Управляемый пьезометаматериал на основе индуцированного пьезоэффекта в сегнетоэлектриках титаната бария-стронция

• Автор: Пащенко, Владимир Петрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 111 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Фононные кристаллы на поверхностных акустических волнах. Периодические доменные структуры в сегнетоэлектриках. Свойства сегнетоэлектриков. Тонкопленочные акустоэлектронные приборы (обзор)
1.1 Фононные кристаллы на поверхностных акустических волнах
1.2 Перестраиваемые фононные кристаллы
1.3 Периодические доменные структуры в сегнетоэлектрических монокристаллах.
1.4 Акустоэлектронные устройства на основе слоистых структур
1.4.1 Поверхностные акустические волны в слоистых структурах
1.4.2 Технология получения тонких пленок
1.5. Индуцированный пьезоэффект в параэлектриках
1.5.1 Свойства сегнетоэлектрических пленок
1.5.2 Методики измерений характеристик сегнетоэлектрических свойств
Выводы к главе
ГЛАВА 2. Математическая модель распространения упругих волн в управляемом пьезометаматериале
2.1 Упругие волны в слоистых средах
2.1.1 Зависимость АЧХ пьезометаматериала от управляющего напряжения
2.2 Распространение упругих волн в электромагнитоупругой среде в присутствии электрического поля
2.2.1 Распространение волн в двух полупространствах с различными пьезоэлектрическими свойствами
2.3 Распространение акустоэлектрических волн в пьезоэлектрических слоях с периодически изменяющимися свойствами
2.4 Конечно-элементное моделирование пьезометаматериала
2.4.1 Моделирование и численное исследование характеристик слоистой структуры
2.4.2 Моделирование распространения и взаимодействия поверхностных акустических волн в периодической структуре
2.4.3 Оценка влияния краевых эффектов на дисперсионные характеристики метаматериала
Выводы к главе
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование свойств сегнетоэлектрических пленок
3 Л Изготовление экспериментальных образцов тонких пленок титаната бария-стронция на диэлектрической подложке
ЗЛ Л Кристаллографические свойства пленок титаната стронция на диэлектрической подложке
3.2 Экспериментальное измерение диэлектрических характеристик сегнетоэлектрических пленок титаната бария-стронция на диэлектрической подложке
3.3 Методика определения электроупругих свойств сегнетоэлектрических пленок.
3.3.1 Определение диэлектрических свойств сегнетоэлектрической пленки
3.3.2 Расчет упругих и пьезоэлектрических модулей пленки ВаазвгоУПОз по конечно-элементной модели
Выводы к главе
ГЛАВА 4. Исследование возможности использования управляемого пьезометаматериала в перестраиваемых фильтрах на поверхностных акустических волнах
4.1 Выбор конструкции полосно-пропускающего фильтра на ПАВ
4.2 Расчет и оптимизация параметров ПАВ фильтра
4.3 Результаты расчета
Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие значительно возросло количество работ, посвященных исследованиям метаматериалов - материалов, свойства которых определяются не свойствами элементов, из которых они состоят, а свойствами искусственной периодической структуры. К метаматериалам относятся фотонные и фононные кристаллы. Потенциальное практическое применение фононных кристаллов рассматривается в качестве устройств акустоэлектроники, оптоэлектроники и других областей электронной техники. Фононный кристалл, или акустический метаматериал, представляет собой структуру, состоящую из чередующихся в пространстве периодических неоднородностей, отличающихся упругими или пьезоэлектрическими свойствами [1]. По аналогии с полупроводниками, фононные кристаллы имеют запрещенные зоны и зоны пропускания для упругих волн [2 - 4]. Наиболее очевидное применение фононных кристаллов в акустоэлектронике - использование их в качестве полосовых фильтров, где в настоящее время в диапазоне частот до 2 ГГц применяются акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Применение метаматериалов позволит существенно улучшить характеристики акустоэлектронных устройств, а также разработать качественно новые приборы.
Периодические структуры фононных кристаллов формируют с помощью следующих технологических процессов:
•травление канавок или отверстий различных конфигураций;
•выращивание структур в виде столбиков, многогранников и т. п.;
•напыление многослойных структур - сверхрешеток.
Периодические структуры акустических метаматериалов имеют характеристические размеры порядка длины упругой волны, что связано со значительными технологическими трудностями, возрастающими с ростом частоты (т. к. уменьшается длина волны). Разработка акустоэлектронных приборов на основе метаматериалов на частоты свыше 3 ГГц с использованием технологических процессов, позволяю-

сти акустических волн. Немаловажным параметром является толщина пьезоэлектрической пленки, от которой зависят скорость ПАВ в слоистой структуре и коэффициент электромеханической связи. На рисунках 1.20 и 1.21 приведены графики зависимости скорости ПАВ и коэффициента электромеханической связи от толщины пленки в структуре АГМ(002)/ поликристаллический алмаз [47].
Thickness / Wavelengüi | - ]
Рисунок 1.20. Зависимость скорости ПАВ от толщины слояАШ
Thickness / Wavetength І - ]
Рисунок 1.21. Зависимость коэффициента электромеханической связи от
толщины слоя AIN
Слоистые структуры могут послужить основой для создания управляемого метаматериала на ПАВ. Только вместо пьезоэлектрической пленки на подложку следует наносить сегнетоэлектрическую пленку из материала титаната бария стронция, в котором при приложении внешнего электрического поля заметно проявляется ин-