Взаимодействие поверхностных акустических волн с электронными и рентгеновскими пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГб од

На правах рукописи

РОЩУПКИН Дмитрий Валентинович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ЭЛЕКТРОННЫМИ И РЕНТГЕНОВСКИМИ ПУЧКАМИ

Специальность 01.04.10 - «Физика полупроводников и диэлектриков»

Автореферат диссертации, представленной на соискание

ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Ш. Шехтман доктор физико-математических наук Ю.С. Кузьминов доктор физико-математических наук В.Г. Дюков

Ведущая организация: Институт кристаллографии РАН им. A.B. Шубникова

Защита диссертации состоится " 1996 г. в часов

на заседании специализированного совета Д.053.08.06 при Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Автореферат разослан ¿/U?/i%>_1996 г..

Справки по телефону: 236-65-00

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук, ---------

доцент

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей акустоэлектроники является разработка и создание новых методов исследования распространения' акустических волн в объемах и на поверхности кристаллов, которые позволяют получить реальное физическое изображение акустического поля и могут быть использованы для качественного и количественного анализа распространения акустических волн в кристаллах. В настоящее время основными методами исследования распространения акустических волн в пьезолектрических кристаллах являются электроизмерительный метод и метод оптической дифракции. Первый из методов позволяет провести сравнение между входными и выходными характеристиками акустоэлек-тронных устройств и практически не дает информации о распространении акустических волн на поверхности и в объеме кристалла, которые непосредственно влияют на процесс распространения акустических волн. Второй метод позволяет получить реальное изображение акустического волнового поля, однако недостатком данного метода является пространственное разрешение, которое не может быть лучше половины длины волны оптического излучения. В связи" с созданием новой элементной базы акустоэлектроники (создание элементов с размерами ~1 мкм) возникает необходимость в создании новых методов технологии и диагностики акусто-электронных устройств. В данном случае перспективными являются методы, использующие сфокусированные электронные и рентгеновские пучки, и позволяющие получить пространственное разрешение менее 1 мкм. Применение рентгеновских и электронно-микроскопических методов обладает рядом особенностей по сравнению с таковыми для обычных интегральных микроэлектронных приборов, обусловленных как свойствами пьезоэлектрических кристаллов, так и физической природой носителя информации - деформационной поверхностной акустической волной, сопровождаемой электрическим полем на поверхности пьезоэлектрических кристаллов. К особым свойствам кристаллов, используемым в акустоэлектро-нике, следет отнести диэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства Взаимодействие электронных и рентгеновских пучков с пьезоэлектрическими кристаллами приводит к целому ряду эффектов, таких, как накопление заряда, изменение коэффициента вторичной электронной эмиссии с поверхности кристалла, деформация поверхности кристалла. Так, например, ограничение пространственного разрешения в

электронно-лучевой литографии, которая является основным методом при создании высокочастотных устройств на поверхностных акустических волнах, обусловлено рассеянием электронов в подложке, вызванным накоплением больших отрицательных зарядов в приповерхностных областях кристаллов.

Электронно-микроскопические и рентгеновские методы диагностики позволяют с высоким пространственным разрешением визуализировать деформационное поле, создаваемое поверхностными и объемными акустическими волнами на поверхности кристаллов, исследовать процесс распространения бегущих и стоячих акустических волн, процесс взаимодействия акустических волн с различными дефектами как на поверхности, так и в объеме кристаллов. На ряду с этим при взаимодействии электронных и рентгеновских пучков с акустическими волнами возникает ряд интересных явлений, которые необходимо исследовать с целью понимания их физической природы. Важным направлением является также поиск новых принципов применения акустических волн для обработки, хранения и передачи информации. В последнем случае оказывается очень важным физический характер акустических волн, как носителя информации. Использование потенцальных возможностей преобразования акустических сигналов в другие виды носителей информации (оптической, рентгеновской, электронной и т.д.) открывает возможность акустоэлектронных, акустоопти-ческих и рештеноакустических преобразователей сигналов на новых физических принципах.

С другой стороны, возможность управления параметрами акустической волны (амплитудой колебаний, длиной волны) позволяет рассматривать последнюю как удобную модель, на которой могут быть изучены процессы рассеяния всех видов излучения (оптического и рентгеновского излучений, нейтронов) сверхрешетками любой природы.

Самостоятельное значение имеет акусгооптическое взаимодействие рентгеновского излучеия с акустическими волнами. Высокая чувствительность рентгеновских дифракционных методов к искажениям кристаллической решетки является основой для эффективного решения задач физической акустики (измерение амплитуды акустических волн, измерение длины волны, исследование структур колебательных мод пьезорезонато-ров и т.д.). Следует также отметить, что в последнее время выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований по дифракции рентгеновского излучения на объемных акустических волнах, в

то время как информация о дифракции рентгеновского излучения на поверхностных акустических волнах еще требует своего исследования и понимания физических аспектов данного взаимодействия. Важные приложения связаны с возможностью управления рентгеновским излучением с помощью ультразвуковых волн, так как для управления рентгеновским излучением невозможно использовать прямо электрические и магнитные поля.

Таким образом, сформулированные выше проблемы обуславливают актуальность темы диссертационной работы, посвященной исследованию методами растровой электронной микроскопии и рентгеновской дифракто-метрии динамических процессов взаимодействия электронных и рентгеновских пучков с поверхностью сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических кристаллов, промодулированных поверхностными акустическими волнами.

Целью настоящей работы было исследование физических закономерностей взаимодействия электронных и рентгеновских пучков с поверхностью сегнетозлектрических и пьезоэлектрических кристаллов, промоду-лированых поверхностными акустическими волнами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд следующих актуальных задач:

1. С целью создания элементов акустического тракта акустоэлек-тронных устройств на поверхностных акустических волнах с размерами элементов ~1 мкм, экспериментально и теоретически изучить процесс рассеяния электронов при прямом электронно-лучевом экспонировании субмикронных структур встречно-штыревых преобразователей на поверхности пьезоэлектрических и сегнетозлектрических кристаллов, влияющих га точность воспроизведения размеров и топологии элементов акустического тракта.

2. Исследовать физический механизм формирования метастабильно-го потенциального контраста изображения бегущих и стоячих поверхностных акустических волн в растровом электронном микроскопе.

3. Изучить процесс взаимодействия поверхностных акустических волн с регулярными доменными структурами в сегнетоэлектрическом кристалле ЫМ)С)з.

4. Экспериментально и теоретически исследовать процесс дифракции рентгеновского излучения на поверхности пьезоэлектрических кристаллов, промодулированных бегущими поверхностными акустическими

волнами, в условиях полного внешнего отражения.

5. Изучить процесс взаимодействия рентгеновского излучения со стоячей поверхностной акустической волной в условиях полного внешнего отражения.

6. Экспериментально и теоретически изучить процесс дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами, в условиях дифракции по-Брэгту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика коррекции рассеяния электронов на отрицательных поверхностных зарядах при прямом элеюронно-лучевом экспонировании элементов акустических трактов акусгоэлектронных устройств с субмикронными размерами на поверхности пьезоэлектрических и сегн сто электрических кристаллов.

2. Методика определения направления полярных и пьезоэлектрических осей (+ или -) в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллах.

3. Результаты экспериментального исследования и предложенный механизм формирования изображения бегущих и стоячих поверхностных акустических волн в растровом электронном микроскопе.

4. Результаты экспериментального исследования работы акусгоэлектронных устройств на базе сегнетоэлектрических кристаллов ЫИЬОз с регулярными доменными структурами, позволяющими возбуждать, фокусировать и отражать акустические волны, а также выступающими в качестве акустических волноводов в случае распространения акустических волн вдоль доменных структур.

5. Результаты экспериментального и теоретического исследования дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковых сверхрешетках в условиях полного внешнего отражения.

6. Результаты экспериментального и теоретического исследования дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами, в условиях дифракции по-Брэгту.

7. Результанты экспериментального исследования и физический механизм формирования метастабильной сверхрешетки в процессе акустооп-тического взаимодействия рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложена оригинальная методика компенсации рассеяния электронов отрицательными поверхностными зарядами при прямом электронно-лучевом экспонировании структур элементов акустического тракта приборов на поверхностных акустических волнах на поверхности пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллов, использующая создание положительного поверхностного заряда за счет пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов. Предложенная методика, также, позволяет однозначно идентифицировать направления полярных осей с (+ или -) в сегнетоэлектрических кристаллах, пьезоэлектрически активных осей (+ или -) в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллах, так как определенное физическое воздействие приводит к возникновению поверхностного заряда определенного знака в соответствии с направлением юз-действия, который легко определить по потенциальному контрасту изображения образцов в режиме вторичной электронной эмиссии в растровом электронном микроскопе. Данная методика является неразрушающим методом контроля налитая в сегнетоэлектрических кристаллах доменых структур.

2. Проведено исследование формирования метасгабильного потенциального контраста изображения поверхностных акустических волн в растровом электронном микроскопе. Установлен зарядовый механизм формирования контраста изображения бегущих и стоячих поверхностных акустических волн. Предложена оригинальная методика измерения скорости звука на свободной поверхности пьезоэлектрических кристаллов в растровом электронном микроскопе, основанная на изменении потенциального контраста изображения акустических волн при изменении резонансной частоты возбуждения.

3. Впервые продемонстрирована возможность использования регулярных доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах Ы№Оз в акусто электронных устройствах: возможность возбуждения поверхностных и объемных акустических волн посредством пьезоэлектрического эффекта в регулярных доменных структурах, возможность фокусировки поверхностных акустических волн изогнутыми регулярными доменными структурами, возможность использования доменных структур в качестве акустических волноводов, возможность отражения акустических волн от доменных стенок.

4. Впервые проведены экспериментальные исследования по пространственно-временной модуляции дифрагированного на ультразвуковой сверхрешетке рентгеновского излучения в условиях полного внешнего отражения.

5. Впервые исследовано акустооптическое взаимодействие рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами на поверхности сегнетоэлектрического кристалла УМЮз. Установлен физический характер метастабнльной сверхрешетки, сформированной в приповерхностном слое в процессе вышеуказанного взаимодействия.

6. Впервые проведены экспериментальные исследования дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами.

Научное и практическое значение работы определяется тем, что:

Результаты исследования возможности компенсации отрицательного поверхностного заряда могут быть применены при изготовлении элементов акустического тракта акустоэлектронных устройств методом прямой электронно-лучевой литографии. Также, данные исследования могут быть использованы для определения направления полярных и пьезоэлектрических осей (+ или -), что является важным моментом в создании акустоэлектронных устройств, и в качестве метода визуализации и анализа доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах.

Разработанная методика визуализации акустических волн в растровом электронном микроскопе может быть применена непосредственно для визуализации акустических волновых полей на поверхности пьезоэлектрических кристаллов, для анализа работы акустоэлектронных устройств, для измерения скорости звука на свободной поверхности в любом месте звукопровода. Зарядовый механизм формирования потенциального контраста изображения акустических волн может быть использован для создания элементов "памяти" на основе записи акустических сигналов на поверхности пьезоэлектрических кристаллов.

Результаты исследования взаимодействия поверхностных акустических волн с регулярными доменными структурами в сегнетозлектрическом кристалле 1ЛМ>Оз позволяют создать новый класс акустоэлектронных устройств на базе регулярных доменных структур, которые позволяют возбуждать акустические волны, фокусировать акустические пучки, отражать акустические волны на доменных стенках, и которые могут также высту-

пать в качестве акустических волноводов.

Результаты исследования акустооптического взаимодействия рентгеновского излучения с поверхностными акустическими волнами создают предпосылки для развития рентгеновской акустоэлектроники. В частности:

- На основе проведенных дифракционных исследований предложены методы измерения амплитуды поверхностных акустических волн (абсолютное определение амплитуды по интенсивностям дифракционных порядков).

- Исследованные дифракционные закономерности мо1уг быть использованы для эффективного управления рентгеновскими пучками с помощью поверхностных акустических волн (пространственная и временная модуляции дифрагированных рентгеновских пучков).

- Обнаруженный эффект формирования метастабильной сверхрешетки в приповерхностных слоях сегнетоэлектрических кристаллов в процессе взаимодействия рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами позволяет формировать элементы "памяти" с длительным временем хранения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1. Международных конференциях "Электронно-лучевые технологии", Варна, Болгария, 1985 и 1988 гг.

2. 1-ой Всесоюзной конференции "Физические методы исследования поверхности и диагностики материалов и элементов вычислительной техники", Кишинев, 1986 г.

3. Международной конференции "Акустоэлектроника", Варна, Болгария, 1987 г.

4. Международных конференциях по использованию синхротроиного излучения "СИ-88", Новосибирск, 1988 г., и "СИ-90", Москва, 1990 г.

5. 1У-ом Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом, Юрмала, 1988 г.

6. Всесоюзной конференции "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и статическими искажениями", Мегри, 1988 г.

7. 14-ом Международном Акустическом Конгрессе, Пекин, Китай, 1992 г.

8. Коллоквиуме фирмы Сименс по рентгеновскому излучению, Париж, Франция, 1992 г.

9. 4-ой Международной конференции по рентгеновской микроскопии,

Черноголовка, Россия, 1993 г.

10. 3-ем Французском Акустическом Конгрессе, Тулуза, Франция, 1994 г.

11. 13-ом Международном Конгрессе по электронной микроскопии, Париж, Франция, 1994 г.

12. Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах, и Национальной конференции по акусго-эдектронике, Москва - Санкт-Петербург, Россия, 1994 г.

13. 16-ой Всероссийской конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, Сыктывкар, 1994 г.

Рубпикя1тии По результатам исследований опубликовано 37 научных работ, которые использованы при написании диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы из 220 названий. Объем диссертации составляет 336 -страниц, в том числе 127 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, включая актуальность темы, цель, научную новизну, практическую значимость работы, а также приведены основные положения, выносимые на защипу.

В первой главе проведен обзор работ в области взаимодействия акустических волн с электронными и рентгеновскими пучками и, также, с нейтронами. Данные типы взаимодействия были использованы как для исследования акустических волн с одной стороны, так и для изучения процессов дифракции различных типов излучения с другой стороны. Также, данные типы взаимодействия обладают более высоким пространственным разрешением и более высокой чувствительностью к динамическим искажениям кристаллической решетки по сравнению с используемыми в настоящее время оптическими методами исследования акустических полей в кристаллах, которые оказались непригодными для исследований высокочастотных устройств на поверхностных акустических волнах (/-100-1000 МГц). Для исследования работы акусгоэлектронных устройств возможно использование электроизмерительных методов, которые позволяют проводить сравнитальный анализ входных и выходных электрических сигналов в акусгоэлектронных устройствах, но в тоже время не позволяют получить информацию непосредственно об деформационной акустической волне, которая распространяется в кристалле.

В начале 80-х годов был сделан существенный шаг в создании новых

методов исследования акустических волн, основанных на взаимодействии последних с электронными пучками (стробоскопическая растровая электронная микроскопия) и рентгеновским излучением (рентгеновская ди-фрактометрия и стробоскопическая рентгеновская топография).

Метод стробоскопической растровой электронной микроскопии, основанный на принудительной модуляции электронного пучка с частотой ультразвуковой волны, позволяет визуализировать бегущие и стоячие, объемные и поверхностные акустические волны в пьезоэлектрических кристаллах. Формирование изображения акустических волн в данном случае определяется влиянием электрического поля, сопровождающего распространение акустических волн в пьезоэлектрических кристаллах, на коэффициент вторичной электронной эмиссии с поверхности кристаллов. Позволяя визуализироварть акустические поля в широком частотном диапазоне (100 кГц - ГГц), данный метод связан с большими финансовыми затратами, так как стоимость системы принудительного стробирования электронного пучка аналогична стоимости растрового электронного микроскопа.

Взаимодействие рентгеновского излучения с кристаллами, промоду-лированными акустическими волнами, сходно с процессом взаимодействия оптического излучения с ультразвуковыми сверхрешетками, но в то же время обладает более выской чувствительностью к динамическим искажениям в кристаллах и обладает более высоким пространственным разрешением. Методом рентгеновской дифрактометрии был выполнен ряд работ по изучению динамической дифракции рентгеновского излучения на объемных акустических волнах в случае Лауэ-геометрии. Однако, в случае рентгеновской дифрактометрии остается открытым вопрос по исследованию процесса дифракции на ультразвуковых решетках в случае полного внешнего отражения и в случае дифракции по-Брэггу. Использование синхротронного рентгеновского излучения с определенной временной структурой позволяет получать рентгеновские -голограммы с изображением акустических волн, однако ограничением данного метода является возможность исследовать акустические волны только с конкретной частотой возбуждения, соответствующей частоте повторения импульсов синхротронного рентгеновского излучения.

На основании проведенного анализа литературных данных обоснованы и сформулированы основные задачи исследований, выполненные в диссертационной работе.

Во второй главе диссертации рассмотрены особенности процесса создания структур встречно-штыревых преобразователей высокочастотных акустоэлектронных устройств методом прямой электронно-лучевой литографии. Наряду с "эффектами близости", хорошо известной проблемой в электронно-лучевой литографии, в процессе изготовления приборов на поверхностных акустических волнах необходимо принимать во внимание процесс зарядки поверхности пьезоэлектрических кристаллов под воздействием электронного пучка, так как в этом случае на поверхности кристаллов, которые являются диэлектриками, накапливаются поглощенные электроны. Накопление электронов в приповерхностных областях кристаллов приводит к созданию отрицательно заряженных областей, влияющих нерегулярным образом как на первичный электронный пучок, так и на эмиссию вторичных электронов с поверхности в процессе электроннолучевого экспонирования структур встречно-штыревых преобразователей. С позиции данных эффектов, структура встречно-штыревых преобразователей является сложной, так как она содержит большое количество штырей с субмикронными размерами элементов. Для устранения данных негативных эффектов с целью получения прецизионных структур встречно-штыревых преобразователей были предложены и реализованы два альтернативных метода.

Первый метод основан на экспериментальном измерении функции рассеяния электронов на поверхности У/^-среза кристалла Ы1ЧЬОз, наиболее часто используемого для создания устройств на ПАВ. Исходя из данной функции решена одномерная задача коррекции "эффекта близости" для структур ВШП. На основании полученных данных осуществлены разбиение и подготовка реальной топологии ВШП для электронно-лучевого экспонирования.

Второй предложенный метод^основан на использовании известных электрофизических свойств материала, возможности управления величиной и знаком поверхностных зарядов в сегнетоэлектрических кристаллах, а следовательно, величиной вторичной электронной эмиссии из приповерхностных областей кристалла. Наиболее интересным в данном случае является диапазон энергии вторичных электронов до 1 кэВ, так как они вносят основной вклад в экспозицию электроночувстаительных полимерных резистов. В качестве объектов исследования были использованы 2г срез, 127°У-срез и У2-срез кристалла 1лКЬОз- Исследование влияния поверхностных зарядов на эмиссию вторичных электронов проводили в рас-

тровом электронном микроскопе. Для создания поверхностных зарядов образцы нагревали (или охлаждали). За счет пироэлектрического эффекта на поверхности г-среза и 127°У-среза кристалла Ы№Оз формируется заряд плотностью ДР. = у. • ДТ, где у. - пироэлектрический коэффициент. От

изменения температуры ДГ и направления полярной оси Ъ в кристалле зависит потенциальный контраст изображения в РЭМ. Это позволяет определять направление полярной оси Z и визуализировать регулярные доменные структуры, в которых полярные оси имеют противоположные направления, так как положительный поверхностный заряд приводит к уменьшению коэффициенту вторичной электронной эмиссии, а отрицательный заряд приводит к увеличению, соответственно. Отрицательный поверхностный заряд влияет также и на отклонение первичного электронного эонда (вплоть до полного зеркального отражения).' Положительный поверхностный заряд позволяет полностью скомпенсировать "эффект близости". Представлены экспериметальные результаты по формированию на поверхности кристалла ПЛЮэ периодической структуры при различных плотностях и знаках поверхностных зарядов. Положительный поверхностный заряд позволил сформировать прецизионные структуры ВШП. В ходе экспериментов было обнаружено, что электронный зонд приводит к элекгронорефракции (по аналогии с фоторефракцией - локальное изменение диэлектрической проницаемости под воздействием электронного пучка) в кристаллах ЦМЮз.

Также были проведены исследования по влиянию прямого пьезоэлектрического эффекта на процесс электронно-лучевой литографии, который также позволяет формировать поверхностные заряды любого знака и величины. В данном случае температурное воздействие приводит к возникновению механических напряжений в кристалле * , что выражается в возникновении поверхностного заряда ДР. - <1..к - , где <1..к - тензор

пьезоэлектрических модулей. Создание поверхностных зарядов позволяет определять направления пьезоэлектрических осей и создавать прецизионные структуры ВШП с субмикронными размерами элементов.

Третья глава диссертации посвящена исследованию процесса распространения акустических волн методом растровой электронной микроскопии в режиме автостробоскопии. Предложен физический механизм формирования изображения акустических волн в РЭМ. Также, данный РЭМ-метод бьи использован для качественного и количественного иссле-

давания акустических полей.

В ходе экспериментов по визуализации акустических волн в РЭМ было установлено, что после выключения входного сигнала на ВШП, на поверхности пьезоэлектрических кристаллов остается изображение акустического поля. Установлено, что электростатический режим записи акустической волны на поверхности кристалла осуществляется за счет детектирования высокочастотного сигнала при взаимодействии электрического поля, сопровождающего распространение ПАВ на поверхности пьезоэлектрических кристаллов, и нормальной к поверхности компоненты электромагнитного излучения ВШП. Имея одну и ту же частоту, эти два волновых процесса обладают разными длинами волн (длина волны ПАВ « длины волны электромагнитного излучения). Причем электромагнитное излучение и акустическая волна когерентны между собой, так как излучаются одним и тем же источником, ВШП. В пространстве над поверхностью пьезоэлектрического кристалла происходит интерференционное взаимодействие поля электромагнитной волны ^ = Л) - е"аг+,кь и электрического поля ПАВ Л, -А1-еш*,К1', где л и А^ - комплексные амплитуды йо-лей, к - 2лД - волновой вектор ПАВ, К- 2л/Л - волновой вектор электромагнитного поля, I. - расстояние от ВШП. Над поверхностью пьезоэлектрического кристалла формируется интерференционное поле

интерференционный член которого равен 2 ^/Цх хс<»|(2яД)(п*Разность фаз электромагнитной волны и ПАВ определяется как <р - (2л!/Л)(л* -1), где л* - эффективный коэффициент преломления электрической волны, распространяющейся вдоль поверхности кристалла. Если принять во внимание, что скорость электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, а скорость акустической волны в кристалле ЦМЮз составляет ~35 км/с, получаем величину эффективного коэффициента преломления электрической волны л «8.56- 105, то есть

л* »1. Так как л* »1, то длина волны интерференционного поля совпадает с длиной волны ультразвуковой сверхрешетки. Однако, интерференционная картина может наблюдаться только в веществе. В данном случае регистрирующей средой явлается облако вторичных электронов, также происходит интерференционная поляризация поверхности кристалла с периодом, близким к периоду акустической волны. Изображение ПАВ мо-

жет храниться на поверхности пьезоэлектрических кристаллов в течении нескольких часов. Проведены оценки времени хранения изображения ПАВ в ЮМ исходя из того, »по один период изображения ПАВ можно рассматривать как параллельную КС-цепочку. Тогда время /, за которое потенциал электростатического изображения ПАВ уменьшается со значения 1/(0) до величины С/(г), можно определить из следующего выражения

1/(0)

'--¿^- 1пИ(ГУ

где - диэлектрическая проницаемость вдоль направления распространения ПАВ, е± - диэлектрическая проницаемость, нормальная к поверхности кристалла, еу - диэлектрическая проницаемость вакуума; к(<?л), V1 ' ПСШНЬ1е эллиптические интеграллы в форме Якоби, -= 5ш(я5я/2£л), где - ширина металлического электрода ВШП, ¿я - половина длины волны ПАВ; а - удельная электропроводность кристалла-Оценки показали, что время хранения электростатического изображения ПАВ на поверхности У2-среза кристалла ЬЛЫЬОз составляет -12 часов.

Автосгробический метод РЭМ был использован для количественного и качественного анализа акустических волновых полей на поверхности пьезоэлектрических кристаллов.

Визуализация акустического поля ПАВ позволяет измерять скорость звука на свободной поверхности звукопровода с очень высокой точностью. Изменение резонансной частоты возбуждения ПАВ та А/ сдвигает фазовый контраст изображения ПАВ на Д<р. Тогда, можно, воспользоваться следующим выражением для определения скорости ПАВ V--(2я£Д/)/Д<р, где £ - расстояние от ВШП до точки, в которой при изменении резонансной частоты возбуждения ПАВ на Л/ происходит сдвиг фазового контраста изображения ПАВ на А<р. Данный метод был использован для измерения скорости ПАВ на поверхности УХ-среза кристалла ШЯЬОз вдоль оси X, которая составила V-3.76898 ± 0.00006 км/с.

Методом ЮМ были исследованы различные талы акустоэлектрон-ных устройств: низкочастотные колебания кварцевых резонаторов, акустические поля в линиях задержки, телевизионные ПАВ-фильтры, устройства с многополосковым ответвителем акустического сигнала. Также, были исследованы процессы взаимодействия ПАВ с различными поверх-

ностными дефектами в акустических трактах. Метод РЭМ позволил визуализировать интерференционное взаимодействие двух акустических полей, что является наглядным модельным экспериментом для взаимодействия различных типов излучения.

В четвертой главе представлены результаты исследования методом растровой электронной микроскопии акусто-доменного взаимодействия в сегнегоэлектрическом кристалле ШЛЮз. В настоящее время регулярные доменные структуры в сегнетоэлектрических кристаллах используются для целей генерации второй гармоники лазерного излучения, однако возможно использование данных доменных структур с целью управления акустическими пучками. Регулярные доменные структуры с размерами доменов до десятых далей микрометра могут быть сформированы различными методами, такими, как ростовые методы (за счет флуктуации концентрации состава вдоль направления роста кристалла или за счет промоделированного тока в процессе роста кристаллов) и послеростовые методы (метод послеросговой термоэлектрической обработки, метод прогонного обмена, диффузный метод, метод прямой электронно-лучевой литографии, метод внешнего поля). Для исследования процесса акусто-доменного взаимодействия регулярные доменные структуры (РДС) с различными размерами доменов были сформированы в сегнегоэлектрическом кристалле иЫЬОз методом послеросговой термоэлектрической обработки вблизи температуры Кюри в условиях градиентов температуры и электрического поля. Соседние домены в РДС характеризуются противоположными направлениями полярных и пьезоэлектрически активных осей.

Одним из интересных применений РДС является использование последних для возбуждения ПАВ за счет продольного и поперечного пьезоэлектрического эффекта в РДС. гХ-срез кристалла И№>Оз с РДС, которая была сформирована с шириной доменов 75 мкм только в одной части кристалла, был использован для возбуждения ПАВ. Для возбуждения ПАВ два А1-электрода были напылены с двух сторон на РДС (УХ-плос-кость). Исходя из анализа тензора пьезоэлектрических коэффициентов кристалла ЫМзОз

<1.... у

О 0 0 0 ¿15

¿22 0 ¿15 0 0 <<31 4.1 0 0 0

возможно увидеть, что электрическое поле £3, прикладываемое вдоль по-

лярной оси Ъ, возбуждает механические деформации в эггом направлении за счет продольного пьезоэлектрического эффекта в виде г3 - ¿33 • В^ и механические деформации в направлении пьезоэлектрической оси У за счет поперечного пьезоэлектрического эффекта в виде г2-Электрическое поле £3 возбуждает ПАВ посредством сжатия одного домена и растяжения соседнего домена вдоль полярной оси Ъ и пьезоэлектрической оси У. Длина волны ПАВ в этом случае соответствует ширине двух доменов.

Также РДС была использована для возбуждения и фокусровки ПАВ. Изогнутая РДС с шириной доменов 70 мкм и радиусом кривизны 16 мм была сформирована только в одной части У&среза кристалла ОЫЬОз. Для возбуждения ПАВ два электрода были сформированы на РДС (Хй-плоскосгь). Электрическое поле £,, приложенное вдоль пьезоэлектрической оси У, посредством продольного пьезоэлектрического эффекта в РДС г.,•£, возбуждает ПАВ, которая распространяется вдоль оси 21 Радиус кривизны волнового фронта ПАВ соответствует радиусу кривизны РДС. Изогнутый волновой фронт ПАВ приводят к фокусировке ПАВ в фокальной точке, которая расположена на расстоянии 16 мм от РДС. ПАВ имеет максимальную амплитуду в фокальной точке, а после прохождения фокальной точки ПАВ начинает расходиться, и волновой фронт ПАВ имеет инвертированную кривизну.

Большой интерес представляет взаимодействие РДС и ПАВ при прохождении последних вдоль и поперек доменных структур. В данном случае происходит инверсия потенциального контраста изображения ПАВ на доменных стенках на я, что связано с противоположными направлениями полярых и пьезоэлектрических осей в соседних доменах В случае распространения ПАВ вдоль РДС было продемонстрировано, что РДС осуществляет коллимацию акустического пучка и, таким образом, выступает в качестве акустического волновода. Также, была продемонстрирована возможность создания фазовращающих элементов на базе РДС, так как скорости ПАВ в соседних доменах отличаются, что позволяет за счет изменения частоты возбуждения ПАВ сдвигать фазу между ПАВ, распространяющимися в соседних доменах. В случае распространения ПАВ через РДС было установлено, что при определенных углах падения на доменные стенки (отличных от нормального) ПАВ частично отражается от последних, что позволяет говорить о возможности использования РДС в

качестве отражающих структур. А в случае нормального падения ПАВ на РДС последняя может выступать в качестве многополоскового ответви-теля.

Также в данной главе было проведено исследование взаимодействия ПАВ с двойниковыми структурами в сегнетоэлектрическом кристалле ЫЫЬОз. В этом случае, на границах двойника происходит сдвиг фазового контраста потенциального изображения ПАВ на 65°30', что соответствует углу между направлениями полярных осей Ъ. В связи с тем, что в двойни' ках имеет место значительное изменение кристаллографической ориентации, происходит существенное изменение направления распространения потока энергии ПАВ.

В пятой главе экспериментально и теоретически изучен процесс дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отражения с целью создания элементов управления дифрагированным рентгеновским излучением. Полное внешнее отражение интересно по двум причинам: первое - высокая отражающая способность (92-%%); второе - эффективность рассеяния поверхностными акустическими волнами, амплитуда которых соизмерима с глубиной проникновения рентгеновских лучей, которая составлает ~100 А.

Исследования по дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отражения бьши проведены в схеме двухкрисгального рентгеновского дифрактометра. Рентгеновская трубка с вращающимся медным анодом (А -1.54 А) была использована в качестве источника рентгеновского излучения. Плоская рентгеновская волна после изогнутого графитового монохроматора коллимиро-валась с помощью двух щелей с размером 10 мкм. Исследуемый объект представлял собой У/^-срез кристалла УЫЮз, на поверхности которого был сформирован ВШП для возбуждения ПАВ с длиной волны Л-32 мкм. Угол падения рентгеновского излучения на поверхность кристалла составлял а0 -0.22°, что существенно меньше значения критического угла для кристалла ЫМЬОз, ас - (130°. Падающая плоская рентгеновская волна дифрагирует на ультразвуковой сверхрешетке так, что отраженное рентгеновское излучение отлично от нуля только для ряда дискретных направлений, определяемых выражением

ксоза »ксоьа- + тК, 0)

т 0

где к - 2л/А, К-2л/А, т - номер порядка дифракции. На рис. 1 представлены экспериментальные (а) и теоретические (б) зависимости дифрагиро-

т=-1 0=0.283*'

(а)

0.10

(б)

0.20 0.30 Альфа, °

0.40

Рис. 1. Экспериментальные (а) и расчетные (б) зависимости дифрагированной рентгеновской интенсивности в виде функции угла сканирования детектора Да, полученные при угле падения а0 -0.22° и различных амплитудах ПАВ: (а) {/-2-17 В, (б) Л - 2-17 А.

ванного излучения в виде функции угла сканирования детектора Да, полученные при угле падения рентгеновского излучения а0 -0.22°, при

длине волны ПАВ Л -32 мкм и при различных значениях амплитуды входного сигнала на ВШП, и-2-17 В. Дифракционные сателлиты расположены вокруг интенсивного отраженного луча. Большое различие между интенсивностями (/ ^ > / ) и угловыми рас-ходимостями (а ¡<«5) дифракционных порядков связано с маленьким углом падения рентгеновского излучения. Максимальное значение интенсивности т - -1 дифракционного порядка составило 105% от интенсивности падающего излучения при амплитуде входного сигнала на ВШП 17-17 а В ходе проведения экспериментов было продемонстрировано, что с ростом ам-

плитуды входного сигнала на ВШП возрастает шггесивносгь дифракционных порядков. Интенсивность дифракционных порядков также зависит от угла падения рентгеновского излучения и при изменении угла падения мо-

жег перекачиваться из одного дифракционного порядка в другой.

На основе скалярной теории дифракции Кирхгофа представлена теоретическая модель дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отражения. В предположении постоянства коэффициента отражения R, амплитуда дифрагированной рентгеновской волны в точке наблюдения Р может быть определена из следующего выражения

¿кг 00

и(Р) - const—j=-2kR 2 а + sin/3))-ó(fc(cosa - cos/J) -mkfún a + sin/3),

где т - радиус-вектор, Jm - функция Бесселя m -го порядка дифракции, 6

- дельта функция, а - угол падения рентгеновского излучения, р - угол отражения рентгеновского излучения от поверхности кристалла, промоду-лированной ПАВ. Распределение интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения может быть определено из соотношения J(P) -

- |u(p)f. Как видно из рис. 1 экспериментально измеренные (а) и расчетные значения (б) дифрагированных рентгеновских интенсивностей находятся в хорошем соответствии между собой. Данная модель дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отраженна позволяет решать обратную задачу, то есть позволяет определять амплитуду акустических колебаний. Таким образом, дифракция рентгеновского излучения на поверхности кристаллов, промоделированных ультразвуковыми сверхрешетками, может быть использована для исследования процесса распространения ПАВ.

С другой стороны возможно использование ПАВ для управления рентгеновским излучением (пространственно-временная модуляция) за счет уникальных свойств последних. Использование широкополосных ВШП позволяет за счет возможности изменения длины волны ПАВ изменять угловую расходимость между дифракционными порядками рентгеновского излучения и за счет этого осуществлять пространственное сканирование рентгеновским излучением в дифракционном порядке. Так при использовании в эксперименте ВШП с полосой пропускания Д///0-2&8% (/-99.0-132.5 МГц) и угле падения рентгеновского излучения aQ -0.22°

было осуществлено перемещение т-~ 1 дифракционного порядка на угол да - 0.0168°, что соответствует пространственному перемещению данного порядка дифракции на расстояние 114 мкм при расстоянии от кристалла до плоскости наблюдения - 18 см. Импульсная модуляция ПАВ позволяет

1,имп.Э00

SO 200 150 100 50 О

.1 I I I I I I | I I I i I i I | I I I I I I i | I I I I I I i.

f|

1

L_i ri ..>,

¿ак

iW

11

1.6

3.2

4.8 6.4 Время, икс

Рис. 2. Временная модуляция дифрагированного рентгеновского излучения в от--1 дифракционном порядке: Г-1 мкс (т-0.5Г).

осуществлять импульсную модуляцию рентгеновского излучения в дифракционных порядках. В этом случае рентгеновское излучение дифрагирует в дифракционные порядки только в течении времени, в период которого импульс ПАВ распространяется по поверхности кристалла, облученной падающим рентгеновским излучением. На рис. 2 представлен пример временной модуляции дифрагированного рентгеновского излучения с периодом Т = 1 мкс. Период и длительность импульсов рентгеновского излучения соответствуют периоду и длительности импульсов ПАВ. Использование специальных импульсов ПАВ позволило осуществить аплитудно-временную модуляцию рентгеновского излучения, а также получать импульсы рентгеновского излучения в виде специальных функций (синус, пила и т.д.). Минимальная длительность импульсов рентгеновского излучения определяется скоростью распространения ПАВ и размером освещенного рентгеновским излучением участка поверхности кристалла. Минимальная длительность импульсов рентгеновского излучения при размере коллимирующих щелей 10 мкм составила г-0.4 мкс.

Также, в данной главе представлены результаты по просгранствен-но-временной модуляции сфокусированного излучения при использовании синхротронного рентгеновского излучения на накопительном кольце DCI (LURE, Франция). В данном случае, схема эксперимента состояла из фокусирующей Брэгг-Френелевской многослойной линзы, которая осуществляла фокусировку падающего рентгеновского излучения, и ультразвукой сверхрешетки, на которой осуществлялся процесс дифракции сфокусированного рентгеновского излучения. Сфокусированные дифракционные порядки наблюдались в фокальной плоскости. Здесь также была продемонстрирована возможность пространственного сканирования и временной модуляции сфокусированным рентгеновским излучением.

В процессе взаимодействия падающего рентгеновского излучения со стоячей ПАВ на поверхности Уг-среза кристалла 1л№>Оз было установлено, что в приповерхностной области кристалла формируется метаста-бильная сверхрешетка с периодом стоячей ПАВ. Механизм образования данной сверхрешетки связан с образованием свободных носителей заряда под воздействием падающего рентгеновского излучения и перераспределением последних под воздействием пьезоэлектрического поля стоячей ПАВ в условиях асимметрии электрической проводимости кристалла вдоль полярной оси Ъ.

В шестой главе представлены экспериментальные и теоретические исследования процесса дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных ПАВ, в условиях дифракции по-Брэпу. Рентгеновские зеркала, состоящие из бислоев, являются искусственными аналогами кристаллической решетки для мягкого рентгеновского излучения. Данные исследования были проведены в схеме двухкристального рентгеновского дифрактоме-тра.

В качестве исследуемого обьекга было использовано многослойное интерференционное рентгеновское зеркало, сформированное на атомарно гладкой поверхности У2-среза кристалла ШЧЬОз. Рентгеновское зеркало состояло из 60 бислоев У//С с толщиной 53 А, что соответствует углу Брэгга в£ -0.832° для рентгеновского изучения СиКа. На свободной часта поверхности "У2-среза кристалла Ц№Оз был сформирован ВШП с периодом электродов 8 мкм. Резонансная частота возбуждения ПАВ составляла / - 218 МГц, а длина волны ПАВ составляла Л -16 мкм, соответственно.

ПАВ осуществляла синусоидальную модуляцию многослойного интерференционного рентгеновского зеркала. В качестве источника рентгеновского излучения была использована рентгеновская трубка с вращающимся медным анодом (излучение СиКд, Я -1.54). После графитового крисгалла-

монохроматора плоская рентгеновская волна коллимировалась с помощью двухщелевого коллиматора с размером обеих щелей 10 мкм. Входная щель на сцинтилляционном детекторе, используемом для регистрации дифрагированного излучения, также составляла 10 мкм. Плоская рентгеновская волна, падающая под углом Брэгга &в -0.832°, дифрагирует на

многослойном рентгеновском зеркале, промодулированном ультразвуковой сверхрешеткой, так, что угловые положения дифракционных сателли-

тов определяются из выражения (1).

В ходе проведения экспериментов были исследованы кривые качания многослойного зеркала, промодулированного ПАВ, получение при Брэгтовском положении детектора и при угловом сканировании образца вблизи угла Брэгга. Продемонстрировано, что с ростом амплитуды входного сигнала на ВШП возрастает интенсивность дифракционных сателлитов кривой качания, которые при больших амплитудах ПАВ могут превышать интенсивность нулевого порядка дифракции. Также, был исследован процесс дифракции при угле падения излучения 6ß -0.832° и при угловом сканировании детектором. Здесь также было продемострировано, что интенсивность дифракционных порядков растет с ростом амплитуды ПАВ. Максимальное значение амплитуды первых порядков дифракции составило -8% от интенсивности нулевого порядка дифракции в отсутствии модуляции. В отличие от дифракции рентгеновского излучения в случае полного внешнего отражения, где осуществляется амплитудная модуляция дифрагированного излучения, в случае дифракции по-Брэггу осуществляется амплитудно-фазовая модуляция дифрагированного рентгеновского излучения. Данный процесс амплитудно-фазовой модуляции был исследован в случае отклонение угла падения рентгеновского излучения от угла Брэгта. На рис. 3 представлены экспериментальные (а) и расчетные (б) зависимости интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения в виде функции угла сканирования детектора Дв, полученные при резонансной частоте возбуждения ПАВ / - 218 МГц, амплитуде входного сигнала на

ВШП i/-17 В (л-14 А) и различных значениях угла падения рентгеновского излучения в-0.792 - 0.872". Дифрагированная интенсивность нормализована к интенсивности нулевого порядка дифракции в отсутствии модуляции ПАВ. Как видно из рис. 3 максимальная интенсивность т- -2 порядка дифракции составляет 20% при угле падения рентгеновского излучения 0-0.792°, интенсивность т--1 порядка дифракции составляет 68% при угле падения в - 0.808°, интенсивность т -1 порядка дифракции составляет 68% при угле падения рентгеновского излучения в-0.842°, интенсивность т- 2 порядка дифракции составляет 20% при угле падения в = -0.872°. Таким образом, в данном эксперименте продемонстрирована возможность амплитудно-фазовой модуляции дифракционных порядков рентгеновского излучения при модуляции многослойного зеркала ультразвуковой сверхрешеткой, что позволило преобразовывать большую часть энергии падающего рентгеновского излучения в определенные порядки ди-

I, о.е.

1.00.80.6" 0.40.2-

(а) 0.5 0.6 1.0-11, ол.

Рис. 3. Экспериментальные (а) и расчетные (б) зависимости интенсивности дифрагированного излучения в виде функции угла сканирования детектора Д0, полученные при частоте возбуждения ПАВ /0 - 218 МГц, амплитуде входного сигнала на ВШП и-17 В (А"14 А) и различных значениях угла падения рентгеновского излучения в-0.792-0.872°.

фракции (эффект фазового синхронизма). Возможность переброски энергии рентгеновского излучения в определенный порядок дифракции связана непосредственно с формированием с помощью ПАВ псевдоотражающих плоскостей в многослойном рентгеновском зеркале. Данная возможность позволяет создавать высокоэффективные управляемые рентгенооптические элементы, такие, как перестраиваемые рентгеновские монохроматоры, временные модуляторы рентгеновского излучения и т.д.

В данной главе на основе динамической теории дифракции для деформированных кристаллов (Б. Така^) предложена теоретическая модель дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, про-модулированных поверхностными акустическими волнами. В данной моделе дифракции поле дифрагированных рентгеновских волн в дальней зоне ди-

фракции можно определить из следующего выражения

Е(Р)-const •j*£Aexp|-^JtAt -Arcosa)* -jtsina)zT|í/5, s

вде a - угол дифракции; к-2л/Л; z-hsinKx - амплитуда возмущенной поверхности S, h - амшптгуца ПАВ, К - 2 л/Л. Данное выражение было использовано для расчета дифрагированной интенсивности рентгеновского излучения в виде I- Е(Р)-Е(Р)*. Как ввдно из рис. 3 расчетные значения дифрагированной рентгеновской интенсивности находятся в хорошем соответствии с экспериментально полученными результатами.

Если же требуется определить угол падения рентгеновского излучения в, при котором максимум интенсивности дифрагирует в конкретный порядок дифракции т, то угол дифракции а должен удовлетворять следующему условию

A(cos9 - cosa) - mA, где Л - длина волны ПАВ, А - длина волны падающего рентгеновского излучения. Для малых углов падения рентгеновского излучения в -А/2Лвд), что прекрасно соответствует и экспериментально полученным данным, и результатам расчетов, выполненным на основе данной модели дифракции рентгеновского излучения.

Также, в данной главе описаны эксперименты по временной моду ляции рентгеновского излучения, дифрагированного на многослойных рентгеновских зеркалах, промодулированных ультразвуковой сверхрешеткой. В этом случае, за счет импульсной модуляции ПАВ удалось получить импульсы рентгеновского излучения с периодом 7 - 400 не и длительностью т-100 не.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе проведены исследования взаимодействия поверхностных акустических волн с электронными и рентгеновскими пучками. Изучены особенности создания высокочастотных акустоэлектронных устройств на поверхности сегнетоэлектрических кристаллов методом прямой электронно-лучевой литографии. Для исследования процесса распространения объемных и поверхностных акустических волн был использован метод растровой электронной микроскопии, который позволяет непосредственно визуализировать акустическое поле в акустических трактах акустоэлектронных устройств; на основе экспериментальных исследований предло-

жен механизм формирования изображения акустических волн на поверхности пьезоэлектрических кристаллов. Изучено взаимодействие акустических волн с доменными структурами в сегнето электрических кристаллах ЕлГЛОз и показана возможность создания акустоэлектронных устройств нового поколения на базе акусто-доменного взаимодействия. Экспериментально и теоретически изучены процессы дифракции рентгеновского излучения на поверхности кристалле® и искусственных многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами, с целью создания управляемых рентгенооп-тических элементов с пространственно-временной модуляцией дифрагированного рентгеновского излучения.

Наиболее существенными и принципиальными представляются следующие выводы, полученные в ходе проведения экспериментальных и теоретических исследований:

I. Разработаны оригинальные методики создания элементов акустических трактов высокочастотных акустоэлектронных устройств с субмикронными размерами элементов методом электронно-лучевой литографии:

1. Коррекция "эффектов близости" при прямом электроно-лучевом экспонировании структур встречно-штыревых преобразователей на поверхности кристаллов ШМЬОз на основе измерения функции рассеяния электронов в резисге.

2. Установлено существенное влияние пиро- и пьезоэлектрических зарядов на процесс прямей электронно-лучевой литографии на поверхности сегнетоэлектрических кристаллов ЫМЮз и продемонстрирована возможность подавления "эффектов близости" за счет создания положительных поверхностных пиро- и пьезоэлектрических зарядов, которые уменьшают рассеяние электронов первичного пучка и уменьшают эмиссию вторичных электронов с поверхности кристаллов.

3. Продемонстрировано, что потенциальный контраст изображения сегнетоэлектрических кристаллов в режиме детектирования вторичных электронов в растровой электронной микроскопии определяется величиной и направлением пиро- и пьезоэлектрических эффектов, которые влияют на коэффициент эмиссии вторичных электронов с поверхности кристаллов, и, являясь методом неразрушакхцего контроля, позволяет определять направления полярных осей и визуализировать доменные структуры в сегнетоэлектрических кристаллах.

II. Исследован механизм формирования изображения поверхностных и объемных акустических волн в растровом электронном микроскопе:

1. Предложен механизм формирования потенциального контраста изображения акустических волн на поверхности кристаллов, основанный на формировании над поверхностью кристалла интерференционного поля в процессе взаимодействия электрического поля, сопровождающего распространение акустических волн, и электромагнитного излучения встречно-штыревого преобразователя, которые когерентны между собой, так как излучаются одним и тем же источником.

2. Установлено, что в процессе взаимодействия акустических волн с электронными пучками на поверхности кристаллов формируется метаста-бильная сверхрешетка за счет перераспределения поверхностных зарядов, период которой совпадает с длиной волны ультразвука и которая сохраняется в течении продолжительного времени.

3. Предложено использовать метод растровой электронной микроскопии для визуализации акустических полей на поверхности пьезоэлектрических кристаллов с целью получения качественной информации о работе акустоэлектронных устройств.

4. Предложен метод измерения скорости акустических волн, основанный на изменении фазы потенциального контраста изображения акустических волн при изменении частоты возбуждения последних.

III. Методом растровой электронной микроскопии изучен процесс акусто-доменного взаимодействия в сегнетоэлектрическом кристалле 1^ЬОз. При этом:

1. Впервые продемонстрирована возможность возбуждения продольных и поперечных акустических волн за счет пьезоэлектрического эффекта в регулярной доменной структуре сегнетоэлектрического кристалла, причем длина акустической волны, соответственно, равна ширине двух доменов.

2. Впервые установлена возможность фокусировки акустических волн изогнутыми регулярными доменными структурами, причем длина фокуса соответствует радиусу кривизны доменной структуры.

3. Продемонстрирована реальная возможность использования регулярной доменной структуры в качестве акустического волновода, который осуществляет коллимацию энергии в акустическом пучке.

4. Впервые продемонстрирована возможность создания фазовраща-кхцих акустических элементов на базе доменных структур, в которых за

счет инверсии направления полярных осей в соседних доменах происходит сдвиг фазы пьезоэлектрического потенциала акустических волн.

5. Установлено, что при углах падения акустических волн на доменные стенки, отличных от нормального, происходит отражение акустических волн от доменных стенок так, что угол падения равен углу отражения.

6. Показано, что акустические волны могут быть использованы для визуализации доменных структур в растровом электронном микроскопе за счет инверсии фазы потенциального контраста изображения акустических волн в соседних доменах.

IV. Экспериментально и теоретически исследован процесс дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отражения, в результате чего выявлены физические закономерности процесса дифракции, и в том числе:

1. Установлены зависимости амплитуды дифракционных порядков от амплитуды и длины волны поверхностных акустических волн, от угла падения рентгеновского излучения.

2. Предложена теоретическая модель дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке в условиях полного внешнего отражения, которая идеально согласуется с экспериментальными результатами и позволяет решать обратную задачу.

3. Впервые осуществлено пространственное сканирование дифрагированным рентгеновским излучением за счет изменения длины волны ультразвуковой сверхрешетки, что приводит к изменению угловой расходимости между дифракционными порядками.

4. Впервые осуществлена амплитудно-временная модуляция дифрагированного рентгеновского излучения, основанная на том, что рентгеновское излучение дифрагирует только в момент прохождения импульсов ПАВ через освещенную рентгеновским излучением область поверхности кристалла. При этом длительность импульсов рентгеновского излучения равна длительности импульсов ПАВ.

5. Впервые осуществлено пространственно-временное сканирование сфокусированным рентгеновским излучением в оптической схеме, состоящей из фокусирующей Брэгг-Френелевской линзы и ультразвуковой сверхрешетки.

6. Установлено, что в процессе взаимодействия рентгеновского излучения со стоячей поверхностной акустической волной в приповерхностной области сегнето электрического кристалла Ы№>Оз происходит форми-

рование метасгабильной сверхрешетки, связанной с возникновением свободных электронов под воздействием рентгеновского излучения и с асимметрией электрической проводимости вдоль полярной оси.

V. Проведены исследования дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулиро-ванных поверхностными акустическими волнами, в условиях дифракции по-Брэггу. При этом:

1. Экспериментально установлено поведение амплитуды дифракционных порядков в зависимости от амплитуды и длины волны поверхностных акустических волн и от угла падения рентгеновского излучения на многослойное интерференционное рентгеновское зеркало.

2. Впервые продемонстрирована возможность преобразования энергии падающего рентгеновского излучения в определенный порядок дифракции за счет селективных свойств многослойных интерференционных рентгеновских зеркал при отклонении угла падения рентгеновского излучения от угла Брэгга.

3. Предложена динамическая теория дифракции рентгеновского излучения на многослойных рентгеновских зеркалах, промодулированных ультразвуковой сверхрешеткой, которая описывает селективные свойства многослойного зеркала и позволяет определил, оптимальные углы падения рентгеновского излучения для максимального преобразования падающего рентгеновского излучения в определенные порядки дифракции.

Как видно из перечисленных выше основных результатов в диссертационной работе решены важные вопросы физики взаимодействия поверхностных акустических волн с электронными и рентгеновскими пучками.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аристов В.В., Агафонова В.А., Ерко А.И., Рощупкин Д.В., Исследование особенностей электронно-лучевой литографии на подложках 1л1ЧЬОз. // Материалы межд. конф. "Электронно-лучевые технологии", Варна, 1985, с. 468-473.

2. Дремова Н.Н., Ерко А.И., Рощупкин Д.В. Исследование влияния полей пирозаряда на процесс взаимодействия электронного зонда с поверхностью сегнетоэлектрика иМЮз. // Материалы I воес. конф. "Физические методы исследования поверхности и диагностики материалов

и элементов вычислительной техники", Кишинев, 1986, с. 43.

3. Дремова H.H., Ерко А.И., Рощупкин Д.В. Влияние пироэлектрического эффекта на формирование изображения сегнетоэлектрических кристаллов в ЮМ. // Поверхность: физика, химия, механика, 1987, №7, с. 125-130.

4. Аристов В.В., Верещагин Г.В., Ерко А.И., Матвеева JI.A., Рощупкин Д.В. Наблюдение дифракции рентгеновского излучения на многослойной структуре, модулированной акустической волной. // Письма в ЖТФ,

1987, т. 13, в. 21, с. 1288-1291.

5. Дремова H.H., Рощупкин Д.В., Сорокин Н.Г., Чижиков СИ. Визуализация в растровом электронном микроскопе акустических волн, возбуждаемых в кристалле LiNbQ3 с регулярной доменной структурой. II Поверхность: физика, химия, механика, 1988, №2, с. 149-150.

6. Бабин С.В., Ерко А.И., Рощупкин Д.В., Свинцов АА. Методика коррекции эффектов близости при экспонировании встречно-штыревых преобразователей на ПАВ. II Поверхность: физика, химия, механика,

1988, №3, с. 144-145.

7. Дремова H.H., Ерко А.И., Рощупкин Д.В. Зарядовый механизм формирования метастабильного потенциального контраста поверхностной акустической волны в РЭМ. // ЖТФ, 1988, т. 58, в. 9, с. 1763-1766.

8. Дремова H.H., Ерко А.И., Рощупкин Д.В. Исследоваие зарядового механизма формирования изображения поверхностной акустической волны в РЭМ // Материалы межд. конф. "Электронно-лучевые технологии", Варна, 1988, с. 881-885.

9. Ерко А.И., Рощупкин Д.В., Снигирев A.A., Смолович А.М., Никулин А.Ю. Исследование дифракции рентгеновского излучения на многослойной структуре, модулированной поверхностной акустической волной. // Материалы IV всес. совещания по когерентному взаимодействию излучения с веществом, Юрмала, 1988, с. 145.

10. Аристов В.В., Ерко А.И., Рощупкин Д.В. Исследование дифракции рентгеновского излучения на многослойной структуре, модулированной поверхностной акустической волной. II Материалы конф. "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и статическими искажениями", Мегри, 1988, с. 14.

И. Erko A.I., Roshchupkin D.V., Snigirev A.A., Smolovich AIM., Nikulin A.Yu., Vereshchagin G.V. X-Ray Diffraction on a Multilayer Structure Modulated by Surface Acoustic Waves. // Nuclear Instruments and Methods in

Physics Research, 1989, vol. A282, p. 634-637.

12. Roshchupkin D.V., Foumier Th., Brunei M., Plotitsyna O.A., Sorokin N.G. Scanning Electron Microscopy Observation of Excitation of the Surface Acoustic Waves by the Regular Domain Structure in the LiNb03 Crystals. // Appl. Phys. Lett., 1992, vol. 60, №19, p. 2330-2331. 13. Roshchupkin D., Brunei M., Sorokin N. Interaction of the SAW with Re-gular Domain Structures in LiNbOa Crystals. II Proceeding of the 14th International Congress on Acoustic, Beijing, China, 1992, vol. 2, C7-3.

14. Brunei M., Roshchupkin D. Acousto-Optical Interaction of X-Ray Radiation with SAW. // Proceeding of the 14ih International Congress on Acoustic, Beijing, China, 1992, vol. 2, C7-1.

15. Roshchupkin D., Brunei M. Modulation Spatiale et Temporelle d'Un Faisceau X par Reflexion sur Une Onde Ultrasonique. // SIEMENS, Colloque de Rayons X, Compte rendus, Paris, 1992, vol. 2, p. 106-118.

16. Roshchupkin D.V., Brunei M., de Beigevin F., Eiko A.I. X-Ray Space Modulation by Diffraction on an Ultrasonic Superlattice. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1992, vol. B72, p. 471-476.

17. Roshchupkin D.V., Foumier Th., Brunei M., Plotitsyna O.A., Sorokin N.G. Scanning Electron Microscopy Observation of the Interaction Between the Surface Acoustic Waves and Regular Domain Structures in the LiNbCb Crystals. // Scanning Microscopy, 1992, vol. 6, №4, p. 993-9%.

18. Roshchupkin D.V., Brunei M. Time Modulation of an X-Ray Beam by Surface Acoustic Waves. // Rev. Sci. Instnim., 1993, vol. 64, №2, p. 379382.

19. Roshchupkin D.V., Brunei M. Formation of a Metastable Superlattice by X-Ray Interaction with Standing Surface Acoustic Waves. H Appl. Phys. Lett., 1993, vol. 63, №3, p. 305-307.

20. Erico A!., Vidal B., Vincent N., Agafonov Yu.A., Martynov V.V., Roshchupkin D.V., Brunei M. Multilayer Gratings Efficiency: Numerical and Physical Experiments. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1993, vol. A333 p. 599-606.

21. Roshchupkin D.V., Brunei M. Scanning Electron Microscopy Observation of the Voltage Contrast linage of the Ferroelectric Domain Structure in the LiNb03 Crystal. // Scanning Microscopy, 1993, vol. 7, №2, p. 543-546.

22. Brunei M, Roshchupkin D.V., Tucoulou R. X-Ray Diffraction by Surface Acoustic Waves. H Proceeding of the 3eme Congres Francas d'Acoustic, Toulouse, France, 2-6 May 1994, Journal de Physique IV, 1994, vol. 4,

№11, p. 717-720.

23. Roshchupkin D.V., Bninel M., Tucouiou R. Visualization of Surface Acoustic Waves by Scanning Electron Microscopy. // Proceeding of the 3eme Congres Francas d'Acoustic, Toulouse, France, 2-6 May 1994, Journal de Physique IV, 1994, vol. 4, №11, p. 1229-1232.

24. Roshchupkin D.V. Observation of Surface Acoustic Wave Propagation by Autostroboscopic SEM Method. // Proceeding of the 13^ International Congress on Election Microscopy, Paris, France, 17-22 July 1994, vol. 1, p. 99-100.

25. Roshchupkin D.V., Brunei M. Scanning Electron Microscopy Visualization of the Surface Acoustic Waves Propagation in the LiNbQ3 Qystal. // Acustica, 1995, vol. 81, №2, p. 173-176.

26. Alexeyev A.N., Gorshkov D.Yu., Roshchupkin D.V. Experimental Investigation of Diffraction and Interference Phenomena in SAW Intendigital Waveguide Structures on Piezoelectric Substrate by Means of Acoustic Wave Field Visualization Method. II Proceeding of die International Simposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures and National Conference on Acoustoelectronics, Moscou-StPetersburg, Russia, 17-23 May 1994, p.40.

27. Erico A., Maitynov V., Roshchupkin D.V., Yuakshin A., Vidal B., Vincent P., Brunei M. Multilayer Diffraction Grating Properties. II Journal de Physique ffl, 1994, vol. 4, p. 1649-1658.

28. Basov Yu.A., Roshchupkin D.V., Yakshin A. Grazing Incidence Phase Fre-snel Zone Plate for X-Ray Focusing. // Optics Commuications, 1994, vol. 109, p. 324-327.

29. Agafonov Yu.A., Erko A.I., Maitynov V.V., Roshchupkin D.V., Yakshin A., Vidal B., Vincent P., Bninel M., Padmore HA. Theoretical and Experimental Studies of the Properties of Multilayer Gratings. // Proceeding of the

International Conference on X-Ray Microscopy, Chemogolovka, Russia, 20-24 September 1993, p. E-7.

30. Basov Yu.A., Roshchupkin D.V., Schelokov I.A., Yakshin A.E. X-Ray Focusing by a Grazing Incidence Phase Fresnel Zone Plate. // Proceeding of the 41*1 International Conference on X-Ray Microscopy, Chemogolovka, Russia, 20-24 September 1993, p. E-8.

31. Brunei M., Roshchupkin D.V. Space-Time Modullation of an X-RAy Beam by Surface Acoustic Waves. II Proceeding of the International Conference on X-Ray Microscopy, Chemogolovka, Russia, 20-24 September

1993, p. F-5.

32. Рощупкин Д.В. Перспективы применения доменных структур в сегне-тоэлектрических кристаллах LLNb03 и УТаОз в акусгоэлектронике. // Тезисы докладов 16-ой Всероссийской конференции по акусгоэлектронике и физической акустике твердого тела, Сыктывкар, Россия, 13-16 сентября 1994 г., с. 106-108.

33. Рощупкин Д.В., Щелоков И.А. Пространственно-временная модуляция дифрагированного рентгеновского излучения на ультразвуковой сверхрешетке. // Тезисы докладов 16-ой Всероссийской конференции по акусгоэлектронике и физической акустике твердого тела, Сыктывкар, Россия, 13-16 сентября 1994 г., с. 62-64.

34. Рощупкин Д.В., Щелоков И.А. Дифракция рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промо-дулировшшых поверхностной акустической волной. // Тезисы докладов 16-ой Всероссийской конференции по акусгоэлектронике и физической акустике твердого тела, Сыктывкар, Россия, 13-16 сентября 1994 г., с. 70-73.

35. Basov Yu.A., Roshchupkin D.V., Schelokov LA., Yakshin A. Two-Dimensional X-Ray Focusing by a Phase Fresnel Zone Plate at Grazing Incidence. // Optics Commuicalions, 1995, vol. 114, p. 9-12.

36. Roshchupkin D.V., Schelokov LA., Tucoulou R., Brunei M. Space-Time Modulation of an X-Ray Beam by Ultrasonic Superlattice. // IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, 1995, vol. 42, №1, p. 127-134.

37. Roshchupkin D.V., Bnrnel M. Scanning Electron Microscopy Observation of Surface Acoustic Wave Propagation in tfie LiNbQ3 QystaJs with Regular Domain Structures. // IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, 1994, vol. 41, №4, p. 512-517.