2
Содержание
4
Введение
Развитие современной электроники опирается не только на достижения физики и технологии полупроводников, но и на привлечение различных по своей природе физических эффектов и функциональных материалов. Автоматизация производства подразумевает наличие разнообразных датчиков и исполнительных устройств, преобразующих воздействия различной природы в электрические (или оптические сигналы) и наоборот. Потребность в устройствах, функционирование которых основано на разнообразных физических явлениях, происходящих в конденсированных средах, привело к оформлению таких самостоятельных областей техники и научного знания, как акустоэлектроника, магнитоэлектроника, оптоэлектроника и т.п. Использование в качестве таких сред диэлектрических материалов в некоторых случаях позволяет обеспечить большую эффективность, а для некоторых типов устройств является единственно возможным. Так, генерация (а также управление и преобразование) светового излучения в коротковолновой видимой и ультрафиолетовой (УФ) области длин волн без значительных потерь требует применения материалов с высоким оптическим пропусканием в этих областях. Одно из наиболее оптимальных решений этой задачи - это применение диэлектриков с далёким коротковолновым краем фундаментального поглощения, т.е. с большой шириной запрещённой зоны. Для высокодобротных пьезоэлектрических резонаторов, пьезо- и пироэлектрических приёмников диэлектрики способны обеспечить высокую эффективность работы устройства.
В функциональной электронике диэлектрики широко используются в качестве активных элементов для мощных лазеров оптического диапазона (Ыб:У3А150|2, ТкАЬОз), нелинейнооптических сред для преобразования ближнего ИК, видимого и УФ излучения (КТЮР04, Р-ВаВ204, 1лВ305), магнитооптических сред для управления оптическим излучением
5
(кристаллические плёнки висмутовых феррит-гранатов, ТЬзСа$0|2, тербиевые и железомарганцевые оксидные магнитооптические стёкла), материалов для пьезоэлектрических резонаторов и преобразователей (кварц, иИЬОз, керамика ряда ЦТС) и т.д., причём доминирование в этом списке именно оксидных материалов неслучайно. Именно для неорганических оксидов характерно, как правило, сочетание высокой химической устойчивости и механической прочности, что существенно упрощает применение таких материалов на практике. Огромное разнообразие структур и свойств кристаллических оксидов и возможность получения устойчивых оксидных стёкол в весьма широких пределах составов обеспечивают большое поле для создания как монофазных, так и композитных диэлектрических материалов с желательным для различных применений сочетанием свойств. При этом даже для самых широко используемых материалов всегда имеются ограничения в применении, т.к. требования, предъявляемые к ним различны для различных типов устройств, а зачастую плохо сочетаемы (например, высокая акустооптическая и магнитооптическая эффективность соответствуют, как правило, большим акустическим и оптическим потерям соответственно).
Упомянутые выше материалы получили широкое распространение благодаря оптимальному сочетанию свойств и достаточному для обеспечения приемлемой стоимости уровню технологии получения, однако они не могут полностью удовлетворить меняющиеся потребности функциональной электроники. Так, наблюдающаяся в последнее время тенденция на использование коротковолнового видимого и УФ излучения в технологических устройствах и устройствах хранения информации требует сред, с помощью которых было бы возможно управление излучением этого диапазона. Другая активно развивающаяся область - получение композитных материалов, в которых возможно обретение или усиление полезных свойств с одновременным (по возможности) ослаблением отрицательных эффектов за счёт объединения разнородных материалов. Немаловажное значение в выборе того или иного
6
материала для широких применений имеет и стоимость его получения, а это означает, что задача по поиску более технологичных и дешёвых аналогов остаётся актуальной.
Поэтому понятен возросший в последнее время интерес исследователей к боратным материалам, край фундаментального поглощения в которых лежит, как правило, дальше в УФ области, чем в других оксидных соединениях, а многообразие составов и структур сравнимо с силикатами. Среди них есть и перспективные пьезоэлектрики (1л2В407) и эффективные люминофоры (УВОз:Ьп), а также лазерные и эффективные нелинейнооптические материалы (УА1з(ВОз)4:Ш, Са4УО(ВОз)з:Ьп, р-ВаВ204, В1ВзОб), которые либо уже широко применяются на практике, либо активно исследуются. Наличие широких областей стеклообразования в боратных системах делает возможным получение разнообразных стёкол, которые в некоторых случаях, отвечают по составу стехиометрическому соотношению компонентов для кристаллов (например, 1л2В407, ив305, 8гВ407 и др.). Такое сочетание даёт возможность получения композитных стеклокристаллических материалов (ситаллов) с преимущественным содержанием требуемой кристаллической фазы. Активно исследуются и магнитооптические среды на основе боратных стёкол с редкоземельными элементами, но существующие исследования крайне редко затрагивают область длин волн света короче 400 нм.
Для акустооптических устройств на сегодняшний день существует большое количество весьма эффективных материалов среди оксидных и сульфидных кристаллов и стёкол, но область их прозрачности лежит в основном в инфракрасном и длинноволновом видимом диапазоне длин волн. Освоение более коротковолнового диапазона здесь ограничивается трудно сочетаемыми требованиями к материалу (наличие большого показателя преломления и высокой прозрачности в коротковолновом и тем боле УФ диапазоне). С этой точки зрения внимание привлекает тетраборат свинца, кристаллы которого обладают относительно высокими показателями
7
преломления (-2 на 350 нм) и прозрачны до 250 нм. Акустооптические свойства этих кристаллов ранее не изучались.
Цели и задачи работы
Основной целыо работы был поиск и разработка новых материалов для таких областей функциональной электроники, как акустоэлектроника, акустооптика, магнитооптика, генерация и нелинейнооптическое
преобразование оптического излучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие общие задачи:
• На основе известных критериев эффективности применения материалов в функциональных устройствах выбрать ряд перспективных объектов для исследования.
• Получить намеченные материалы, с помощью известных или
адаптированных к конкретному случаю методов.
• Исследовать физические свойства, определяющие перспективность
применения полученных материалов в той или иной области.
Анализ литературы и имеющийся задел позволили выделить группу
объектов исследования и сформулировать более конкретные задачи работы.
1. Получение ряда оксидных и оксигалогенидных стёкол с
высокополяризуемыми ионами и исследование их акустооптических характеристик.
2. Получение кристалла тетрабората свинца РЬВ407, изучение его акустических и акустооптических характеристик.
3. Получение пьезоситалла тетрабората лития и2В407 и исследование его пьезоэлектрических характеристик.
4. Получение монокристалла тетрабората стронция 8гВ407, исследование его акустических, пьезоэлектрических и нелинейнооптических характеристик.
5. Получение боратных стёкол с ионами РЗЭ: Рг3\ Се3+, Еи2+и исследование их магнитооптических характеристик.
8
6. Получение монокристалла тетрабората стронция 8гВ407:Еи2ь и исследование его магнитооптических характеристик.
7. Получение легированных монокристаллов тетрабората стронция 8гВ407:Ыс13* и 8гВ407:8т3+ и исследование их спектральных характеристик.
Научпан новизна
Автором впервые получены такие материалы, как акустооптические оксигалогенидныс свинцовые стёкла и монокристаллы тетрабората стронция, легированные трехвалентными РЗЭ (Ыс13ь и 8т3*). Для многих материалов впервые получены их физические характеристики: акустооптические
параметры оксидных, оксигалогенидных стёкол и кристаллов тетрабората свинца; пьезоэлектрические, акустические и нелинейнооптические характеристики кристаллов тетрабората стронция, магнитооптические характеристики в ультрафиолетовой области спектра литиевоборатных стёкол с высокой концентрацией ионов Рг3+, Се3\ Еи2+ и кристаллов 8гВ407:Еи2ь.
Научная и практическая значимость
В результате проделанной работы удалось наметить и получить ряд материалов со свойствами, которые делают их перспективными для применения в устройствах функциональной электроники. Были уточнены или впервые измерены физические параметры для известных и впервые полученных материалов. Это даёт возможность увеличить количество используемых материалов, а в ряде случаев расширить диапазон применения конкретных функциональных устройств. На материалы, полученные в ходе выполнения работы, получено пять патентов России.
Результаты работы, помимо применений практически-справочного характера могут внести вклад в решение общих вопросов физики конденсированного состояния и материаловедения. Так, высокие значения фотоупругих коэффициентов в оксигалогенидных стёклах, как в
9
кристаллических галогенидах свинца, могут помочь выяснению структурной роли галогенов в таких стёклах, а наличие необычно высоких значений скоростей звука в кристаллах со структурой тетрабората стронция (для веществ с такими температурами плавления) поможет проследить влияние особенностей структуры на упругие свойства материала.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были представлены и обсуждались на различных всероссийских и международных конференциях:
• The 8-th European Meeting on Ferroelectricity. 4-8 July, Nijmegen, The Netherlands (1995);
• Symposium and Summer School on: Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities. 10-13 September, Moskow, Russia (2002);
• XV1H International School-Seminar. 24-28 June, Moskow, Russia (2002);
• Moscow International Symposium on Magnetism. 20-24 June, Moscow, Russia (2002);
• Международный семинар «Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» 10-14 сентября, Астрахань, Россия (2003);
• Il-Байкальская международная конференция «Маг нитные материалы» 19-22 сентября, Иркутск, Россия (2003);
• Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2004, 13-17 сентября, Иркутск, Россия (2004);
• XII Int. Conf. on Laser Opics, Technical Program, St. Peterburg, Russia (2006). По результатам работы было опубликовано 12 статей, получено 5 патентов
России.
10
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 138 страниц, включая 24 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 91 наименования.
Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 99-02-17375 и 02-02-16428), Красноярского краевого фонда науки (2Р0055), Гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (гранты НШ 939.2003.2 и Н111-4137-2006.2) и в рамках программы ОФН РАН «Новые материалы и структуры» (проект 2.6.1).
Глава 1. Пьезоэлектрический, акустооптнческий и магнитооптический эффекты, критерии эффективности и материалы, применяемые в устройствах функциональной электроники
1.1 Пьезоэлектрический эффект и пьезоматериалы
а) Физическое описание пьезоэффекта и критерии эффективности
применяемых пьезоматериалов
Под влиянием приложенных сил твердые тела деформируются с изменением объема и формы. Для математического анализа деформаций тела рассмотрим определенную точку тела с радиус-вектором ?(Х|,Х2,Хз) в определенной (кристаллофизической) системе координат. После деформации точка изменяет свое местоположение и определяется уже другим радиус-вектором - ^(х'ьх^х'з). Смещение точки из положения равновесия задается вектором смещения и (11|,112,из):
Вектор и полностью определяет деформацию системы, но для удобства используется тензор малых деформаций е$, который является симметричной частью тензора дисторсии Уу.
Диагональные элементы этой матрицы соответствуют относительным изменениям размеров тела в направлении координатных осей, другие компоненты определяют деформации сдвига.
При деформации тело выводится из первоначального состояния равновесия, при этом возникают силы, называемые внутренними напряжениями и стремящиеся вернуть тело к начальным условиям. По своей природе эти силы
и =х -х
(1.1.1)
(Ы.2)
(1.1.3)
- Київ+380960830922