1996 IEEE Int. Frequency Control Symp., USA, Hawaii, Honolulu, 1996, p.161-169.