Высокоэффективные монокристаллические материалы для акустооптики и акустоэлектроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



/ /

Российская академия наук Ордена Трудового Красного Знамени " Институт кристаллографии им А:В.Шубникова

дал. ученую степень

/

1. ^

/

У?УПат»Дйтдгг "о дт^

и

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ МОНОКРИСТАЛЛИЖСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСГООПТИКИ И АКУСГОЭЛЕКТРОНИКИ

01.04.07 - физика твердого тела

Дисс

учел1'

уклада на соискание физико-математических наук

Москва 1998

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, академик РАН

Александров К.С. доктор физико-математических наук , член-корр. РАН

Пустовойт В.И. доктор физико-математических наук, профессор

.шувалов Л .А.

Ведущая организация: Государственное предприятие ВНИИ Физикотехническях и радиотехнических измерении.

Защита состоится 14 октября 1998 в /(? час. ¿план ,

на заседании Диссертационного Совета Д 002.58.01 в Институте кристаллографии РАН им. А.В.Шубникова.

Адрес 117333, Москва Ленинский проспект 59

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института кристаллографии РАН им. A.B. Шубникова

■у;

диссертация в виде научного доклада разослана -/0 сентября 1998 г

93

Ученый секретарь Д иссертационного Совета к.ф.-м.н. л ^-Vr^" -т-—— В.М.Каневский

СТООПТИКИJ 03

B3ZS, as6cOtA

Общая характеристика работы

В разработке новых материалов можно выделить две части химическое материаловедение и физическое материаловедение. Под физическим материаловедением понимается во первых определение сочетания параметров материалов,оптимального для исследуемого эффекта (в нашем случае для акустооптического взаимодействия или для акустоэлекроники) и во вторых теоретическое или экспериментальное определение этих параметров. Конечной целью такой работы является поиск» наиболее эффективных материалов. Естественно, что такая работа связана с фундаментальными проблемами физики твердого тела. Для описываемой работы, касающейся поиска материалов для акустоэлектроники и ахустооптики, это прежде всего микроскопические теории упругих, пьезоэлектрических, и фотоупругих свойств, а также кристаллоакустика и кристаллооптика. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электроакустических и акустооптических свойств широкого круга материалов и выявлению закономерностей изменения указанных выше свойств в зависимости от состава.

Поиск и изучение эффективных материалов для акустоптики и акустоэлектроники ведется в ряде ведущих научных учреждений России, США, Японии, Франции и других стран. К сожалению, в рамках настоящей работы нет возможности сделать достаточно полноценный обзор, поэтому ниже будут упоминаться и описываться материалы, в исследовании которых принимал участие автор. При этом , хотя за рамками рассмотрения остаются многие важные и интересные как с практической, так и с научной точек зрения •мтериалы, описанные ниже материалы стоят в ряду наиболее

Активных и перспективных.

.¿уалыгость темы

s

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью S "дубления знания о фундаментальных закономерностях связей между е= Ь 1 "раллической структурой и свойствами кристаллов, потребностью

.■ Ьш. эффективных материалов для акустооптики и акустоэлектро-

ники , а также важностью выявления закономерностей, облегчающих поиск таких материалов.

Акустоэлектроника представляет один из самых быстро развивающихся разделов электроники, включающих устройства селекции по частоте (вгзначительной степени определяющих прогресс систем мобильной связи), электроакустические преобразователи для дефктоскопии и томографии, датчики различных величин (температуры, давления и пр.) и многие другие. Все это представляет крупное по объему и важное по номенклатуре производство.

Акустооптика в настоящее время является важным и эффективным разделом оптоэлектроники. Акустооптические модуляторы и дефлекторы являются наиболее энергетически выгодными

немеханическими устройствами управления параметрами лазерного излучения. Акустооптические спектральные фильтры с электронной перестройкой составляют основу большого числа эффективных приборов для экологии, медицины, устройств распознования изображений в видимой и инфракрасной областях спектра, для исследований из космоса и многих других применений.

Прогресс в обеих указанных областях в значительной степени связан с разработкой новых эффективных материалов. Интерес к новым материалам резко возрастает каждые 5-8 лет в связи с разработкой и запуском в серию новых поколений приборов.

Эффективность кристаллов" для акустоэлектроники и акустооптики определяется рядом общих параметров ,это прежде всего скорость и поглощение ультразвука, коэффициент электромеханической связи. Поэтому одни и те же материалы, такие как кварц и ниобат лития, успешно применяются как в акустооптике, так и в акустоэлсктронике.

Часть параметров специфична для акустооптики (фотоупругие константы, показатели преломления, поглощение света и др.) , а другая часть - для акустоэлектроники (диэлектрические постоянные, электропроводность в широком интервале частот и др.).

Несмотря на обнаружение и использование ряда эффективных материалов до настоящего времени ощущается серьезная потребность в материалах в частности с оптимальным сочетанием коэффициента электромеханической связи и термостабильности для акустоэлектро-

ники и эффективными акустооптическими материалами для ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра.

Эта потребность усугубилась в последнее время в связи с разработкой нового поколения приборов твердотельной электроники.

В то же время, известные критерии поиска материалов для акустооптики и акустоэлектроники недостаточны для

систематического эффективного поиска и сильно уступают,например, состоянию знания о нелинейно-оптических свойствах материалов.

Это связано с тем , что расчет нелинейно-оптических констант определяется расчетом нелинейности электронной поляризуемости, который хорошо развит и дает хорошие количественные результаты. В то же время расчет упругоптических и пьезоэлектрических констант не позволяет получать сколько-нибудь удовлетворительных данных ввиду определяющего вклада в эти эффекты кристаллической решетки, по которой для большинства кристаллов известны только геометрические параметры структуры.

В этих условиях получение новых экспериментальных данных и их систематизация могут стимулировать развитие теории. Цель и задачи исследования

Выявление новых закономерностей, облегчающих поиск эффективных материалов для акустооптики и акустоэлектроники, включающее:

изучение ряда особенностей акустооптических взаимодействий,связанных с анизотропией оптических, упругих и фотоупругих свойств;

- экспериментальное исследование комплекса электроакустических свойств ряда перспективных для акустоэлектроники классов кристаллов;

- экспериментальное изучение комплекса акустооптических свойств ряда перспективных для акустооптики классов кристаллов;

- систематизация экспериментальных данных и выявление наиболее важных закономерностей и факторов, определяющих перспективность кристаллов;

Основные защищаемые в работе положения

1. Выявленные закономерности поиска монокристаллических материалов для акустооптики:

высокие константы акустооптического взаимодействия при малых показателях преломления в кристаллах органических соединений и солей органических кислот;

различие знаков вкладов в фотоупругие константы от разных компонент, входящих в исследуемое соединение

2. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса акустооптических свойств кристаллов солей органических кислот.

Закономерности изменения упругих и фотоупругих свойств в гомологических рядах бифталатов и ортосульфобензоатов щелочных металлов

3. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса акустооптических свойств кристаллов бинарных соединений - прежде всего галогенидов одновалентной ртути. Закономерности изменения упругих, фотоупругих свойств в этих материалах.

Существенное снижение поглощения гиперзвука в соединении Н82ВП,2С10,8 из системы твердых растворах бромида-хлорида ртути за счет коррекции фононного спектра

4. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса электроакустических свойств кристаллов со структурой лангасита.

Обнаружение низкотемпературных диэлектрических аномалий в этих кристаллах, позволяющих указать на возможность отнесения данных кристаллов к квантовым параэлектрикам.

Обнаружение упругих аномалий в подгруппах галлатов данного класса кристаллов.

Обнаружение низких потерь гиперзвука в кристаллах лангасита и низких диэлектрических потерь в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого танталата.

5. Аналитические соотношения для многочастотных акустооптических взаимодействий в анизотропной среде и их экспериментальная проверка

Научная новизна

Измерены полные матрицы упругих

пьезоэлектрических, диэлектрических и фотоупругих констант кристаллов бифталатов щелочных металлов, ортосульфобензоатов

щелочных металлов, галогенидов одновалентной ртути,сульфида ртути, Ь-арпгаин фосфата, титанилфосфата калия и рубидия, твердых растворов сульфида цинка-сульфида кадмия

Изучены особенности распространения акустических волн в сильно анизотропных кристалллах галогенидов одновалентной ртути.

Обнаружены упругие и диэлектрические аномалии в кристаллах лантангаллиевого силиката, лантангаллиевого ниобата и лантангаллиевого танталата.

Уточнены критерии и направления поиска новых эффективных акустооптических материалов.

Установлены закономерности поведения упругих свойств в кристаллах солей органических кислот.

Предложен кристалл Ь-аргининфосфата в качестве нового эффективного акустоогггаческого материала для ультрафиолетовой области спектра.

Изучено влияние механического давления на упругие свойства кристаллов парателлурита, йодноватой кислоты, молибдатов гадолиния и тербия.

Обнаружены:

Высокие коэффициенты акустооптического взаимодействия в кристаллах солей органических кислот.

Высокие константы акустооптического взаимодействия в кристаллах галогенидов ртути.

Рекордно низкие скорости звука и другие акустические аномалии в кристаллах галогенидов одновалентной ртути.

Низкое поглощение ультразвука в смешанном кристалле бромида-хлорида ртути.

Сочетание более высокой чем в ниобате и танталате лития термостабильности упругих свойств и резонансных частот упругих колебаний с более высокими чем в кварце коэффициентами электромеханической связи в кристаллах со структурой лангасита.

Аномалии диэлектрических свойств лангасита, присущие квантовым параэлектрикам.

Низкие диэлектрические потери при высоких температурах в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого германата. Нулевые температурные срезы для диэлектрических проницаемостей в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и танталата.

Закономерности * поведения упругих, фотоупругих и пьезоэлектрических свойств в кристаллах твердых растворов сульфида цинка-магния и семейства бифталатов, а также упругих и фотоупругих свойств в кристаллах галогенидов одновалентной ртути.

Практическая значимость

Во многом на основе наших результатов исследований пьезоэлектрических и упругих свойств лантан-галлиевого силиката и лантан-галлиевого ниобата эти материалы признаны наиболее перспективными новыми материалами для систем селекции по частоте прежде всего для приборов мобильной связи. В настоящее время приборы на основе лангасита разрабатываются как в России, так и во Франции, Японии, Германии, США, Швейцарии, Австрии.

На основе предложенных нами для акустооптики галогенидов одновалентной ртути разработаны эффективные акустооптические устройства для инфракрасной области спектра.

Акустооптические устройства на основе бифталатов использовались для внутрилазерной модуляции.

Автором предложен ряд эффективных акустооптаческих и акустоэлектронных приборов, использующих сильные анизотропные эффекты в исследованных им кристаллах.

На базе обнаруженной нами сильной пьезоэлектрической чувствительности при высоких температурах в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого германата разработаны высокотемпературные датчики давления.

С участием автора разработаны первые образцы монолитных фильтров на объемных волнах и специальных фильтров на поверхностных акустических волнах в кристаллах лангасита.

На основе кристаллов бифталата рубидия при участии автора разработан высокочувствительный гидроакустический приемник, выдерживающий без изменения чувствительности высокие гидростатические давления.

' ■ "

Серьезную перспективу применений Ь-аргинин фосфата в акустооптических устройствах ультрафиолетовой области спектра открывают наши работы по этому материалу.

Полученные параметры материалов используются при подготовке различных физических-экспериментов и при рассчетах устройств

Апробация работы и публикации

Работа выполнялась в соответствии с планами научных работ ИК РАН; в качестве личной инициативы, а также в рамках международных проектов, поддержанных Международным научным фондом, проектами Миннауки.

Основные результаты изложены в 46 научных публикациях в российских и международных изданиях, авторских свидетельствах, в том числе шести международных патентах в США, Японии и Европе. Результаты и положения * работы докладывались на 11 международных конференциях (Турнов 1978, Прага 1988, Прага 1989, Москва 1990, Солт-Лейк Сити 1993, Монпелье 1994, Сан-Фрациско1995, Сендай1996, Гонулулу 1996, Орландо 1997, Монпелье 1997, Пасадина 1998) и 16 всесоюзных и всероссийских конференциях.

Автор глубоко благодарен И.М.Сильвестровой, в тесном, многолетнем сотрудничестве с которой была получена значительная часть изложенных здесь результатов, и посвящает данную работу доброй ее памяти. Автор также искренне признателен Б.В.Мшшю, впервые синтезировавшему лангаситы, за предоставление образцов и полезные дискуссии, Ч.Барте и Г.Ф.Добржанскому за синтез кристаллов галогенидов ртути и полезные дискуссии, Г.С.Беликовой за выращивание кристаллов бифталатов и ортосульфобензоатов, П.А.Сенющенкову за исследование температурных характеристик лангаситов, Н.А.Моисеевой за вычисление характеристик распространения упругих волн в исследуемых кристаллах, Е.Г.Бронниковой и И.М.Ларионову , В.Г.Чумаку, В.П.Семенкову и многим другим разработчикам акустоэлектронных и акустооптических приборов, дискуссии и сотрудничество с которыми помогали автору в углублении понимания требований к материалам, а также всем неназванным здесь коллегам, сотрудничавшим с автором в процессе выполнения данной работы.

Основное содержание работы

¡.Физические основы выбора материалов для акустооптики и акустоэлектроники .?

1-1. Акусгооптические материалы

Фотоупругий эффект основан на изменении показателя преломления прозрачной среды под действием механических воздействий.

Физика взаимодействия существенно зависит от частоты механического воздействия . Здесь можно выделить три области частот. Первая - низкие частоты, когда частоты воздействия ниже частот механического резонанса акустооптического элемента. Третья область , влючает частоты механических колебаний с длиной волной много меньшей диаметра светового луча. Вторая область частот представляет промежуточные частоты между первой и третьей областью. Для каждой из областей характерны свои применения.

К настоящему времени предложен ряд критериев, определяющих эффективность материалов для применений в различных классах акустооптических устройств . Все они прямо пропорциональны в различных степенях показателям преломления и фотоупругим константам и обратно пропорциональны в различных степенях плотности фотоупругой среды и скоростям звука . Высокочастотные широкополосные применения определяют также требование минимального затухания звука, которое в кристаллах при комнатных температурах пропорционально квадрату частоты звука.

До настоящего времени наиболее популярным остается подход Пиннау , который предложил эмпирические подходы к вычислению вышеуказанных параметров , исходя только из знания химической состава кристалла. Из всех определяющих эффективность акустооптического взаимодействия параметров наилучшая ситуация с вычислением средних значений показателей преломления. Показатели преломления сложного соединения можно вычислить

достаточно точно; исходя из удельного преломления отдельных компонент. Для подавляющего большинства соединений отличие реальных показателей преломления от средних составляет 10-20% ввиду того , ч�