Поверхностные акустические волны в поликристаллических сегнетоэлектриках

СОДЕРЖАНИЕ
СТР.
ВВЕДЕНИЕ. 5
ГЛАВА 1. УПРУГИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ. 12
1.1. Упругие волны в пьезоэлектрических кристаллах. 13
1.1.1. Уравнения распространения. Тензор Кристоффеля. 13
1.1.2. Упругие волны в неограниченном пьезоэлектрическом кристалле. 14
1.1.3. Распространение волн вдоль направлений связанных с элементами 15 симметрии.
1.2. Поверхностные акустические волны. 18
1.2.1. Изотропные подложки. 22
1.2.2. Анизотропная среда. 26
1.2.3. Поверхностные акустические волны в пьезоэлектриках 28
1.2.4. Учет симметрии. 28
1.2.5. Волна Гуляева-Блюстейна. 30
1.3. Псевдоповерхностные волны. 32
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 39
2.1. Методы изготовления и исследования экспериментальных образцов. 39
2.1.1. Изготовление элементов для измерения электрофизических пара- 39 метров пьезокерамики.
2.1.2. Изготовление пьезокерамических подложек для измерения пара- 40 метров рапространения ПАВ в пьезокерамике.
2.1.3. Исследование микроструктуры и качества обработки поверхности 42 подложек.
2.2. Методы определения электрофизических параметров СПК. 43
2.3. Методы измерения скорости распространения и коэффициента затуха- 51 ния ультразвуковых колебаний
2.3.1. Измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний 51
2.3.2. Измерение коэффициента затухания ультразвуковых колебаний. 52
2.4. Параметры характеризующие распространение ПАВ и методы их из- 54 мерения.
2.4.1. Параметры характеризующие распространение ПАВ. 54
2.4.2. Измерение скорости, потерь при распространении, коэффициента 59 электромеханической связи и температурного коэффициента времени задержки.
2.4.3. Методы измерения параметров ПАВ под действием электрического 64
ПОЛЯ.
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЕ РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ РАСПРОСТРАНЕ- 65 НИЯ ПАВ В ПЬЕЗОКЕРАМИКЕ. ПСЕВДОПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ.
3.1. Постановка задачи 65
3.2. Состав, структура и параметры исследованных СПК. 67
3.3. Результаты численных расчетов и измерения параметров ПАВ в СПК 69 системы ЦТС. Псевдоповерхностные волны.
3.3.1. Семейство плоскостей (0,0,90). 69
3.3.2. Семейство плоскостей (0,0.0). 74
3.3.3. Плоскость симметрии (90,90,40- 79
3.4. Заключительные замечания 83 ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА ПАРАМЕТРЫ 85 РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПАВ В СЕГНЕТОПЬЕЗОКЕРАМИКЕ.
4.1. Система ЦТС. 87
4.1.1. Концентрационные зависимости параметров ПАВ в окрестности 87 МФП.
4.1.2. Параметры распространения ПАВ в СПК системы ЦТС. 92
4.1.3. Влияние условий поляризации СПК на электрофизические свойства 97 и температурные характеристики ПАВ.
4.2. Составы на основе титаната свинца. 100
4.2.1. Электрофизические свойства СПК на основе титаната свинца, мо- 101 дифицированных редкоземельными элементами.
4.2.2. Параметры распространения ПАВ в СПК на основе титаната евин- 103 ца.
4.3. Составы на основе ниобата натрия лития 104
4.3.1. Электрофизические свойства СПК на основе ниобатов щелочных 105 металлов
4.3.2. Параметры распространения ПАВ 105
4.4. Составы на основе ниобата свинца-калия, титаната натрия-висмута и 108 ЦТСЛ.
4.4.1. СПК со структурой типа ТКВБ 108
4.4.2. СПК на основе титаната висмута 109
4.4.3. СПК ЦТСЛ (Х/65/35) 110
4.5. Заключительные замечания 111 ГЛАВА 5. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ РАС- 112
4
ПРОСТРАНЕНИЯ ПАВ В ПЬЕЗОКЕРАМИКЕ.
5.1. Система ЦТС. Изоструктурный фазовый переход. 113
5.2. СПК на основе титаната свинца. 118
5.3. СПК со структурой ТКВБ и ВСПС. 120
5.4. СПК на основе ниобата натрия-лития. 123
5.5. СПК ЦТСЛ (Х/65/35). 123
5.6. Термостабилизация и управление параметрами устройств на ПАВ с 126 помощью позисторных элементов
5.7. Заключительные замечания 130 ГЛАВА 6. МЕХАНИЗМЫ ПОТЕРЬ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПАВ В 131 ПЬЕЗОКЕРАМИКЕ.
6.1. Частотные зависимости потерь при распространении ПАВ и математи- 133 ческая обработка результатов.
6.1.1. СПК на основе ниобата натрия-лития 133
6.1.2. СПК на основе ЦТС. 134
6.1. 3. СПК на основе титаната свинца и ниобата свинца-калия. 135
6.2. Физические механизмы потерь при распространении ПАВ 136 ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА РАСПРОСТРА- 138 НЕНИЕ ПАВ В ПЬЕЗОКЕРАМИКЕ.
7.1. Сегнетомягкие пьезокерамики 140
7.2. Сегнетожесткие пьезокерамики 146
7.3. Заключительные замечания 150
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ. 152
ЛИТЕРАТУРА. 159
5
ВВЕДЕНИЕ
В одной работе нельзя написать всего, что знаешь. Поэтому приходится чем-то пожертвовать, а самое целесообразное - не писать того, “что все равно напишут немцы” (как говаривал Тимофеев-Ресовский, имея в виду библиографию и историю изучаемых проблем). Нам же придется опустить или же затронуть лишь в минимальной степени обширную область материало-ведческих и технологических проблем, связанных с разработкой и получением пьезокерамических материалов для устройств на ПАВ и ОАВ, а также самих ПАВ-устройств, уделив основное внимание физическим процессам и механизмам. Диссертация посвящена исследованию особенностей распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) в поликристаллических се-гнетоэлектриках. Наряду с исследованием волновых характеристик (ПАВ) и объемных акустических волн (ОАВ) в сегнетопьезокерамиках (СПК), основной акцент в диссертации сделан на исследование особенностей распространения ПАВ, связанных с проявлением специфических свойств поликристаллических сегнетоэлектриков (зернистость, доменная структура зерен, мор-фотропный и изоморфные фазовые переходы, пьезоэффект, обусловленный наличием спонтанной и остаточной поляризации), а также их изменениями в результате влияния внешних воздействий (температура, электрическое поле). ПАВ использовались нами, главным образом, как инструмент для исследования свойств и физических процессов, происходящих в СПК.
Таким образом, настоящая работа является многоплановой и тематически затрагивает широкий круг проблем из области физики сегнетоэлектриков, акустоэлектроники и физической акустики твердого тела.
Актуальность темы. Быстрое развитие акустоэлектроники и интенсивное использование в акустоэлектронных устройствах поликристаллических и сегнетоэлектрических материалов делает актуальным исследование новых СПК, а также особенностей распространения ПАВ в известных материалах этого класса. Вследствие прагматического подхода в большинстве работ, посвященных разработке пьезокерамических материалов и исследованию распространения ПАВ, физические механизмы не рассматривались вовсе или затрагивались лишь в незначительной степени. В результате, несмотря
6
на многочисленные исследования в этой области, отсутствует систематический подход к проблеме и остаются неясными не только многие физические механизмы, определяющие основные характеристики ПАВ, но и общие критерии поиска материалов с заданными ПАВ-свойствами. Это делает выполненные в данной работе исследования актуальными. Использование новых ульгразвуковых методов (в частности ПАВ) для исследования физических свойств поликристаллических сегнетоэлектриков также является актуальным.
Основная научная иель работы заключалась в систематическом изучении особенностей распространения ПАВ, связанных с проявлением специфических свойств поликристаллических сегнетоэлектриков, а также их изменениями при внешних воздействиях.
Задачи научного исследования были определены в соответствии с целью работы и заключались в следующем:
- выполнить численные расчеты и измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ во всех возможных по отношению к оси остаточной поляризации Рл плоскостях и направлениях в СПК системы ЦТС и определить влияние направления распространения и параметров СПК на структуру и характеристики ПАВ и ОАВ;
- исследовать зависимости параметров распространения ПАВ от состава для СПК системы ЦТС в широком концентрационном интервале, включающем область морфотропного фазового перехода (МФП) и установить связь структурных, электрофизических и ПАВ-парметров;
- определить параметры распространения ПАВ в различных системах твердых растворов на основе ЦТС, титаната свинца, ниобата натрия-лития, нио-бата свинца-калия, титаната натрия-висмута и ЦТСЛ;
- исследовать температурные зависимости параметров распространения ПАВ и уточнить критерии температурной стабильности СПК;
- исследовать зависимости потерь при распространении ПАВ от частоты и размера зерна и выявить физические механизмы, отвегсгвенные за затухание ПАВ в различных СПК;
- исследовать влияние электрического поля на распространение ПАВ в се-гнетопьезокерамиках с различной степенью сегнетожесткости и определить
7
физические механизмы, определяющие изменения параметров ПАВ.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны горячепрессованные СПК материалы на основе ЦТС, титаната свинца, ниобата натрия-лития, ниобата свинца-калия (структура ТКВБ), титаната натрия-висмута (ВСПС) и ЦТСЛ. Выбор объектов обусловлен как возможностью практического использования, так и специфичностью физических свойств выбранных составов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. В ряде пьезокерамик системы ЦТС для семейства плоскостей (0,0,90) и (0,0,0), определяемых углом Эйлера 0, обнаружены области вырождения ПАВ в горизонтально поляризованную сдвиговую ОАВ. Вблизи этих направлений существует регистрируемая экспериментально псевдопо-верхностная волна, фазовая скорость которой превышает фазовую скорость наиболее медленной сдвиговой ОАВ.
2. Аномалии температурных зависимостей параметров распространения ПАВ в ромбоэдрических составах системы ЦТС обусловлены структурным фазовым переходом между низкотемпературной (пространственная группа симметрии R3c) и высокотемпературной (R3m) ромбоэдрическими фазами. Температурная зависимость времени задержки ПАВ в этом случае определяется конкурирующим влиянием температурных зависимостей резонансных частот сдвиговой и продольной объемных мод колебаний.
3. Акустические потери при распространении ПАВ в сегнетопьезоке-рамических материалах (ос Р) определяются двумя основными механизмами -внутренним трением и рэлеевским рассеянием на зернах, и описываются общей эмпирической формулой: ар р +а$ =(af + bf )+(cf* +df:>)D3, где о f. as " потери обусловленные внутренним трением и рассеянием соответственно,/- частота ПАВ, D - средний размер зерна, а, Ь, с, d - размерные коэффициенты.
4. Характер изменения времени задержки и потерь при распространении ПАВ в сегнетопьезокерамике под действием электрического поля зависит от степени сегнетожесткости и определяется, главным образом:
- в сегнетожестких керамиках - взаимодействием ПАВ с движущимися
8
носителями объемного заряда, экранирующими приложенное поле и препятствующими переключению поляризации;
- в сегнетомягких керамиках - доменно-ориентационными процессами.
5. Аномалии параметров распространения ПАВ в сегнетопьезокерамике ЦТСЛ (РЬ0,925Ьао,о75 )(^65Т\^35 )Оэ в области температуры Т<1, расположенной ниже температуры Кюри и соответствующей дополнительным максимумам диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, обусловлены исчезновением дальнего сегнетоэлектрического порядка и разрушением наведенного поляризацией макродоменного состояния.
Научная новизна основных результатов и выводов исследования заключается в том, что в работе впервые:
- выполнены численные расчеты, а также измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ для всех возможных по отношению к оси Ря плоскостей и направлений в ряде СПК системы ЦТС;
- обнаружено в результате численных расчетов и подтверждено экспериментально существование псевдоповерхностных волн вблизи особых направлений в некоторых СПК системы ЦТС;
- обнаружены и сопоставлены со структурными и электрофизическими параметрами аномалии температурных зависимостей параметров распространения ПАВ в окрестности структурного фазового перехода (ЯЗс - ИЗш) в ромбоэдрических составах системы ЦТС.
- выполнены измерения параметров распространения ПАВ в СПК ЦТСЛ, ниобата натрия-лития, ниобата свинца-калия и титаната натрия-висмута;
- исследовано влияние электрического поля на параметры распространения ПАВ в СПК с различной степенью сегнетожесткости в широком диапазоне полей, превышающих коэрцитивное, и выявлены физические механизмы, определяющие изменения параметров ПАВ;
- получены экспериментальные зависимости потерь при распространении ПАВ от частоты и размера зерна в СПК различных систем и определены физические механизмы, ответственные за затухание ПАВ;
- обнаружены и объяснены аномалии в поведении времени задержки и затухания ПАВ в СПК ЦТСЛ (РЬ0>925Ьао075 )^г0165Т10>35 )ОзВ области темпе-
9
ратуры Td, расположенной ниже точки Кюри и соответствующей дополнительным максимумам диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.
Научная ценность диссертационной работы состоит в систематическом исследовании особенностей распространения ПАВ, связанных с проявлением специфических свойств поликристаллических сегнетоэлектриков, а также их изменениями при внешних воздействиях. Разработаны методы и обоснована возможность использования ПАВ для исследования свойств и физических явлений (фазовые превращения, доменно-ориентационные процессы, релаксация объемного заряда) в поликристаллических сегнетоэлектриках. Результаты исследования углубляют понимание физических процессов, происходящих в СПК при внешних воздействиях и фазовых превращениях, и позволяют уточнить критерии поиска СПК материалов с заданными свойствами. Большинство выполненных в диссертационной работе исследований располагается на стыке аукстоэлектроники, физики сегнетоэлектриков и физической акустики и имеет одновременно фундаментальное научное и прикладное значение.
Практическая ценность диссертации определяется развитием экспериментальных методик акустических исследований свойств материалов с помощью ПАВ, а также непосредственным применением исследованных и разработанных СПК в акустоэлектронных устройствах. Полученные результаты использованы для создания новых СПК материалов и устройств на ПАВ, защищенных авторскими свидетельствами [A8-AI1]. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР и ОКР РГУ (№ гос. регистрации 0188.0046234, 0186.0052566, 0185.0080102, 0183.0044034), а также гранта РФФИ № 99-02-17575 (Особенности фазовых состояний, возникающих в пространственно-неоднородных кристаллических ссгнетоактивных средах).
Личный вклад автора. Автором получены все основные результаты, которые легли в основу положений, выносимых на защиту. Лично автором под руководством проф. Турика A.B. сформулирована задача и основные направления исследований, разработана методика экспериментальных исследований, технология изготовления пьезокерамических подложек и конструкция
10
преобразователей для измерения параметров ПАВ, выполнены все измерения параметров распространения ПАВ и ОАВ в исследованных пьезокерамиках, а также основная часть численных расчетов.
Научный руководитель проф. Турик A.B. принимал участие в обсуждении всех основных результатов, полученных в диссертации. Изготовление пьезокерамических материалов и образцов для измерения выполнялись в НИИ физики РГУ. Соавторы работ принимали участие, в разработке и изготовлении пьезокерамических материалов (Данцигер А .Я., Клевцов A.H., Резниченко Л.А., Разумовская О.Н.), в приготовлении экспериментальных образцов для исследований (Мирошниченко Е.С., Дранишников А.П.), в проведении ренттеноструктурных исследований (Константинов Г.М.), в измерении электрофизических параметров (Хасабова Г.И., Дорохова Н.В.), в разработке конструкций ПАВ-устройств (Днепровский В.Г., Кац В.Д.), в обсуждении полученных результатов (Дудек Ю.С., Цихоцкий Е.С., Резниченко J1.A., Раевский И.П., Панин A.E.). В диссертации использована программа расчета параметров распространения ПАВ в анизотропной среде, предоставленная Гайвянисом Р.Ю. (Каунасский политехнический институт). Расчеты параметров распространения ПАВ выполнены при участии Науменко Н.Ф. (Институт стали и сплавов, Москва).
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях, совещаниях и конгрессах:
- XI и XII Всесоюзные конференции по физике сегнетоэлектриков: (г. Черновцы, 1986 г., г. Ростов-на-Дону, 1989 г.).
- III Всесоюзная конференция “Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов” (г. Москва, 1987 г.).
-Ии III Научно-технические семинары по электронным датчикам (“Сенсор-87” - г. Ленинград, 1987 г., “Сенсор-89”, г. Ужгород, 1989 г.).
- III Межведомственный семинар-выставка “Получение, исследование и применение прозрачной сегнетокерамики” (г. Рига, 1988 г.).
- VI Всесоюзная конференция по физике диэлектриков (г. Томск, 1988 г.).
- III Всесоюзная конференция по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (г. Звенигород, 1988 г.).
Il
- Всесоюзные конференции “Акустоэлектронные устройства обработки ин-формации”( г. Черкассы, 1988 г., 1990 г.).
- XIV Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и физической акустике твердого гела, (г. Кишинев, СССР, 1989 г.).
- International Conference “Electronic Ceramics - Production and Properties“ ( Riga, Latvia, 1990).
- Seventh European Meeting on Ferroelectricity (Dijon, France. 1991).
- International Conference on Electronic Ceramics and Applications “Electroceramics V” (Aveiro, Portugal, 1996).
- IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics “ISAF’96” (Rutgers University, USA, 1996).
- Международные научно-практические конференции “Фундаментальные проблемы пьезоэлектроники” (“Пьезотехника - 95”, г. Ростов-на-Дону-Азов, 1995 г.), (“Пьезотехника - 96”, г. Барнаул, 1996 г.), (“Пьезотехника-99”, г. Ростов-на-Дону - Азов, 1999 г.).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 44 работы.
Структура диссертации определена в соответствии с целью и задачами
исследования. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, включающего 32 рисунка, 17 таблиц и библиографию из 103 наименований.
12
Глава I. УПРУГИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Целью настоящей главы является рассмотрение основных типов и особенностей распространения объемных и поверхностных акустических волн в анизотропной пьезоэлектрической среде с учетом ограничений, накладываемых симметрией. Описана постановка задачи и алгоритм численных расчетов параметров распространения ПАВ в пьезокерамике.
Известно, что в зависимости от условий распространения в твердом теле существуют различные типы упругих волн: волны Рэлея, Гуляева-Блюстейна, Лява, Стоунли [1-3]. Однако следует отмстить, что по существу имеются только два основных типа волн:
1. Продольные волны, или волны сжатия, которым свойственно смещение частиц, параллельное направлению распространения.
2. Поперечные или сдвиговые волны, смещение частиц в которых перпендикулярно влновому вектору.
Эти волны распространяются в неограниченных изотропных твердых телах.
Если среда, по-прежнему неограниченная, является анизотропной, т.е. кристаллической, то в любом направлении могут распространяться три волны и, в наиболее общем случае, ни одна из них не является ни чисто продольной, ни чисто поперечной.
Для ограниченной среды должны выполняться граничные условия для механических и электрических (для пьезоэлектрической среды) величин (отсутствие механических напряжений на свободной поверхности, непрерывность нормальных составляющих электрической индукции в отсутствие зарядов). Волны, которые распространяются вблизи границ среды, не являются (за некоторыми исключениями) простыми волнами, поскольку они содержат продольную и одну или две поперечные компоненты.
В пьезоэлектрической среде связь между электрическими и механическими величинами, выражаемая в статическом случае с помощью уравнений состояния, приводит к взаимодействию упругих и электромагнитных волн. Однако даже в сильных пьезоэлектриках взаимодействие между тремя упругими и двумя электромагнитными волнами оказывается весьма слабым из-за
13
большой разницы соответствующих скоростей (и/У = Ю4 - Ю5). Следовательно, распространение волн можно рассматривать независимо. Ниже упругие волны рассматриваются без учета электромагнитных эффектов в предположении, что поле является электростатическим, т.е. в квазистатическом приближении. Сначала приводится анализ распространения объемных волн (в неограниченной среде), а затем - поверхностных волн (в полубесконечной среде) [1,2].
1.1. Упругие волны в пьезоэлектрических кристаллах.
1.1.1. Уравнения распространения. Тензор Кристоффеля
Уравнения состояния пьезоэлектрической среды имеют вид
Тд ~ ~ еЬ}Ек
^) =е)М +
где с*ц,еЬ1, е*к - тензоры модулей упругости, пьезоэлектрических и диэлектрических постоянных соответственно, = 1,2,3.
После подстановки выражений для деформации Яц =-( +
2 \3с, скк)
и квазиста-
сФ
тического поля Ек = выражение для механического напряжения при-
<**
нимает вид
Т -се ^--е —
’ - (Зс1 » А, '
Тогда основное уравнение динамики принимает вид
:_ В Л, СФ сЬг Зс} чи Зск Ь} Зск
С другой стороны, электрическая индукция й} должна удовлетворять уравнению Пуассона для непрводящей среды Ю; 13с, = 0. В результате получаем связанные волновые уравнения для среды
£Ч_С _£>_ = о е Аа0 (1.1)
З2 ,/Ы 3с13с1 к) 3ск3с1 ’ ,а 3с13с1 ,к 3ск3с1 Хотя основной интерес для нас представляют поверхностные волны, сделаем сначала небольшое отступление, прежде чем ввести граничные условия
14
на поверхности среды, и рассмотрим кратко распространение упругих волн в неограниченной пьезоэлектрической упругой среде [I].
1.1.2. Упругие волны в неограниченном пьезоэлектрическом кристалле Как и в непьезоэлектрическом случае, будем искать решения в виде плоских волн, описываемых действительными частями выражений
и} = а} ехр[/ед - V/)] , ф = а4 ехр[/А'(/,- *;■ - V/)] (1.2)
Подставляя предполагаемые решения в связанные волновые уранения (1.1), и, вводя обозначения
Ц/ У{~еЬ}1^к> £~£}к^}К ■> (1*3)
получаем систему четырех однородных уравнений относительно а
Р*га> =Г);а, +/,ф ,
(1.4)
Г,а, -еф = О
Исключая электрический потенциал ф получаем
р*га, =(Г:1+Ща, (1.5)
£
Поляризации а, упругих волн определяются, как и в случае непьезоэлектрической среды, собственными векторами тензора второго ранга (тезора Кристоффеля)
г* = г„+^ (1.6)
8
собственные значения которого у = ру1 дают фазовые скорости в выбранном направлении. Вследствие свойств симметрии упругих модулей тензор является симметричным и, следовательно, его собственвые значения являются действительными величинами, а его собственные векторы ортогональны. Более того, собственные значения у = р\л положительны (условие действительности скорости распространения у). Поскольку собственные значения действительны и положительны, в общем случае существуют три плоские волны, распространяющиеся в одном направлении с разными скоростями и ортогональными поляризациями.
Вектор смещения, вообще говоря, не является параллельным или перпендикулярным направлению распространения. Волна, поляризация которой