Исследование поглощения и скорости ультразвука частотой 120 МГц в ТГС и сегнетовой соли вблизи точек фазовых переходов импедансным методом

Температурные и частотные зависимости поглощения и скорости звука в диэлектрических кристаллах определяются релаксационными процессами установления термодинамического равновесия. При воздействии звуковой волны кристалл выходит из состояния термодинамического равновесия: возникает сдвиг фаз между напряжением и деформацией звуковой волны, что приводит к поглощению и дисперсии скорости звука. Релаксационный характер поглощения сильнее всего проявляется, когда период звуковой волны близок к времени релаксации или превышает его.

При воздействии звуковой волны на сегнетоэлектрик величина поляризации отклоняется от равновесного значения, поскольку она связана с деформацией звуковой волны посредством пьезоэлектрического или электрострикционного эффектов. Вблизи точки фазового перехода это приводит к аномальному затуханию ультразвука. Исследование аномального поглощения и скорости ультразвука вблизи фазового перехода позволяет исследовать кинетические процессы, происходящие при этом и определить значение кинетического коэффициента и температурную зависимость времени релаксации.

В 1954 году Ландау и Халатников [i] рассмотрели температурную зависимость поглощения звука в жидком гелии вблизи его фазового перехода второго рода и показали, что время релаксации параметра порядка Т должно расти с приближением к температуре перехода. В связи с этим должно наблюдаться аномально большое релаксационное поглощение звука вблизи температуры перехода в жидком гелии. Это полностью подтвердило экспериментальные результаты работы Чейза [5] .

Впервые теорию Ландау-халатникова применительно к поглощению !-звука в сегнетоэлектрических кристаллах при их фазовых переходах экспериментально проверили И. А. Яковлев и Т.С.Величкинэ[б]. Они исследовали на частоте 5МГц импульсным методом на прохождение поглощение поперечных волн в сегнетовой соли вблизи ее верхней точки Кюри и обнаружили аномальное релаксационное поглощение этих волн с максимумом в точке Кюри. Это поглощение вызвано пьезоэлектрической связью между сдвиговой деформацией и электрической поляризацией, являющейся параметром порядка при фазовом переходе второго рода в сегнетоэлектриках. Рост времени релаксации поляризации приводит к увеличению сдвига фаз между напряжением и деформацией в звуковой волне и соответствующему росту ее релаксационного поглощения.

Температурная и частотная зависимость аномального поглощения, рассчитанная авторами работы [б] для этого случен удовлетворительно описала экспериментальные результаты, и в [б] впервые была определена температурная зависимость времени релаксации при фазовом переходе в сегнетовой соли и величина кинетического коэффициента. Эта работа открыла новое направление в физической акустике твердого тела — исследование условий распространения звука в сегнетоэлектриках вблизи их фазовых переходов второго рода.

В 1964 году в работе 0″ Брайена и Литовитцэ [21] было исследовано поглощение ультразвуке в сегнетоэлектрике триглицинсуль-фате (ТГС), обусловленное электрострикционной связью между деформацией упругой водны и поляризацией. Исследования проводились для квазипродольных волн, распространяющихся по оси Z кристалла на частотэх от 15 до 125 МГц импульсным методом на прохождение. Обнаруженная зависимость поглощения и скорости. звука от температуры и частоты в этом случае ок8зэл8Сь аналогичной полученной Лвндау и Хэлатниковым для гелия, и существенно отличается от случая сегнетовой соли. Но уже на частоте 65 МГц не удэлось измерить аномальное поглощение в максимуме ввиду того, что в этом случае величина максимального поглощения линейно возрастает с частотой и при этом методом на прохождение невозможно зарегистрировать сигнал, прошедший через образец.

Таким образом, в ходе исследований аномального поглощения звука на частотах 10^-10^ Гц в согнетоэлектриках были выявлены два основных механизма поглощения, один из которых обусловлен связью между деформацией упругой волны и поляризацией посредством пьезоэффекта (сегнетовэя соль), а в другом эта свизъ определяется электрострикцией (ТГС).

Экспериментальная проверке релаксационной зависимости условий распространения ультразвука требует изменения сит на два-три порядка, что в молекулярной акустике достигается измерениями в широких интервалах температур и частот. В случав фазовых переходов в, озгнетоэлектриках соответствующие изменения оит достигаются изменением температуры за счет сильной температурной зависимости f вблизи точки фазового перехода. Температурные и частотные зависимости поглощения в ТГС и сегнетовой соли исследовались в основном на низких ультразвуковых частотах порядка 10^-Ю7 Гц (6−15, 34−47). При этом температурный интервал, где со<�иъ{ в ТГС составляет всего что затрудняет проверку теоретических зависимостей релаксационного поглощения и скорости звука. В соответствии с этими зависимостями, с увеличением частоты должно происходить расширение температурного интервала вблизи точки фазового перехода, в котором период колебаний ультразвука одного порядка и меньше времени релаксации, т. е. где Сот^-1. расширение этого интервале температур, особенно в кристалле ТГС, должно позволить более подробно изучить в нем температурные зависимости поглощения и скорости звука. Однако, применяемая для определения поглощения и скорости звука импульсная" методика измерений, использующая сигналы, проходящие через исследуемый кристалл, не позволяет проводить измерения в условиях сильного и растущего с увеличением частоты аномального поглощения звука вблизи температур фазовых переходов в кристаллах.

Поэтому основной задачей диссертации явилось исследование коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука в сегнетоэлектриках ТГС и сегнетовой соли на более высокой частоте (120 МГц), для решения которой впервые применена импульсная импедансная методика измерений поглощения и скорости ультразвука, использующая сигналы, отраженные от границы рвздела исследуемого вещества с акустической линией задержки, обладающей сравнительно малым поглощением звука. Измерения модуля коэффициента отражения и изменений фазы отраженного сигнала позволяют определить в каждой температурной точке абсолютные значения скорости и коэффициента поглощения в исследуемом веществе. В диссертации разработана методика этих измерений для тонких образцов кристаллов с учетом акустических свойств склейки и созданэ установка, обеспечивающая измерения температурных зависимостей модуля и фазы коэффициента отражения на частоте 120 МГц. В результате применения импедансного метода впервые проведены измерения температурных зависимостей коэффициента поглощения и скорости квазипродольных волн в кристаллах сегнетовой соли и ТГС в сплошных интервалах температур, включающих их точки фазовых переходов на частоте 120 МГц. Повышение частоты ультразвука действительно привело к расширению интервала температур, где i. это позволило более подробно исследовать условия расцространения ультразвука вблизи точки фазового переходе и определить основные кинетические характеристики исследуемых кристаллов — величину кинетических коэффициентов и температурные зависимости времени релаксации.

Применение импедзнсной методики расширило диапазон частот, в котором могут использоваться релаксационные свойства сегнето-электриков вблизи температур их фазовых переходов как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. Кроме того, разработанный в диссертации вариант импедансного метода ультразвуковых измерений с использованием наложения когерентных импульсов для измерения сдвига фаз при отражении, применен также для’измерений акустических свойств тонких пленок пьезополуцроводников и образцов цианокрилатного клея. При этом показана возможность использования импедансного методе для измерения акустических свойств этих материалов для технологического контроля в процессе их изготовления.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе проведен анализ теоретических и экспериментальных работ по релаксационному аномальному поглощению и дисперсии скорости ультразвука в ТГС и сегнетовой соли вблизи их точек фазовых переходов. Показано, что на частотах выше 50 МГц импульсная методика измерений на прохождение не позволяет провести исследование поглощения и скорости в интервале температур, где алг ^ I. Во второй главе дана теория импедансного метода измерений скорости и поглощения звуке в тонких пленках и тонких слоях монокристаллов в условиях сильного поглощения. Разработан метод предварительного приближенного расчета скорости и поглощения звука для двухслойной системы склейке — исследуемый кристалл, когда акустические свойства склейки считаются известными. Показано, что предварительный приближенный рэсчет пригоден для определения скорости и поглощения звука в кристаллах ТГС и сегнетовой соли на частоте 120 МГц в сплошном интервале температур вблизи точки фазового перехода, включая и область максимального поглощения.

В третьей главе изложена методика измерений модуля и фазы коэффициента отражения, приведено описание экспериментальной установки, главной частью которой является высокостабильный переотраиваемый генератор, вырабатывающий когерентные импульсы, что необходимо для измерений фазы коэффициента отражения интерференционным методом Мак-Скимина. Описаны эксперименты по измерению скорости и поглощения ультразвуковых волн частотой 120 МГц в тонких пленках пьезо-полупроводников и тонких слоях цианощшлатного клея, проведенные с целью апробации экспериментальной установки и интерференционного метода наложения когерентных импульсов Мак-Скимина .

В четвертой главе рассмотрены условия распространения квэзипродольных волн частотой 120 МГц, распространяющихся по направлению [00l] ^ в кристалле ТГС и по направлению [oilf5/ в сегнетовой соли вдали от точек фазового перехода и вблизи точек фазового перехода. Рассчитаны значения фазовых скоростей и векторов поляризации этих волн. Получены теоретические релаксационные частотно-температурные зависимости поглощения и дисперсии скорости звука этих волн вблизи точек фазовых переходов .

В пятой главе приводятся экспериментальные результаты измерений модуля и фазы коэффициента отражения в ТГС и сегнетовой соли. Описана схема обработки экспериментальных результатов и приведены результаты определения температурных зависимостей поглощения и скорости квэзипродольных волн частотой я/ Здесь и далее направление определяется составляющими вектора волновой нормали в кристаллофизической системе координат.

120 МГц в ТГС и сегнетовой соли вблизи их точек фазовых переходов. Проведен анализ этих температурных зависимостей, сопоставление их с теоретическими релаксационными соотношениями и получены значения релаксационных параметров — кинетического коэффициента У и времени релаксации Т. Проведено сопоставление температурных зависимостей, полученных на частоте 120 МГц с данными других авторов, полученными на более низких ультразвуковых частотах в ТГС и сегнетовой соли.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Собрана и налажена экспериментальная установка для измерения модуля коэффициента отражения и фазы коэффициента отражения на основе ин т ер фе роме три чес кого метода Мак-Скимина на частоте 120 МГц, реализующая импедансную методику определения скорости и коэффициента поглощения звука в тонких слоях монокристаллов и тонких пленках в условиях сильного поглощения с учетом акустических свойств склеек.

2. Впервые импедансным методом на частоте 120 МГц исследована температурная зависимость скорости и коэффициента поглощения квазипродольных волн, распространяющихся по направлению [00l] в ТГС и по направлению [ОН] в сегнетовой соли в сплошном интервале температур вблизи точек фазовых переходов, включая и максимальное значение поглощения.

3. Установлено, что температурная зависимость коэффициента поглощения квазипродольной волны, распространяющейся по направлению [00l] в ТГС вблизи точки фазового перехода на частоте 120 МГц в пределах точности измерений удовлетворительно описывается релаксационной теорией поглощения для этого случая.

Измеренное максимальное значение коэффициента поглощения составило 16 см" «1 при Т = Тс — 0,2 К. Определены температурная зависимость времени релаксации т — 2,0.10″ *°/ д Т, с и величина кинетического коэффициента = 6,2-IO^C» «*. Проведенное сопоставление данных на частоте 120 МГЦ с данными низких ультразвуковых частот показало, что максимум кривой поглощения отстоит от точки фазового перехода на величину 6 Т~^и значение максимального поглощения растет пропорционально частоте. Скачок скорости оказался превышающий теоретический в три раза.

4. Установлено, что температурная зависимость коэффициента поглощения и скорости квэзипродольных волн по направлению [Oil] в сегнетовой соли удовлетворительно описывается релаксационной теорией для этого случая. Максимальное значение поглощения равняется 4 см~* при Т = Тс. Скорость в исследованном интервале температур остается постоянной и равной 4,15"Ю^ Определены температурные зависимости времен 4 я. тгГ9 релаксации в пара фазе г = 1 — —с и в сегнетофазез 1 — Т0 jLIiIQ— с и кинетический коэффициент У= Т0 — Т.

Сопоставление с результатами низкочастотных ультразвуковых измерений показало, что величина поглощения в максимуме на частоте 120 МГц хорошо согласуется о этими данными, а ширина кривой поглощения растет с частотой.

5. С целью апробации экспериментальной установки проведены измерения скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн частотой 120 МГц в тонких поликристаллических и текстурированных пленках «и?п5е. Измеренные скорости распространения ультразвука в пределах точности измерений не отличаются от их значений для монокристаллов, рассчитанных из известных значений упругих модулей, по направлениям осей текстур пленок ColS и? hSe. Измерены значения коэффициента поглощения в тонких пленках, Q S и Se на частоте 120 МГц.

6. Разработан метод определения скорости звука в тонких пленках без удаления пленки с торца МЗ, имеющий практическое значение для разработки способов технологического контроля пленок, применяемых в акустоэлектронных и 8кустооптических устройствах.