автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование акустоэлектронного взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах и разработка физических принципов обработки сигналов на его основе

Ц ДО «94

к КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАТАНОВА Наталья Леонидовна

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТОЭЛЕКТРОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ И РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

Специальность 05.12.01 - Теоретические основы радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ-1998

Работа выполнена в Казанском филиале Московскохо энергетического института (ТУ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Голенищев-Кутузов В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белавин ВА. ( КФ МЭИ)

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Богданова Х.Г. (Физико-технический институт КНЦ РАН)

Ведущая организация: Федеральный научно-производственный

центр радиоэлектроники, г.Казань

Защита состоится 1998 г. в АН часов на заседании

диссертационного совета Д 053.29.05 при Казанском государственном университете по адресу : г.Казань 420008, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотнке им-Н.И Лобачевского Казанского государственного университета

Автореферат разослан " ^ " 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

В.С.Бухмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ТЫ

Актуальность темы. Разработка новых способов преобразования, обработки и записи радиосигналов в наши дни представляется одной.из наиболее важных проблем радиоэлектроники. Высокие, а иногда и противоречивые требования (быстродействие, чувствительность, частотная перестройка, избирательность),

предъявляемые к подобным устройствам, могут быть удовлетворены только с использованием в них разнообразных физических явлений. Поэтому на смену чисто радиотехническим способам приема и обработки сигналов начинают приходить новые способы, в том числе основанные на акустическом преобразовании радиосигналов [1,2].

С помощью акустоэлектронных устройств возможно выполнение таких линейных операций над сигналами как преобразование во времени (задержка сигналов, изменение длительности); частотные и фазовые преобразования (сдвиг фаз, изменение амплитуды), а также более сложные функциональные преобразования (умножение частоты, интегрирование и дифференцирование, свертка, корреляция сигналов).

Главное преимущество применения акустических волн перед электромагнитными волнами состоит в уменьшении скорости распространения на 5 порядков и в таком же уменьшении длины волны. В основном используются поверхностные акустические волны (ПАВ). Поскольку они располагаются вблизи поверхности, то возникает возможность воздействия на них оптическими пучками дня модуляции, а также простого съема обработанных сигналов.

Немаловажную роль в сложных процессах преобразования играют нелинейные среды, в которых осуществляется взаимное преобразование электромагнитных и акустических полей. В настоящее время для сложных преобразований волн и сигналов используется нелинейное акуегаэлектропное взаимодействие, возникающее при распространении ПАВ в средах с достаточной проводимостью. Элементная база акустоэлекгронных устройств нелинейного типа основана на использовании слоистых структур пьезоэлектрик-цолупроводннк. В них взанмодейсгвие свободных электронов полупроводника с ПАВ, распространяющимися в пьезоэлектрике, осуществляется посредством пьезоэлектрического поля, проникающего в полупроводник [3]. Однако несмотря на очевидную перспективность таких устройств, их реальное применение сдерживается как

сложностью технологических процессов изготовления слоистых структур,: так! и- малым временем жизни нЬсителей, что затрудняет запись и хранение сигналов. ; .. .Для ....расширения ■•■;.возможностей'-' устройств, использующих нелинейное а кустоэлектронное взаимодействие, необходимо ...,, использовать материалы, в которых бы с одной стороны сочетались ... . дьсзоэлекгрпчсскнс свойства с высокой концентрацией свободных ..носителей,,.^, с другой . стороны, : центры захвата электронов существовали бы достаточно долгое время.

В результате исследований, выполнявшихся в течении последних 20 лет, было установлено, что такими свойствами обладает- ряд нсценгросимметричиых оксидных ссгнетоэлектриков (ЫМЬОз, 1лТа03, ВаЧЧОз, ВагНаНЬ50]5) |4|. Эти кристаллы имеют превосходные акустические, и пьезоэлектрические параметры. Их проводимость может возрастать в десятки, раз иод действием .оптического облучения. Свободные электроны в таких кристаллах возникают за счет фотоионизации донорных центров, в качестве которых выступают примс.спыс , иолы труппы железа и структурные центры, например, ноны .ниобия, в инобатс лития. Примесные и структурные центры способны создавать концентрацию фотовозбуаденных- электронов до10|У см-', т.е. сравнимую с концентрацией свободных носителей в легированных полупроводниках. Эти'Кристаллы способны сохранять ф ого 111 ту ци р ова п н ы ¡1 за ряд при комнатных температурах и в отсутствие внешних излучающих -полей от секунд до многих месяцев. Фотоиндуцированные поля, возникающие при перезарядке центров, могут достигать значении до 105 В/см.

До середины 80-х годов в акуото- и оптоэлектронных з'стройствах для преобразования сигналов в основном использовались монодомсиизированные сегнето- и пьезоэлектрические оксидные кристаллы. Перелом наступил во второй половине 80-х годов, когда началось использование кислородно-октаэдричсских кристаллов со сформированными в них периодическими доменными структурами [5]. Вначале периодические доменные структуры (НДС) стали применяться для преобразования оптического излучения во вторую гармонику [6]. Затем появились работы китайских ученых по генерации ультразвука на ПДС [7]. Стала очевидной перспективность использования доменных структур в различных системах преобразования сигналов. Тем не менее, развитие применений доменных структур сдерживалось, в

основном, уровнем фундаментальных исследований по механизмам образований фотонндуцированных носителей, их взаимодействия с акустическими волнами, и отсутствием достаточно простых способов формирования доменных структур.

Таким образом, представлялось актуальным использование фотонндуцированных эффектов для создания периодических доменных структур и на их базе устройств доя преобразования и записи различных сигналов.

Цель диссертационной работы состояла в разработке экспериментальных опто- и акустических способов формирования сегнетоэлсктр![ческих доменов и структур и исследовании особенностей преобразования радио- и акустических волн на доменных структурах.

Объект исследовали». В качестве объекта исследования был выбран монокристалл ниобата лития, К настоящему времени он наиболее хорошо исследован. Выращивание крупных монокристаллов достигло большого совершенства, хорошо отработаны методы изучения его электрических, оптических и акустических характеристик. Он обладает- уникальной совокупностью наиболее высоких среди кислородно-октаэдрическнх кристаллов оптических, акустических и пьезоэлектрических характеристик. Поэтому ниобат лития широко используется в пьезопреобразовательных, модуляционных и других устройствах.

Предметом исследования являлось изучение механизмов формирования доменов и периодических доменных структур, л том числе и акустическим способом; исследование взаимодействия акустических волн с доменными структурами с целью создания устройств для записи и преобразования радиосигналов.

Научная новизна состоит в следующем: '

1. Впервые обнаружено возникновение области с инвертированной поляризацией по отношеишо к, <•■.спонтанной поляризации под действием лазерного облучения.;.: Иа основе экспериментальных исследований установлен ненрлевой механизм фоторефрактивного эффекта, заключающийся в перераспределении зарядов фотонндуцированных примесных центров.

2.Впервые обнаружена и исследована проетранетвенно-периодйческая структура электрического поля, возникающая за счет перераспределения зарядов пьезоэлектрическим полем стоячей ультразвуковой волны.

3. Впервые обнаружено возникновение периодической доменной структуры при одновременном распространении стоячей поверхностной акустической волны н оптического . облучения монодоменного образца ниобата лития. _ ........

4. Обнаружено отражение и преломление акустических волн на акустически индуцированной периодической доменной структуре.

5. Обнаружена генерация акустических волн на периодической доменной структуре под действием 'радиочастотного пота и оптического излучения.

Практическая значимость работы.

I. Разработанная методика одновременного воздействия на сегнстопьезоэЛсКтрик лазерным1 облучением и возбуждения стоячей поверхностной акустической водйы использована для .создания периодической доменной структуры.

• ■ 2. Акустбиндуцированные периодические доменные структуры ; были использованы для генерации ультразвуковых волн в заданном частотном диапазоне, а также в качестве акустических фильтров и резонаторов. :

3. Установлено повышение коэффициента прямого и обратного преобразования электромагнитных волн в акустические волны посредством использования периодических доменных структур. ■■■>■ Полученные результаты были включены в отчеты по грантам РФФИ (гранты 94-02-04234 и 96-02-18229), а также были использованы1; в учебном процессе кафедры промышленной электроники КФ МЭИ при выполнении дипломных и курсовых работ и чтении курса по акустоэлектронйкс.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Образование области с инвертированной поляризацией под действием лазерного пучка объясняется пространственным перераспределением зарядов ионов Рс2+, которые образуют совокупность градиентов электрических полей, обратных направлению

. спонтанной поляризации.

2. Электрическая компонента стоячей поверхностной акустической волны в ■ пьезоэлектр'ИКЬ ; Ь^Ь03 создает перераспределение фотоиндуцированных электронов, вследствие чего происходит возникновение пространственного периодического электрического поля, создающего структуру инвертированных доменов.

!:" • ч 3. Периодически доменная структура, подобно встречно-

штыревым преобразователям, способна генерировать и детектировать поверхностные акустические волны, т.е. осуществлять прямое и обратное взаимное преобразование радио-и акустических волн.

4. Взаимодействие модулированного оптического излучения с периодической доменной структурой создает генерацию акустических волн в частотном интервале, сравнимом с периодом доменной структуры, посредством двух механизмов: термоупругого.и токового.

5. Индуцированная в ниобате лития доменная структура обладает дополнительной акустической нелинейностью, что проявляется в отражении и преломлении поверхностных акустических волн, распространяющихся через такую структуру.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием разнообразных экспериментальных методик, хорошим совпадением экспериментальных результатов с теоретическими моделями, а также хорошим согласованием полученных нами результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации изложены в 10 опубликованных работах; были представлены и обсуждались на Международном симпозиуме по поверхностным волнам и акустоэлекчроннке (Москва-С.Петербург, 1994), Международном конгрессе по ультразвуку (Берлин, 1995), VII Международном семинаре по физике сегнетоэлектрнков-полуироводников (Ростов-на-Дону, 1996), а также регулярно докладывались на научных конференциях Республики Татарстан по проблемам энергетики (Казань, 1995, 1996) и Казанского филиала МЭИ (1995, 1996,1998).

Разработка экспериментальных методик, выполнение экспериментов и обсуждение результатов проведены диссертантом совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 119 страниц печатного текста, приводятся 27 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации описано современное состояние исследований по акустическим способам преобразования и записи сигналов, физике и применению сегнетоэлектриков, содержащих

доменные структуры. Далее сформулированы положения, 'бНредЬляющне актуальность и цели работы, приведены полученные результаты, характеризующие1 'Научную и практическую значимость шиполнсшШх доследований)' основные положения выносимые на защиту. '

В начале первой главе представлен аналитический обзор основных акустоэлсктронных процессов, используемых в настоящее время для преобразования, обработки и записи радиосигналов. Показаны преимущества и недостатки применения нелинейных акустоэлсктронных процессов, возникающих при распространении ПАВ в слоистых структурах сегнетоэлектрик-нолупроводник. Далее показаны возможности использования оксидных сегнетоэлектрических Кристаллов в акустоэлсктронных устройствах преобразования сигналов и особенно с применением периодических доменных структур. Рассмотрены способы формирования периодических доменных структур, отмечена их технологическая сложность. Затем приведены основные физические характеристики кристалла ниобата лития, ' применяемого в работе в качестве основного объекта исследований. На основе рассмотрения различных микроскопических механизмов фотоиндуцнрованных процессов генерации свободных носителей и перезарядки примесных центров сформулировано основное положение 6 возможности возникновения локальной переполяризации за счет больших фотоиндуцнрованных электрических полей. Предположено, что электрические поля, создаваемые при оптической перезарядке примесных и структурных центров в ниобате лития и достигающие значений до 105 В/см, могут быть достаточными для образования локальных доменов в первоначально монодоменизированных образцах.

Далее изложена разработанная при участии автора комплексная методика исследования оптически индуцированных процессов генерации свободных носителей и образования индуцированных электрических полей, которая включала определение изменений в концентрации примесных (ионы железа) и структурных (ионы ниобия) центров ниобата лития в результате оптически индуцированных процессов, определение напряженности фотоиндуцнрованных электрических полей. Особое внимание было обращено на ([идентификацию возможных индуцированных сегнетоэлектрических доменов.

Основное внимание в первой главе обращено на результаты по обнаружению в пиобате лития области с инвертированной поляризацией по отношению к спонтанной поляризации монодоменного образца ннобата лития. Этот эффект возникал при облучении ниобата лития узким пучком второй гармоники лазера на итгрнй-агаоминиевом гранате с длиной волны 0,53 мкм в температурном диапазоне 130-160° С. Сам домен представлялся в виде узкой ~ 150-200 мкм полосы, расположенной перпендикулярно оси поляризации и смещенной по отношению к лазерному пучку на 100 мкм к положительному полюсу поляризации. Форма изменения электрического поля в этой области, полученная с помощью оптического интерферометра Маха-Цендера, представлена на рисунке I. Предложенная нами микроскопическая модель формирования доменной структуры при лазерном облучении основана на процессе индуцированного перераспределения зарядов ионов железа с различной валентностью (рис.2). При этом за счет фотоионизации электронов с донорнмх ионов Ке2+ в области облучения возникает повышенная концентрация ионов Ре3+

Ь

ре2+--> рез+ + е_

Возбужденные в зону проводимости электроны, мигрируют под действием поля поляризации из области облучения и поглощаются акцепторными ионами Ре3+

рез++ е---->Г'е2+.

Значительное возрастание концентрации ионов 1те2н, приводит к образованию макроскопического электрического поля, направленного навстречу полю поляризации. Это поле создается микроскопическими электрическими градиентами. ионов Ее2+, каждый из которых направлен против поля поляризации. Как показали наши оценки, суммарное поле ионов может составлять 104-5-104 В/см, что достаточно для переполяризации локальной области при температурах выше 130° С. При комнатной температуре для поляризации необходимо иоле выше 106 В/см. Выше 170°С дальнейшее увеличение концентрации свободных носителей приводит к экранировке поля перегюляриэацип. Полученные домены достаточно устойчивы к внешним воздействиям: нагреву до 500°С и облучению ультрафиолетом при комнатной

Чь/2 , в

Рис.1. Пространственное изменение электрического поля в области образования сегнетоэлектрического домена.

зона проводимости

валентная зона

' Рпс.2. Схема энергетических уровней примесных центров.

температуре.

Во второй главе содержатся результаты изучения формирования периодической доменной структуры в первоначально монодоменных образцах ниобата лития за счет приложения градиентного электрического поля й перераспределения фотовозбужденных электронов полем стоячей поверхностной акустической волны. Глава начинается анализом различных способов формирования периодических доменных структур. Сопоставление различных способов, основанных на использовании градиентов внутренних и внешних электрических полей позволило предложить и реализовать новые способы формирования доменных структур. В первую очередь это касалось создания электрических полей с резкими градиентами напряженности. Такое градиентное попе создавалось с помощью системы встречно-штыревых элетродов, напыленных па ЧЪ поверхность пластины ниобата лития перпендикулярно оси поляризации Ъ. Импульсы постоянного электрического поля подавались к соседним электродам, вследствии чего могла создаться структура доменов типа "голова к хвосту". Возникновение инверсной поляризации устанавливалось по скачкам тока переключения поляризации в зависимости от величины приложенного поля и температуры образца, используя известную методику определения процесса переполяризациН сегнетоэлектриков. Скачки токовой переполяризации были обнаружены только при повышении температуры образца до 120°С, причем время переполяризации было обратно пропорционально величине приложенного электрического поля. Значение поля переполяризации ~6- 10* В/см при температуре 150 °С вполне соответствовала температурному ходу поляризации, предсказанному ранее в работе Шувалова и Волк [8]. Таким образом, нам удалось создать приповерхностную структуру периодических доменов с размером домена порядка 90-100 мкм и толщиной порядка 50 мкм.

Результаты изучения температурной зависимости поля переполяризации были использованы при изучении процесса формирования периодической доменной структуры с помощью пьсзоэлскгричсского ноля стоячей поверхностной акустической волны. Сугь этого1 способа состоит в том, что фотовозбужденные электроны, ранее равномерно распределенные по сечению оптического облучения будут перераспределяться в постоянном пьезоэлектрическом поле

стоячей ПАВ. Этот процесс приводит к перезарядке , примесных и структурных центров, которые образуют градиенты электрических полей с периодичностью, равной длине акустической волны. При достаточности этих градиентов для, переполяризации будет происходить периодическое изменение поляризации, т.е. образование доменной структуры.

Экспериментально, формирование периодической доменной структуры происходило при облучении У Ъ поверхности монокристалла ниобата,лития, содержавшего 10~3 ат % ионов железа с соотношением относительных концентраций Ре2+ /Ре3+~0,3 широким пучком (020мм) второй гармоники лазера на нтгршЧ-ащощниевом гранате (А.=0,53мкм). Одновременно с помощью двух встречно-штыревых преобразователей вдоль оси поляризации (ось Т) возбуждалась стоячая ПАВ на частоте 34 МГу. При увеличении амллшуды деформации в акустической волне до 10-4 и в температурном диапазоне 130-170°С после окончания процесса и охлаждения образца наблюдалась структура периодических доменов (рис.3).

Физически механизм формирования доменов с помощью электрической компоненты ПАВ походит на оптический способ. В обоих случаях оптическое возбуждение электронов приводит к перезарядке и пространственному перераспределению примесных двух и трехвалентных ионов железа. Ионы Ре2+, создающие вокруг себя градиенты электрического поля, направленного на встречу полю поляризации, отвественны за образование доменной структуры. Доменная структура, сформированная полем ПАВ, вполне соответсвовала по своим параметрам структуре, полученной с помощью пространственно-модулированного электрического поля.

Поскольку распределение пространственных градиентов электрического поля вдоль направления распространения ПАВ соответствовало распределен^ , интенсивности ПАВ, то это делает возможным запись и обработку и более сложных акустических сигналов.

Третья гяаеа. диссертации посвящена изучению особенностей преобразования электромагнитных полей в акустические на периодической доменной структуре и взаимодействию поверхностных акустических волн с такими структурами,. В первой части главы обсуждаются особенности генерации акустических волн с помощью

, -¡:>ж> >1.." :

Рис.3. Пространственное распределение

электрических полей в периодической доменной структуре.

60

65

10'

10

1,0

9 V (2 ш), отн.од.

л

70 да ю

,-5

Ф)

10'

,-4

10

,-3

Рис.4. Спектр возбужденных Рис.5. Зависимость электрического

ПАВ на системах инвертиро- сигнала второй гармоники (V) ванных доменов, созданных: от амплитуды относительной

1-акустическим; 2-электричес- деформации (и) на частоте со. ким методами.

ПДС, изложена методика возбуждения и детектирования поверхностных и объемных акустических волн и приведены результаты по генерации поверхностных и объемных волн на доменной структуре в ниобате лития. Установлено, что амплитудно-частотная характеристика возбужденных акустических волн определяется периодом доменной структуры.

Далее в главе приведены экспериментальные результаты по изучению нелинейных эффектов, обнаруженных при распространении ПАВ через периодическую доменную структуру. Для выполнения экспериментов была разработана методика, позволяющая генерировать и детектировать поверхностные'и объемные акустические волны в диапазоне частот 20-100 МГц. Поскольку ниобат лития обладает сильным пьезоэффектом, то для этих целей использовались встречно-штыревые и уголковые преобразователи и емкостные детекторы. При относительно малых интенсивностях поверхностных акустических волн (амплитуда относительной деформации не превышала Ю-5) были обнаружены отраженные и преломленные поверхностные акустические сигналы на той же частоте, что и падающая на ПДС волна (рис.4). При увеличении амплитуды деформации до Ю-4 в спектрах преломленных и отраженных волн были обнаружены частоты акустических колебаний, соответствующие второй гармонике падающей волны. Амплитуда второй гармоники возрастала пропорционально квадрату амплитуды ПАВ на основной частоте (рис.5).

Таким образом, результаты выполненных экспериментов указывают на согласованный по фазе процесс нелинейной •фапсформацнн акустических волн, падающих на ПДС, во вторую гармонику. Следует подчеркнуть принципиальную разницу в нелинейных процессах, происходящих в монодоменных образцах и образцах с ПДС. В первом случае сам эффект нелинейности мал и его увеличение происходит за счет протяженности образца, во втором случае нелинейность носит локальный характер только в пределах ПДС, но величина эффекта значительно больше.

В третьей части главы рассмотрены особенности различных механизмов лазерной генерации акустических волн. В монодоменных образцах такая генерация возникает в основном за счет термоупругого эффекта в широком спектральном диапазоне, определяемым длительностью лазерных импульсов. Во втором случае механизмы

акустических волн более разнообразны., В ходе экспериментов быдо установлено, что при термоупругом механизме, возбуждения роль ПДС возбуждения сводится к сужению полосы акустических колебаний, поскольку ПДС представляет собой распределений /¿фазированную резонансную систему. . .

ПДС также может сама генерировать акустические колебания за счет периодического изменения напряженности внутреннего электрического поля модулированным лазерным пучком.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

I. Разработаны . физические принципы : построения акустоэлектронных устройств для генерации и преобразования акустических сигналов на основе использования акустически, оптически и электрически индуцированных доменных структур в оксидных ссгнетоэлектриках, обладающих пьезоэффектом. 2. Впервые, в ходе проведенных экспериментальных исследований, обнаружено возникновение локальной переполяризации ранее монодоменного образца под действием лазерного . облучения. Разработана физическая модель взаимодействия лазерного излучения с примесными ионами железа, объясняющая возникновение фотоиндуцированного домена перераспределением концентраций зарядов ионов двух и трехвалентного железа. Именно совокупность зарядов ионов двухвалентного железа создает поле, необходимое для персполяризацни.

3. Исследованы процессы взаимодействия акустических волн со структурными и примесными центрами в ниобате лития. Экспериментально осуществлено формирование периодической доменной структуры в пьзоэлектрнческом поле стоячей поверхностной акустической волны. При этом пространственно периодические градиенты перераспределенных зарядов примесных ионов железа создают локальные изменения поля спонтанной поляризации, приводящие к возникновению периодической доменной структуры "голова к голове". ._.

4. Обнаружена и исследована генерация поверхностны^ и объемных акустических волн на структуре периодических доменов, при приложении переменного электрического поля или облучения модулированным лазерным пучком.. Рассмотрены механизмы генерации акустических волн. , .-.Применение ,.РДС ,,, повышает коэффициент преобразования электромагнитных волн г в акустические

волны и обратно акустических волн в электромагнитные.

5. Впервые установлено, что периодические доменные структуры, сформированные вблизи поверхности кристалла ниобата лития обладают значительной акустической нелинейностью, что проявляется в отражении, преломлении и генерации второй гармоники поверхностной акустической волны, распространяющейся через ПДС. Эффективность процессов преобразования значительно возрастает при кратности ПАВ периоду доменной структуры.

6. Показано, что кристаллы ниобата лития могут быть использованы для записи еигналОй в акустической форме.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Голенищев-Кутузов А.В., Батанова HJI., Ефимова JI.B. Акустические волны на поверхности пьезо-сегнетоэлектриков с индуцированной периодической доменной структурой // Республиканская научная конференция "Проблемы энергетики" Докл.-Казань -1996. С. 79.

2. Батанова НЛ., Голенищев-Кутузов А.В. Нелинейные акустоэлектронные взаимодействия в пьезо-еегнетоэлектрических кристаллах // Межвузовский сборник научных трудов "Интенсификация тепло- и электроэнергетических процессов"// Каз.фш1.Моск.эиерг.ин-та.Казань. 1995.С.101 -103.

3. Batanova N.L., Golenishchev-Kutuzov A.V., Golenishchev-Kutuzov V.A., Shakurova E.A. Acoustically induced domain structure in lithium niobaie II Ultrasonics world congress: Proceedings. Berlin. l995.Part I P.427-428.

4. Голеннщев-Кугузов A.B., Батанова HJI. Акустически индуцированные доменные структуры в ниобате лития // Итоговая научная конференция проф.-препод. состава Каз.фил.Моек .энерг.нн-та. Казань. 1995. С.37-39. ^

5. Батанова HJI., Голенищев-Кутузов А.В. Акустонндущфованные домены в ниобате лития // VII Международный семинар по физике сегнетоэлектриков-полупроводников: Докл. Ростов-на-Дону. 1996. В6.

6. Батанова НЛ., Голенищев-Кутузов А.В. Инвертированные домены в сегнетоэлектриках II Вестник МЭИ. 1997. №4. С.46-50.

7. Батанова Н. Л., Голенищев-Кутузов А. В. Распространение

акустических волн в сегнетоэлектриках с периодическим рельефом // Акуст.журн. 1997. Т.4. №4. С.545-547.

8. Калимуллин Р.И., Батанова МЛ. Возникновение инвертированной доменной структуры в ниобате лития под действием лазерного излучения // Труды КФ МЭИ, 1998.

9. Batanova N.L., Golenishchev-Kutuzov V.A., Migachev S.A. Investigation of physical properties of piezo-ferroclectric and semiconductors by the optoacoustic method. International symposium on surface waves in solids. Proceeding Moseow-St.Peterburg. 1994. P.237-240.

10. Батанова Н.Л., Калимуллин Р.И., Голенищев-Кутузов A.B. Возникновение доменной структуры в ниобате лития под действием лазерного излучения Изв.РАН. 1998. Т.62 №2. С.384-386.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М. Наука. 1975. С.236.

2. Гуляев Ю.В. Акустоэлсктронные устройства для систем связи и обработки информации // Проблемы современной радиотехники и электроники. Под ред. В.А.Котельникова. М. Наука. 1980.

3. Лямов В.В., Левин В.М., Чернозатонскнй А.А. Акустоэлектроннка // Физическая энциклопедия. М. Советская энциклопедия. 19S8. Т.4. С.52-55.

4. Gunter P.,Huignard J. Photorefractive Materials and Their Applications 1,11 II Heidelberg. Springer. 1988. C.363.

5. Антипов B.B., Блистанов A.A., Сорокин Н.Г. и др. Формирование регулярной доменной структуры в сегнетоэлектриках LiNb03 и LiTa03 вблизи фазового перехода // Кристаллография. 1985. Т.ЗО. №4. С.734-738.

6. Feisst A., Koidl P. Curent induced periodic ferroelectric domain applied the efficient nonlinear optical frequency mixing structures in LiNb03 II Appl.Phys.Lett. 1985.V.47.P.1125-1128.

7. Zhu Y., Ming. N., Jiang W. Acoustic superlattice of LiNb03 crystals and its applications to bulk-wave transducers for ultrasonic generation and detectionly to 800 MHz//Appl.Phys.Lett. 1988. V53.№15. P.1381-13S3.

8. Kovalevich V., Shuvalov L., Volk T. Polarization reversal and photorefractive effect in LiNb03. Phys.Stat.Sol. 1978. V45A.P.249-252.

Подписано к печати 18.11.98

Печл.1.0 Тираж 100 Заказ АЯ6

Типография КФ МЭИ (ТУ) г.Казань, Красносельская, 51

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

БАТАНОВА НАТАЛЬЯ ЛЕОНИДОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТОЭЛЕКТРОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ И РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

специальность 05.12.01 - Теоретические основы радиотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Голенищев-Кутузов В. А.

КАЗАНЬ-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................3

I. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ И ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ...........................................................13

1.1. Основы акустоэлектроники...................................................................13

1.2. Фотоиндуцированные эффекты в ниобате лития................................17

1.3. Экспериментальные методики..............................................................34

1.4. Возникновение доменов при оптическом облучении монокристаллов ниобата лития............................................................42

Выводы..........................................................................................................55

II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ И АКУСТИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫЕ ДОМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ....................................................................58

2.1. Электрически индуцированные домены.............................................58

2.2. Акустически индуцированные домены...............................................64

2.3. Модель акустоиндуцированных доменов...........................................70

Выводы..........................................................................................................77

III. АКУСТИЧЕСКИЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В НИОБАТЕ ЛИТИЯ.............................................................................78

3.1. Генерация ПАВ на структуре периодических доменов с помощью переменного электрического поля........................................................78

3.2. Акустические нелинейные эффекты.....................................................83

3.3. Отражение и преломление акустических волн на периодической доменной структуре................................................................................88

3.4. Лазерная генерация акустических колебаний.....................................97

Выводы...........................................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................109

Введение

Разработка новых способов преобразования, обработки и записи радиосигналов в наши дни представляется одной из наиболее важных проблем радиоэлектроники. Высокие, а иногда и противоречивые требования (быстродействие, высокая чувствительность, частотная перестройка и избирательность), предъявляемая к подобным устройствам, могут быть удовлетворены только с использованием разнообразных физических явлений. Поэтому на смену чисто радиотехническим способам приема и обработки сигналов начинают приходить новые способы, основанные на оптическом или акустическом преобразовании радиосигналов [1]. Немаловажную роль в этих процессах играют среды, в которых осуществляется преобразование электромагнитных полей.

Дальнейшее развитие квантовой электроники, оптоэлектроники и акустоэлектроники во многом определяется качеством и разнообразием кристаллов, используемых для генерации когерентного оптического и акустического излучений, его детектирования и частотного преобразования. Не менее важную роль кристаллы играют в устройствах управления лазерными пучками: модуляция, отклонение, прерывание. Особое значение приобретают кристаллы, используемые для записи и преобразования информации в оптической или акустической форме. К сожалению, природа не предоставила нам универсальных кристаллов,

способных выполнять все описанные выше функции. Каждый кристалл может быть применён в достаточно ограниченной области электроники. По функциональным применениям можно объединить кристаллы, используемые в оптоэлектронике (электрооптические и акустооптические устройства) и акустоэлектронике (устройства для генерации, преобразования и записи радиосигналов с помощью поверхностных акустических волн). Совокупностью таких свойств, необходимых для выполнения поставленных выше целей, обладает семейство кристаллов, кристаллическая решетка которых не имеет центра симметрии (асимметричные кристаллы). Из нескольких тысяч соединений, принадлежащих к асимметричным кристаллам, примерно 60% обладают пьезоэлектрическими свойствами, а» 15% - сегнетоэлектрическими свойствами. Среди этих кристаллов имеется класс кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков, ряд представителей которого (1лМЮ3, ГлТаОз, КТЮРОд, ВаТЮз и некоторые другие) вполне удовлетворяет поставленным требованиям по высоким значениям электрооптических, нелинейных оптических и пьезоэлектрических коэффициентов. В настоящее время эти кристаллы успешно синтезированы и освоен их промышленный выпуск [2-6].

Наиболее яркими представителями этой группы кристаллов является метаниобат лития, впервые синтезированный в 1965 году. За более чем 30 летнюю историю его исследования и применения, монокристаллы 1лМЮз

не утратили своего лидерства как в качестве модельных кристаллов при изучении различных проявлений сегнетоэлектричества и пьезоэффекта, так и в практическом использовании [7 - 8].

До середины 80-х годов в акусто- и оптоэлектронных устройствах для преобразования сигналов в основном использовались монодоменизированные сегнето- и пьезоэлектрические кристаллы. Перелом наступил во второй половине 80-х годов, когда началось использование кислороднооктаэдрических кристаллов с сформированными в них периодическими доменными структурами [9 - 10]. В начале периодические доменные структуры (ПДС) стали применяться для преобразования оптического излучения во вторую гармонику [И], а затем и для генерации ультразвуковых волн [50], причем в обоих случаях эффективность преобразования значительно превышала эффективность монодоменных преобразователей. Очевидна перспективность использования ПДС в различных оптических и акустических системах преобразования сигналов.

Для создания ПДС используются различные способы, в большинстве которых применяются внешние электрические поля. Однако, эти способы технологически достаточно сложны. Поэтому дальнейшее распространение ПДС сдерживается отсутствием достаточно простых способов формирования доменных структур, а также механизмы взаимодействия акустических волн с ПДС недостаточно изучены.

-6В то же время в кислородно-октаэдрических кристаллах под действием оптического облучения возникает значительное количество свободных носителей (1017 - 1019 см"3), которые являются причиной образования сильных индуцированных полей (104 - 105 В/см). Таким образом, представлялось актуальным использование фотоиндуцированных эффектов для создания периодических доменных структур. Такие исследования перспективны в изучении особенностей образования периодически упорядоченной сегнетоэлектрической структуры и могут привести к расширению практических применений сегнетоэлектрических кристаллов для преобразования и обработки радиосигналов.

Целью работы являлась разработка экспериментальных методик опто- и акустических способов формирования сегнетоэлектрических доменов и структур и исследование особенностей взаимодействия электромагнитных и акустических волн с такими структурами.

В качестве объекта исследований были выбраны монокристаллы ниобата лития, поскольку для них уже известны многие оптические и акустические свойства, они выращиваются с высокой степенью совершенства кристаллической структуры и контролируемым составом примесей.

Научная новизна исследования состоит в следующем: 1. Обнаружено возникновение области с инвертированной поляризацией по отношению к спонтанной поляризации под действием лазерного

облучения. Установлен неполевой механизм фоторефрактивного эффекта.

2. Обнаружены и исследованы пространственно-периодические структуры электрического поля, возникающего за счет перераспределения зарядов пьезоэлектрического поля стоячей ультразвуковой волны.

3. Обнаружено возникновение периодической доменной структуры при одновременном воздействии стоячей поверхностной акустической волной (ПАВ) и оптическим облучением монодоменного образца ниобата лития.

4. Обнаружены отражение и преломление волн на акустически индуцированной периодической доменной структуре.

5. Обнаружена генерация акустических волн на периодической доменной структуре под действием радиочастотного поля и оптического излучения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Образование области с инвертированной поляризацией под действием лазерного пучка объясняется пространственным перераспределением

л ■

ионов Бе , которые образуют совокупность градиентов электрических полей, обратных направлению спонтанной поляризации.

2. Электрическая компонента Еа стоячей поверхностной акустической волны в пьезоэлектрике 1л№>Оз приводит к перераспределению фотоиндуцированных электронов, вследствие чего происходит

возникновение периодического по своей пространственной структуре электрического поля Ее, создающего структуру инвертированных доменов.

3. Взаимодействие модулированного оптического излучения с периодической доменной структурой приводит к генерации акустических волн в частотном интервале, сравнимом с периодом доменной структуры посредством двух механизмов: термоупругого и токового.

4. Акустически индуцированная доменная структура в ниобате лития обладает дополнительной акустической нелинейностью, что проявляется в отражении и преломлении поверхностных акустических волн, распространяющихся через такую структуру.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке методики формирования периодических доменных структур при одновременном воздействии на сегнето-пьезоэлектрик лазерным облучением и пьезоэлектрическим полем стоячей поверхностной акустической волны.

2. В установлении возможности использования акустоиндуцированных периодических доменных структур для оптоакустической генерации ультразвуковых волн в заданном частотном диапазоне, а также использование таких структур в качестве акустических фильтров и резонаторов для радиочастотных сигналов.

3. В установлении возможности повышения коэффициента прямого и обратного преобразования электромагнитных волн в акустические волны посредством использования периодических доменных структур.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. В конце каждой главы сформулированы полученные в ней основные результаты.

Во введении к диссертации описано современное состояние исследований по физике и применению кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков и влияние на их физические свойства регулярных доменных структур. Далее сформулированы моменты, определяющие актуальность и цели работы; приводятся результаты, характеризующие научную и практическую значимость работы; основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор основных акустоэлектронных процессов и механизмов, используемых в ультразвуковых устройствах для преобразования и обработки радиосигналов. Далее приведены основные физические свойства кристаллов ниобата лития как монодоменных, так и с индуцированными доменными структурами. Изложены макроскопические механизмы изменения оптических свойств за счет примесных и структурных (дефектных) центров. Затем даны основные положения по фотоиндуцированной генерации свободных носителей в кислородно-октаэдрических кристаллах, образованию при этом внутренних

электрических полей и структурных и примесных центров, ответственных за фотоиндуцированные процессы. В параграфе 1.3 изложены разработанные методики изучения фотоиндуцированных эффектов и идентификации 180° доменов в сегнетоэлектрических кристаллах. В параграфе 1.4 изложены результаты по обнаружению области с инвертированной поляризацией по отношению к спонтанной поляризации монодоменного образца. Далее представлена микроскопическая модель образования инвертированной области вблизи воздействия лазерного пучка за счет перераспределения ионов железа с различной валентностью. Значительное увеличение концентрации ионов Fe2+, обладающих собственным градиентом электрических полей и направленных против поля спонтанной поляризации, приводит к образованию доменной области.

Во второй главе диссертации содержится изложение экспериментальной методики и конкретных результатов по формированию периодической доменной структуры в первоначально монодоменном образце за счет перераспределения фотовозбужденных электронов полем стоячей акустической поверхностной волны. Обсуждены условия образования доменов: высокая плотность энергии акустической волны и определенный температурный диапазон (140 - 160°С). Рассмотрена физическая модель образования волны при возбуждении электронов из примесных (Fe2+ ионы) и структурных (Nb4+ ионы) центров, их дальнейшего перераспределения электрической компонентой стоячей ПАВ

и их окончательного закрепления на акцепторных центрах (ионы Бе3"1" и №>5+). Показано, что именно поле перезаряженных центров является достаточным в указанном температурном диапазоне для устойчивой пространственной периодической переполяризации образца.

Третья глава посвящена изучению взаимодействия акустических волн с периодическими доменными структурами и особенностям генерации акустических волн на таких структурах, облучаемых радиочастотными полями и лазерными пучками. Экспериментально исследовано отражение и преломление акустических волн на периодических доменных структурах и обсуждены физические процессы взаимодействия ультразвука с доменными структурами. Исследованы особенности генерации упругих колебаний при облучении модулированным лазерным пучком поверхностей монодоменных и содержащих доменные структуры образцов ниобата лития.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по поверхностным волнам и акустоэлектронике (Москва - С.Петербург, 1994), Международном конгрессе по ультразвуку (Берлин, 1995), VII Международном семинаре по физике, сегнетоэлекриков-полупроводников (Ростов на Дону, 1996), а также регулярно докладывались на научных конференциях Республики Татарстан по проблемам энергетики (Казань, 1995, 1996) и Казанского филиала МЭИ (1995, 1996, 1998).

Автор выражает благодарность Ильсафутдину Гимазовичу Замалееву, главному технологу Федерального научно-производственного центра «Радиоэлектроника», за предоставленные образцы монокристаллов ниобата лития, использовавшиеся при выполнении экспериментальных исследований.

I. Акустоэлектронные и фотоиндуцированные процессы

в ниобате лития

1.1. Основы акустоэлектроники

Акустоэлектроннка - граничная область между акустикой и электроникой, возникла в начале шестидесятых годов на стыке исследований по физической акустике твердого тела, физике полупроводников и радиофизике. Ее главной задачей была разработка принципов построения ультразвуковых устройств для преобразования, обработки и записи радиосигналов.

В первый период развития акустоэлектроники в устройствах преобразования сигналов использовались объемные акустические волны, которые возбуждались и детектировались с помощью пьезоэлектрических

о

преобразователей. До частот 10 Гц они выполнялись в виде тонких пластинок, а выше - до Ю10Гц использовались пленочные преобразователи. С учетом принципов массовой технологичности они были мало приемлемы и поэтому оставались только в виде лабораторных макетов. Качественный скачок в развитии акустоэлектроники произошел после успешной разработки достаточно эффективных способов возбуждения и приема поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектриках с помощью встречно-штыревых преобразователей [1]. В настоящее время частотный диапазон применения ПАВ простирается от мегагерц до нескольких гигагерц при комнатной температуре. Такие преимущества ПАВ как малая скорость распространения, концентрация акустической энергии вблизи поверхности, малое затухание ультразвука, возможность внешних воздействий на пучок ПАВ, интегральность исполнения, сделали применение ПАВ основой для большинства акустоэлектронных устройств. Элементы, содержащие преобразователи

ПАВ, применяют в качестве пассивных (линии задержки, фильтры), активных (генераторы, усилители) и нелинейных (конвольверы, элементы памяти) устройств акустоэлектроники.

С помощью акустоэлектронных устройств возможно выполнение таких операций над сигналами, как преобразование во времени (задержка сигналов, изменение длительности); частотные и фазовые преобразования (сдвиг фаз, умножение частоты); изменение амплитуды, а также более сложные функциональные преобразования (интегрирова�