Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика конденсированного состояния

Диссертационная работа:

Шевяхов Николай Сергеевич. Отражение, рассеяние и преобразование акустических волн движением границ в активных кристаллах : Дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 01.04.07 : Москва, 2003 396 c. РГБ ОД, 71:04-1/131-7

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1 Акустоэлектронные эффекты отражения акустических волн 33

  1. SH-волны в дьезополупроводнике с дрейфом при произвольной уровне связности мод 33

  2. Граничная задача отражения SH-волны контактом пьезо- и пъеэополу-провсднихов класса 6 (4, 6mm, 4mm) 43

  3. Акустоэлектронное взаимодействие при отражении SH-волны границей льезоэлектрих -лолулрсдаодиик с дрейфом 51

  1. Структура пьеэоэлектрик-эаэор-полупроводник 54

  2. Отражение SH-волн контактом льезоэлектрих -полупроводник . 61

  3. Элехтровдуксваяобъемно-повіфооюстваяволна. ......... 69

1.4 Отражение SH-волны границей диэлектрик -пьеэополупроводник ... 80

2 Рассеяние SH-волн включениями в пьезоэлектрических кристаллах 93

2.1 Решение граничной задачи рассеяния SH-волны дьезололуправоднихо-

вым цилиндром с азимутальным током дрейфа 93

2.1.1 Цилиндрические SH-волны в пьезополуцроводнике с током дрейфа 94 2Л.2 Сопряжение полей на цилиндрической границе пьеэополупро-

водникас азимутальным током дрейфа 98

2.1.3 Формулировка и построение решения граничной задачи 103

  1. Влияние продольного льезоэффекта на рассеяние SH-волны цилиндрической полостью 108

  2. Дифракционный вклад электрозвуковых волн в рассеяние на высоких частотах 117

  3. Рассеяние SH-воли полостями при специальных видах пьезоактивности 124 2.4.1 Рассеяние полостью в среде с индуцированным пьеэоэффектом . 125

2.4.2 Влияние поперечной пьеэоахтнвностн на акустическое рассея
ние волн полостью 128

2.5 Влияние азимутального дрейфа в полупроводниковом цилиндре на рас
сеяние SH-волн 132

  1. Изменение амплитудных коэффициентов парциальных волн под влиянием проводимости и дрейфа 133

  2. Интегральные показатели рассеяния SH-волны полупроводниковым цилиндром с током дрейфа 140

  1. Резонансное усиление при рассеянии SH-волн 156

  2. Рассеяние SH-волны полым пьезоэлектрическим цилиндром 164

  1. Формулировка и решение граничной задачи 164

  2. Спектральные особенмости рассеяния SH-волн полым пьезоэлектрическим цилиндром 168

2.8 Эффекты запаздывания пьезополярнзацнонных электрических полей . . 176

  1. Электродинамическая поправка к сечению рассеяния SH-волны полостью в пьеэоэлектрике 177

  2. Предельная добротность пъезокристаллических резонаторов. . . 184

3 Отражение и рассеяние SH-волн в ферромагнитных кристаллах 190

  1. Исходные уравнения магннтоакустнкн ферромагнетиков для SH-волн (распространение ортогонально статическому полю) 191

  2. Решение френелевской задачи отражения SH-волн акустическим контактом ферромагнетиков 201

  3. Анализ отражения SH-волн границами ферромагнитных кристаллов. . 205

  4. Решение граничной задачи рассеяния SH-волны инородным ферромагнитным цилиндром 215

  5. Рассеяние SH-волны цилиндрической полостью ферромагнетика .... 221

  1. Неваэанмность рассеяния SH-волн полостью ферромагнетика . . 222

  2. Спектр сечения рассеяния SH-волны полостью ферромагнетика 228

3.6 Ферромагнитное рассеяние SH-волн 234

4 Аномальный эффект Госа-Хенхея 244

  1. Диссипативиая форма отрицательного смещения ограниченных лучков акустических воли 245

  2. Аномальный эффект Госа-Хенхеи в активных кристаллах 252

  3. Эффект Госа-Хенхен для лучков изгибных волн в тонких пластинах . 261

#

4.4 Общие условия и эвристические признаки существования бездиссила-

тивной формы аномального эффекта Госа-Хенхен 268

5 Взаимодействие SH-волн с движущимися межфазнымн границами 278

5.1 Рефракция SH-волн движущимися доменными границами сегиетоэлек-
триков 280

  1. Отражение SH-волны одиночной движущейся доменной границей 280

  2. Взаимодействие SH-волн с движущимся полосовым доменом . . 287

  3. Механическая аналогия ахустоормеяного взаимодействия .... 291

5.2 Взаимодействие SH-волн с движущейся блоховсхой стенкой 296

  1. Решение граничной задачи рефракции SH-волны движущейся блоховсхой стенкой 296

  2. Угловые спектры отражения к двойного прохождения SH-волны движущейся блоховской стенки 305

  3. Виртуальный резонанс в пределе прекращения взаимодействия водны с удаляющейся границей 330

  1. Оценка резонансного вклада магнитной нелинейности ферромагнетика в акустодоменное взаимодействие SH-волны с движущейся доменной границей 314

  2. Электрозвуковые поверхностные волны на движущихся доменных границах 322

  1. Электрозвуковые поверхностные волны на одиночной, движущейся 180-градусной ДГ 322

  2. Электрозвуковая поверхностная волна, удерживаемая движущимся полосовым доменом 328

  1. Сдвиговая поверхностная волна на движущейся блоховской стенке ферромагнетика . 337

  2. Вытекающая поверхностная волна Стоунли на движущемся скачке акустических лараметров твердого тела 350

Заключение 357

Библиография 364

Введение к работе:

Последние десятилетия XX века ознаменовались значительным интересом к акустическим явлениям в активных средах-кристаллах, допускающих взаимодействие мод различной физическом природы с колебаниями решетки. Этому способствовало открытие эффективных способов генерации ультра- и гиперзвуковых волн электрическими [1,2] или магнитными полями [3-5]. Другим существенным обстоятельством явилась та обширная сфера приложений, которую, ввиду совместимости с пленарной технологией микроэлектроники, нашли ПАВ для обработки сигнальной информации [6-12] и которая продолжает расширяться за счет использования в указанных целях магнитоупругих и магнитостатических поверхностных волн [13-16].

В исследованиях акустических воли в активных средах заметное место принадлежит российским ученым. Особую роль для понимания специфики протекания волновых процессов в ограниченных образцах активних кристаллов сыграла работа [17] (см. также [Щ). Она показала, что при запрете на изменение типа акустической волны активность среды, приводящая к граничному сцеплению мод различной физической природы, обуславливает качественно новые особенности поведения волн в ограниченных образцах.

Применительно к пьезоэдектрикам данная точка зрения наиболее последовательно отражена в монографии [19] и, фактически, подтверждена ходом развития акустоэлектроники и СВЧ-магнитоакустики твердого тела. Так, следом и со ссылкой на работы [17,18] аналог электрозвуковых поверхностных воли был предсказан Па-рехом [20] для другого класса активных сред-ферромагнетиков, в [21, 22] показаны нетривиальные нмпедансные свойства границы пьеэокристалл- вакуум при отражении наклонно падающих акустических воли, а в [23] и [24] изучено туннелирование акустических волн через вакуумный зазор льеэоалектрмков.

Поиск новых закономерностей распространения волн в ограниченных активных кристаллах при сохранении типа поляризации акустической волной оказался весьма плодотворным, поскольку в таких условиях граничное сцепление мод различной фи-

зической природы проявляется в активных кристаллах в чистом виде, не маскируясь эффектами акустической трансформацией волн на границах. Последние хорошо известны и достаточно полно описаны, например, в [25].

В диссертация, посвященной в основном теоретическому анализу процессов отражения/рассеяния объемных акустических волн в активных кристаллах и затрагивающей вопросы физики ПАВ только по необходимости, данная идея также взята на вооружение. По этой причине в большинстве рассмотренных двухмерных задач в качестве * рабочего типа* волны, сохраняющей свои отличительные признаки после взаимодействия с границей, выбирались (при соответствующей установке кристалла) сдвиговые волны горизонтальной (в общепринятом сокращении SH -) поляризации. Однако там, где допускалось обобщение на общеволновом уровне, рассматривались и другие виды волн, включая волны иной физической природы. В пользу такого отбора свидетельствует то обстоятельство, что попутно в случае SH-волн почти всегда удается избавиться от необходимости учета акустической анизотропии кристалла, обычно серьезно осложняющей изучение соответствующих проблем.

Отражение и рассеяние акустических волн в активных кристаллах рассматривалось, главным образом, в русле общих исследований ПАВ [26]. При этом роль активности среды нередко (случай ПАВ Рэлея и Стоунли) отодвигалась на второй план [27-29], а сами решения ввиду сложности получались приближенными методами [30-34]. С целью достижения точных (эталонных) результатов, оценка вклада активности кристалла в отражение/рассеяние акустических волн намеренно выполнялась в диссертации только для условий объемного распространения. Несмотря на известный "академизм1*, указанный подкласс задач представляет как научный, так и практический интерес

Действительно, конечность размеров реальных кристаллов почти всегда приводит к отражению волн на внешних границах образцов. Наличие же неоднороднос-тей и дефектов является причиной виутриобьемного рассеяния акустических волн [35-40]. Выявление специфики отражения и рассеяния акустических волн в активных кристаллах важно, поэтому, для интерпретации данных эксперимента и совершенствования методов акустической спектроскопии активных сред [41, 42]. Вообще следует признать, что отражение объемных акустических волн границами и неод-нородностями активных кристаллов не столь уж редко встречается в экспериментальной практике применительно к общим условиям наклонного падения [23, 43, 44]. Более того, иногда объемные волны способны конкурировать с ПАВ и по части приложений для обработки сигнальной информации благодаря, как раз, специфике их отражения границами [45].

Сферой интересов физики конденсированного состояния традиционно является динамика ДГ и межфазных границ, объясняющая многие особенности поведения активных кристаллов при внешних воздействиях. Важная роль в исследовании полидоменных кристаллов по праву принадлежит акустическим методам [42, 44], В этой связи теоретическое освещение получили многие аспекты проблемы распространения акустических волн в кристаллах с ДГ и межфазными границами. Основное внимание, однако, уделялось статичным полидоменным структурам.

В неравновесных условиях ДГ и межфазные границы кристаллов способны к высокоскоростному перемещению, которое можно вызывать внешним воздействием. О учетом тенденции получать кристаллы с хорошо воспроизводимой я регулируемой доменной структурой актуально изучение акустических эффектов в кристаллах с движущимися ДГ. Имеются основания полагать, что решение этих вопросов, изученных недостаточно, позволит не только развить методы акусто-спектроскопии гетерофазных лолидоменных сред, но и создать новые измерительные приборы и устройства обработки информации. В диссертации, поэтому, наряду с отражением' и рассеянием рассмотрено рефракционное взаимодействие монохроматических акустических волн с равномерно движущимися ДГ и изучена возможность удержания ими поверхностных (граничных) акустических воля.

Данный класс задач не охватывает всего многообразия ситуаций, которые возникают при распространении акустических воли в кристаллах с меняющейся доменной структурой. Более того, даже в очерченных рамках затронутая проблема слишком обширна. Для ее рационального ограничения принят ряд условий. Во-первых, всегда выбираются устанавливаемые динамикой ДГ режимы устойчивого движения, не меняющиеся под влиянием акустических волн. Во-вторых, рассматривается весьма ограниченное число типов межфазных границ (в основном это 180-градусные ДГ) и за редким исключением анализируются случаи изолированных ДГ в безграничных кристаллах. В-третьих, принимаемый диапазон частот так ограничен сверху, что игнорируется активация внутригранячвых мод колебаний Д Г н межфаэных границ [46, 47, 48] под действием звука или вследствие перемещения, а сами границы полагаются геометрически тонкими.

Активными по отношению к акустическим волнам в твердотельной электронике считают пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические и магяитоулорядоченные кристаллы [13, 49, 50, 51, 52]. К ним же относят электрострикционные материалы в поляризующих полях (индуцированный льезоэффект [53, 54]), некоторые полимеры [55] и материалы органического происхождения [56, 57]. Отдельные кристаллы сочетают несколько видов активности или же проявляют ее в комплексе с дру-

гимн важными для электроники свойствами. Так кристаллы CdS, ZnO-типичные льезололулроводннки, феррит галлия и кристаллы Fei_*S, Gds-aSe* наряду с маг-нитострикцией обладают пьеэосвойствами [57, 58], BiPeO^, YMn03, BaMnF4 проявляют как магнитное, так м электрическое упорядочивание [59, 60], SbSI, ІлТаОз и легированный няобат лития-сегнетоэлектрические фотс4юлуяроводнякя [61], а CdC^Se* —магнитный полупроводник. Известны также антиферромагнитные сверхпроводники [62] и антиферромагнетики MnF2, CoF2, которые дополнительно к маг-яитострикции демонстрируют механизм спин - фоноиной связи аналогичный льеэо-эффехту [16, 63, 64].

Такое многообразие свойств исключает универсальность описания акустических эффектов. В диссертация набор активных сред ограничен, поэтому, узким кругом материалов, которые хорошо изучены и широко используются на практике. Среди пьезо- и сегнетоэлектриков -это кристаллы гексагональной и тетрагональной систем классов 6, 6mm, 4, 4mm, например, CdS, ZnO, ІіЮ3, ВаТіОз и др. К этой же группе принадлежат многочисленные пьезокерамикн класса симметрия com. Из магни-тоулорядоченных кристаллов выбраны только кубические ферромагнетики, причем основное внимание уделено семейству феррогранатов. Дополнительным стимулом к указанному подбору материалов послужила одинаковая математическая структура систем связанных уравиеняй электро- я магнитоупругях полей SH-воли в избранных плоскостях кристаллогроафической симметрии с вытекающей возможностью единообразного описания акустических эффектов, что облегчает проведение необходимых сопоставлений.

В задачу исследования входило -определение комбинированного вклада пьеэоэффекта, проводимости я дрейфа на отражение монохроматических акустических волн от границ пьеэололулроводвиков или пьеэоэлектриков, 1>раяичащих с полупроводниками;

-оценка влияния пьеэоэффекта я акустоэлектронного взаимодействия при токе дрейфа на рассеяние акустических волн в пьезоэдектряках я т>езополулроводниках; -описание отражения и рассеянии мсвюхроматхчесзшх волн в ферромагнетиках в условиях резонансного отклика спиновой подсистемы;

-определение особенностей отражения ограниченных пучков акустических волн, вносимых пьеэоэффектом и м&гиитоупругим взаимодействием;

-изучение доплеровских аберрационных эффектов при взаимодействии монохроматических акустических волн с движущимися 180-градусными ДГ в сегнетоэлектри-ках/ферромагнетиках и анализ возможности удержания ПАВ движущимися ДГ и межфазными границами кристаллов.

Соответственно материал диссертации распределился по 5 Главам, дополненных Введением, Заключением и списком литературы из 420 наименований. Диссертация содержит 396 страниц, включая 104 рисунка, которые в отличие от формул имеют сквозную нумерацию.

Основное содержание диссертации опубликовано в 48 работах. В случае автоссылок в тексте диссертации номера работ выделены жирным шрифтом.

Формулировка исследовательских задач во многом предопределилась состоянием проблемы на начало выполнения работ, составивших диссертацию. В первой половине 70-ых годов остро стоял вопрос об определении комбинированного вклада льезоэффекта, проводимости и дрейфа в отражение акустических волн от границ лье-зополупроводниковых кристаллов или пьезоэлектриков, граничащих с полупровод-никми. Поводом для соответствующего обобщения теории отражения SH-волн пье-зоэлектриками [21,22] на случаи пьезололупроводииков или пьезоэлектриков, граничащих с полупроводниками, предпринятого в рамках стандартного малосигнального акустоэлектронного взаимодействия в пьезополупроводниках [65], послужила установленная Л.М.Лямшевым теоретически [66, 67] и обнаруженная экспериментально [68, 69] возможность значительного усиления (ослабления) ультразвуковых волн при отражении льезололулроводннховымн пластинами в жидкости.

Согласно [66]- [69] эффективное управление отражением ультразвуковых волн дрейфом носителей заряда имеет место в условиях резонансного возбуждения какой-либо собственной моды колебаний пьезололупроводяиковой пластины падающей волной. Пьезоэффект и проводимость пластины выступают при этом в роли вторичных факторов, слабо влияющих на ее спектр мод. В случае отражения SH-волны полубесконечным (толстым в масштабе длины волны) льезополупроводником или полупроводником в контакте с пьеэоэлектриком акустический резонанс, как известно [25], в чистом виде невозможен: рефракционное акустоэлектронное взаимодействие уже в одинаковой мере определится как акустическими, так пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами материала. Логика исследования вынудила поэтому отказаться от обычного [65, 66, 67] ограничения низкой величиной коэффициента электромеханической связи. Соответственно решение рефракционных задач в Главе 1 потребовалось предварить количественным анализом спектра мод пьезополупровод-ника, и прежде всего плазменной моды [70, 71], рассматривавшихся ранее [72-77] только при низкой связности колебаний.

Рефракционное акустоэлектронное взаимодействие обсуждается в Главе 1 на основе решения граничной задачи отражения монохроматической SH-волны плоским акустическим контактом пьеэоэлектрика класса 6(6mm,4mm,oom) с инородным пье-

эополупроводником класса 6(6mm). Как частные случаи оно заключает все типичные ситуации, заслуживающие внимания: пьезоэлектрик-полупроводник при наличии предельно тонкого зазора, жестко сцепленные без проскальзывания пьезоэлектрик-полупроводник, а также акустически контактные непьезоэлектрнческмн диэлектрик - льезополулроводник. При специальных ограничениях это же решение позволяет обсудить рефракционные свойства таких неоднородностей, как тонкая 180-градусная ДГ сегнетоелектрика [78].

Наиболее простои случаи неконтактных пьеэоэлектрикас полупроводником [79] показал возможность только слабого (нереэояансиого) усиления/ослабления отраженной границей льезоэлектрика SH-волны током дрейфа носителей заряда в полупроводнике за счет группировки последних в сгустки под действием проникающих в полупроводник приграничных пьеэополяризационных колебаний [19]. Однако удобная экспериментально, эта схема рефракции привлекла наибольшее внимание. Теория явления получила распространение на пьезоэлектрики других классов симметрии и волны с вертикальной поляризацией [80- 82], экспериментально была установлена аналогичная возможность эффективного приграничного акустоэлектронно-го взаимодействия в пьеэололупроводниках [43, 83, 84], рассматривался практически важный случай конечного вакуумного зазора между льезоэлехтрихом и полупроводником [19,45]. Интересным оказалось выдвинутое я обоснованное в [85,86] предложение использовать для осуществления акустоэлектронного взаимодействия в условиях аналогичных нормальному падению периодически неровную поверхность пьеэокрис-талла.

Важным шагом явилось сообщенное в [87] прямое экспериментальное наблюдение акустоэлектронного усиления отраженной ультразвуковой волны в слоистой структуре пьезоэлектрик-зазор-полупроводник с током. Вместе с указанной в [45] перспективностью приложений данного эффекта для разработки устройств типа свертки я исследованиями [88,89], работа [87] стимулировала интерес ж нелинейным проявлениям рефракционного ахустоэдехтронного взаимодействия [90-92].

Случай монолитных структур пьезоэлектрик -полупроводник я диэлектрик-пьезополупроводник оказался более сложным. Для первой из них не предполагалось резонансного акустоэлектронного взаимодействия [19], но оно было установлено [93],[94] и объяснено существованием особой генерационной моды колебаний контакта- объемно-поверхностной электрозвуковом волны [95—98]. Для второй, напротив, предсказанное в [99, 100], а затем обсуждавшееся в [94, 101 -104] резонансное усиление при "закрятичесхом* отражении описывалось дефектным из-за разрыва угловой зависимости коэффициента отражения решением. При этом высветилась вообще

характерная для любых отражающих падающую волну неравновесных усиливающих сред, будь-то токовая плазма пьеэополупроводника, инвертированная оптическая среда [105, 106], гидродинамическое течение с тангенциальным разрывом скорости [107, 108] или неравновесный колебательно-возбужденный газ [109], проблема неоднозначности решения при "захритическом отражении*.

Суть ее в том, что сложившиеся на причинной основе и обычном требовании ограниченности решения критерии отбора ветвей приспособлены только к условиям равновесной, неусиливающей среды. Автоматический их перенос на случай неравновесного, усиливающего материала послужил первопричиной затруднений, возникших в работах [94,101-104] при построении решения и интерпретации результатов. Естественно, не могли увенчаться успехом попытки исправить дефекты решения изменением модели (учет поверхностного изгиба зон пьеэополупроводника, введение переходного слоя и пр.) без пересмотра представлений о "критическом отражении". Не прояснил ситуацию я тезис о неадекватности моночастотного описания волновых полей в условиях "полного отражения" усиливающей средой для выражения причинно-следственных связей [110, 111], поскольку правомерность постановки задачи отражения монохроматической волны усиливающей средой автоматически обеспечивается конвективной неустойчивостью волн [106], типичной для усиливающих материалов.

Приемлемая рекомендация по устранению разрыва в окрестности "критического" угла падения была выработана в [112] исходя из пересмотра понятия "критического" отражения для усиливающей среды на основе установленной бифуркации фазовых траекторий характеристического коэффициента* преломленной" в льеэояолулро-водник SH-волны в условиях критического сверхзвукового дрейфа. Там же показано, что решение с устраненным разрывом описывает нерезонансное ахустоэлектронное взаимодействие при отражении SH-волны. Материалы работ {70, 71, 79, 93, 95 — 98, 112] составили основное содержание Главы 1.

Подобные работы
Залесский Андрей Владимирович
ЯМР спектроскопия доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах
Московский Сергей Борисович
Проявление пространственной дисперсии в амплитудно-фазовых экситонных спектрах отражения и пропускания кристаллов CdSe, ZnSe и Cu2O
Галиярова Нина Михайловна
Диэлектрическая спектроскопия сегнетоэлектриков, фрактальность и механизмы движения доменных и межфазных границ
Гаджиев Гаджи Магомедрасулович
Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)
Поликарпова Наталия Вячеславовна
Распространение и отражение объемных упругих волн в акустооптических кристаллах
Асадчиков Виктор Евгеньевич
Рентгенооптические методы - полное внешнее отражение с учетом рассеяния и микроскопия - в анализе границ раздела конденсированных фаз
Лубенченко Александр Владимирович
Теория отражения излучения средами с анизотропным законом рассеяния на основе принципов инвариантности
Аппанов Александр Юрьевич
Итерационный метод усовершенствования диффузионного приближения путем учета рассеяния конечной кратности в задаче об отражении лазерного пучка случайно-неоднородной средой
Богдашов Александр Александрович
Высокоэффективное преобразование волн в электродинамических системах гиротронов
Кузнецова Ирен Евгеньевна
Особенности распространения, отражения и преобразования акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и структурах

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net