авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Взаимодействие акустических волн и лазерных пучков с индуцированными решетками и доменными структурами в сегнетополупроводниковых кристаллах ниобата лития

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Калимуллин Рустем Ирекович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С ИНДУЦИРОВАННЫМИ РЕШЕТКАМИ И ДОМЕННЫМИ СТРУКТУРАМИ В СЕГНЕТОПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.10 – Физика полупроводников

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Казань – 2009

Работа выполнена в
Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор

Голенищев-Кутузов Александр Вадимович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Вендик Орест Генрихович

доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

Несмелова Ирина Михайловна

доктор физико-математических наук, профессор

Самарцев Виталий Владимирович

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

им. В.А. Котельникова, г. Москва

Защита состоится 20 ноября 2009 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.082.01 при ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»,

по адресу: 420066, Казань, Красносельская, 51, тел./факс (843) 562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета

Автореферат разослан “______”_______________ 2009 г.

И.о. ученого секретаря

диссертационного совета Корнилов В.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание во второй половине XX века двух новых направлений в электронике – опто- и акустоэлектроники – стало началом интенсивного применения новых материалов и, в первую очередь, нецентросимметричных оксидных сегнетоэлектриков, обладающих не только рекордными значениями нелинейных оптических коэффициентов, но и сильным пьезоэффектом [1–3]. На протяжении сорока лет лидерами в практическом применении для устройств нелинейной оптики и оптоэлектроники (модуляторы, дефлекторы, фильтры, умножители частоты) и одновременно акустоэлектроники (пьезопреобразователи, фильтры, линии задержки и другие устройства на поверхностных акустических волнах) стали кристаллы ниобата лития. Они относятся к классу высокоомных сегнетополупроводников с примесным типом проводимости [4] (ширина запрещенной зоны при стехиометрическом составе Eg = 3,9 эВ). Если недопированные кристаллы обладают удельной проводимостью порядка 10-15 Ом-1см-1, то даже при слабом легировании ионами железа (Fe ~ 10-1 at. %) значение возрастает до 10-7 – 10-8 Ом-1см-1. Значительное изменение электрических и оптических характеристик происходит при оптическом облучении допированных кристаллов (фотопроводимость, фотовольтаический и фоторефрактивный эффекты). Необычное сочетание превосходных линейных и нелинейных оптических и упругих характеристик кристаллов ниобата лития, их значительные изменения при допировании ионами группы железа, воздействии термического отжига и оптического облучения с одной стороны находят широкое применение, а с другой стороны являются преградой для более широкого их использования.



До середины 1990-х годов наибольшее внимание исследователей было обращено на увеличение стойкости электрооптических параметров к лазерному воздействию и разработку на этой основе нового поколения оптоэлектронных и акустоэлектронных устройств. В то же время были недостаточно исследованы взаимодействия лазерных пучков с примесными центрами и роль ян-теллеровских ионов в процессах образования фотоиндуцированных доменов и доменных структур. Малое внимание было обращено и на взаимодействие акустических волн с фотоиндуцированными структурами в сегнетопьезоэлектриках и, в частности, ниобате лития. В первую очередь это относится к отсутствию общей концепции представления ниобата лития и подобных ему материалов, содержащих периодические структуры, в качестве модельных образцов фононных кристаллов, хотя первые теоретические исследования были выполнены еще в 50-е гг. XX века [5]. Несомненно, что подобные экспериментальные и теоретические исследования расширили бы горизонты развития нелинейной акустоэлектроники.

Отмеченные выше обстоятельства определили постановку цели и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы – разработка концепции и физических принципов взаимодействия акустических волн и лазерных пучков с периодическими структурами в виде решеток и доменов в сегнетопьезоэлектрических кристаллах и создание на этой основе нового поколения акустоэлектронных приборов и устройств.

В соответствии с указанной целью были сформулированы следующие задачи диссертационной работы.

1. Изучение динамики оптического возбуждения фотоактивных ионов и образования фотоиндуцированных электрических полей.

2. Установление механизмов влияния примесных ионов с переменной валентностью на формирование индуцированных решеток и периодических доменных структур.

3. Изучение особенностей распространения акустических волн через индуцированные решетки и периодические доменные структуры и установление частотных интервалов разрешенных и запрещенных фононных зон в ниобате лития.

4 Исследование механизмов генерации акустических волн путем лазерного воздействия на периодические структуры.

5. Установление процессов и механизмов нелинейного взаимодействия акустических волн с периодическими структурами.

6. Разработка и создание методов и технических средств преобразования и управления параметрами акустических волн, распространяющихся через периодические структуры (генерация гармоник, обращение волнового фронта и т.д.).

Научная новизна работы состоит в том, что впервые были получены следующие результаты.

1. Обнаружена и исследована пространственно-периодическая структура электрического поля в ниобате лития, возникающая под действием пьезоэлектрического поля стоячей ультразвуковой волны.

2. Разработаны и реализованы оптоакустический и лазерный способы формирования индуцированных решеток и периодических доменных структур в ниобате лития, допированном ионами с переменной валентностью.

3. В результате комплексного изучения пространственного распределения концентрации примесных ионов с переменной валентностью, напряженностей фотоиндуцированных электрических полей, показателей преломления, скоростей и поглощения ультразвуковых волн на границах и по сечению областей лазерного воздействия на кристаллы ниобата лития разработана микроскопическая модель формирования фотоиндуцированных решеток и доменных структур в сегнетоэлектрических пьезополупроводниковых кристаллах, допированных ионами железа.

4. В частотных спектрах распространения акустических волн через индуцированные решетки и периодические доменные структуры, сформированные в ниобате лития, обнаружены и изучены полосы полного отражения и полосы полного пропускания волн в широком частотном диапазоне, что позволило отнести подобные кристаллы к классу фононных кристаллов.

5. Обнаружена и исследована генерация акустических волн при облучении лазерными импульсами периодической доменной структуры в ниобате лития.

6. Обнаружена и исследована генерация второй акустической гармоники на периодической доменной структуре в ниобате лития при параметрическом взаимодействии двух акустических волн, распространяющихся в противоположных направлениях, а также генерация второй гармоники при нелинейном взаимодействии акустической волны с периодической доменной структурой.

7. Обнаружено и исследовано обращение волнового фронта акустической волны на периодической доменной структуре при одновременном воздействии на доменную структуру лазерных импульсов.

Научно-практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Показана возможность использования разработанных новых акустооптического и лазерного способов формирования периодических структур в сегнетоэлектриках в качестве новых фотонных и фононных кристаллов с периодическими структурами в наноразмерном масштабе.

2. Исследованные частотные интервалы запрещенных и разрешенных зон для акустических волн могут найти применение в устройствах обработки акустических сигналов.

3. Исследованные нелинейные свойства кристаллов ниобата лития со сформированными периодическими структурами могут быть основой для расширения частотного спектра генерируемых акустических волн в частотном диапазоне 109 – 1010 Гц, а также для управления параметрами акустических информационных сигналов.

4. Разработанный и реализованный способ перестройки частоты акустических резонаторов на основе перезаписи фотоиндуцированных решеток может найти применение в фильтрах на объемных и поверхностных акустических волнах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Интенсивное лазерное облучение поверхности сегнетоэлектрических кристаллов, содержащих ионы с переменой валентностью, приводит к возникновению областей с инвертированной поляризацией (инвертированных доменов), что связано с пространственным разделением ионов Fe2+ и Fe3+, причем основной вклад в образование инверсных доменов вносят ионы Fe2+ (ян-теллеровские ионы), вокруг которых возникают градиенты полей, обратных по знаку полю спонтанной поляризации.

2. Пьезоэлектрическое поле стоячей акустической волны создает перераспределение концентраций фотоиндуцированных электронов между примесными ионами в сегнетоэлектрике-пьезополупроводнике, и при достаточной интенсивности поля возникает образование структуры инвертированных доменов с периодом, равным периоду стоячей акустической волны.

3. Кристаллы ниобата лития со сформированными доменными структурами или индуцированными решетками обладают полосовым акустическим спектром, состоящим из зон полного пропускания и полного отражения, и могут служить в качестве фононных кристаллов.

4. Генерация второй гармоники акустической волны возникает за счет нелинейного взаимодействия с периодической доменной структурой в пьезоэлектрическом кристалле.

5. Разработанный механизм обращения волнового фронта акустических волн на периодической доменной структуре основан на взаимодействии оптически индуцированного поля зарядов примесных ионов Fe2+ и Fe3+ с внутридоменными полями поляризации.

6. Предложенный механизм лазерной генерации акустических колебаний основан на модуляции внутридоменных полей индуцированным полем ионных зарядов.

Достоверность полученных результатов и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются их непротиворечивостью особенностям известных и предложенных нами моделей, а также публикациями других авторов, как параллельными, так и более поздними, результаты которых хорошо согласуются с нашими.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: VI международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (Йошкар-Ола, 1997), Международный симпозиум по акустоэлектронике, управлению частотой и генерации сигналов (С.-Петербург, 1998), XV Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (Ростов-на-Дону, 1999), Международный форум по волновой электронике и ее применениям в информационных и телекоммуникационных системах (С.-Петербург, 2000), IX Международная конференция «Физика диэлектриков» (С.-Петербург, 2000), VII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2001), VII международный симпозиум по сегнетоэлектричеству (С.-Петербург, 2002), Международная научная конференция «Актуальные проблемы физики твердого тела. ФТТ-2003» (Минск, 2003), X Международная конференция «Физика диэлектриков» (С.-Петербург, 2004), IX Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2004), Международная научная конференция «Актуальные проблемы физики твердого тела. ФТТ-2005» (Минск, 2005), X Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» (С.-Петербург, 2006), II Международный симпозиум «Микро- и наноразмерные доменные структуры в сегнетоэлектриках» (Екатеринбург, 2007), I Международный междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением. Multiferroics-2007» (Ростов-на-Дону, 2007), XV международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009).





Полученные результаты были включены в отчеты по грантам РФФИ (96-02-18229-а, 99-02-17593-а, 01-02-16358-а, 04-02-97500-р_офи, 05-02-17142-а, 08-02-00434-а) и по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-7352.2006.2).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 20 печатных работах, в том числе 12 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патенте на изобретение, 1 монографии, 6 – в материалах международных и всероссийских конференций.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Постановка проблемы, разработка экспериментальной методики, выполнение экспериментов и интерпретация результатов проведены совместно с соавторами. Основная часть экспериментальных результатов получена автором лично. Соавторы не возражают против использования результатов исследования в материалах диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка, включающего 200 наименований. Основное содержание работы изложено на 230 страницах, содержит 54 рисунка, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается краткая общая характеристика проблем изучения взаимодействия акустических волн и оптических пучков с периодическими структурами – доменами и решетками, сформированными в сегнетоэлектриках, допированных ионами с переменной валентностью. Обосновывается выбор и актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, обосновывается выбор объектов и методов исследования. Приводится общее описание работы, положения, выносимые на защиту, сведения об апробации, личный вклад автора.

В первой главе, являющейся обзорной, дано введение в проблему исследования особенностей физических свойств сегнето-пьезополупроводниковых материалов, содержащих микро- и наноразмерные периодические структуры в виде решеток и доменов. Выполнено аналитическое сравнение особенностей электронных, фотонных и фононных кристаллов с определенным уклоном в сторону последних. Рассмотрены общие особенности спектральных характеристик фононных кристаллов, включая полосы пропускания и «фононные щели».

Большое внимание уделено использованию оксидных сегнетоэлектриков типа ниобата лития в качестве фотонных и фононных кристаллов, способных осуществлять частотное преобразование, дифракцию и генерацию оптических и акустических волн.

Далее в первой главе рассмотрены известные способы формирования пространственно периодических структур в виде решеток и доменов, отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены особенности фотоиндуцированных эффектов в оксидных сегнетоэлектриках-полупроводниках и, в первую очередь, фотоиндуцированное изменение показателя преломления (фоторефрактивный эффект) [6] и изменение упругих параметров [7]. Особое внимание уделено роли примесных ионов с переменной валентностью в фотоиндуцированных эффектах. Отмечено, что до сих пор нет полной и непротиворечивой модели, описывающей процесс формирования и закрепления решеток под действием лазерного излучения и влияния на него таких ян-теллеровских ионов как Fe2+, Mn3+, Cr2+, Cr4+, которыми чаще всего допируют оксидные сегнетоэлектрики для увеличения фоторефрактивного эффекта.

Далее приведена краткая информация о ряде физических свойств оксидных сегнетоэлектриков, которые наиболее часто используются для создания в них периодических доменных структур (ПДС): ниобата и танталата лития, титаната бария. Описаны основные физические свойства материалов с доменными структурами. Обсуждены достоинства и недостатки наиболее распространенных способов формирования доменных структур в оксидных сегнетоэлектриках – ростового во внутреннем электрическом поле и послеростового во внешнем поле. Обсуждены механизмы формирования доменов от острых наноразмерных игл до микроскопических доменов.

Вторая и последующая главы являются оригинальными и содержат результаты экспериментальных исследований и их теоретическое обоснование.

Во второй главе представлены результаты изучения возможностей разработки новых методов формирования доменных структур в оксидных сегнетоэлектриках. Первая часть главы посвящена вопросам формирования доменных структур в поле стоячей акустической волны. По сути дела, в этом способе используется принцип фотогенерации большого количества свободных электронов от примесных ионов типа Fe2+, являющихся в этом процессе донорами. В результате фотогальванического эффекта поток свободных электронов перемещается в поле спонтанной поляризации. Интенсивность ранее (в отсутствие акустической волны) однородного потока модулируется пространственно неоднородным и знакопеременным пьезоэлектрическим полем, сопровождающим стоячую акустическую волну.

Возникновение отрицательной компоненты пьезоэлектрического поля с ростом концентрации свободных электронов и увеличением амплитуды акустической волны приводит к частичной, а затем и полной компенсации поля спонтанной поляризации, т.е. к возникновению локальной переполяризации в областях пучностей стоячей акустической волны – возникновению структуры доменов типа «голова к голове». Экспериментально возникновение доменной структуры в ниобате лития с железом наблюдалось по пространственно периодическому изменению оптического показателя преломления компенсационным методом, а также интерференционным методом. При облучении образцов широким однородным лазерным пучком ( = 0,53 мкм) и одновременном возбуждении стоячей поверхностной акустической волны (ПАВ) с амплитудой относительной деформации u  5·10-5 было обнаружено возникновение вдоль оси z пространственно периодических изменений показателя преломления n (рис. 1). При T < 140C они имели вид униполярной структуры с периодом d  55 мкм, соответствующим половине длины волны ПАВ при скорости распространения VR = 3490 м/с (рис. 1, б). Величина изменения n была пропорциональна значению относительной акустической деформации и интенсивности оптического пучка.

В температурном интервале 140–160С и при повышении амплитуды относительной деформации до 10-4 периодическая структура изменений n скачкообразно становилась симметричной (биполярной по знаку) (рис. 1, а).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.