Електрофізичні та адсорбційні явища в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах при поширенні поверхневих акустичних хвиль

На основі комбінованого використання оптичних, п'єзоелектричних і температурних властивостей п'єзонапівпровідникових матеріалів в шаруватій структурі InSb/LiNbO3 з резонансною зустрічно-штирьовою системою створено сенсор ІЧ випромінювань в області довжин хвиль =3,0-5,0 мкм. В ньому чутливий до ІЧ променів у вказаному діапазоні хвиль шар InSb наноситься на прозорий для ІЧ променів LiNbO3 в області зустрічно-штирьової резонансної структури. ІЧ промені при попаданні на ІnSb поглинаються ним, розігрівають його і разом з тим розігрівається LiNbO3.

Внаслідок високого ТКЧ LiNbO3, рівного для YZ-зрізу 8710-6С-1, змінюється швидкість ПАХ і, відповідно, частота резонансної структури.

В цьому ж розділі проведено аналіз і оцінку акустичних ефектів, що виникають в шаруватих структурах елемент на ПАХ - сорбційна плівка під дією фізико-хімічних процесів взаємодії її з компонентами газового середовища. Показано, що в залежності від співвідношення товщини і ширини плівки з довжиною хвилі, величини зміни її акустичних характеристик в процесі такої взаємодії і співвідношення їх з акустичними характеристиками звукопроводу можуть мати місце трансформації звичайно використовуваних ПАХ Релея в інші типи хвиль, властивості і параметри яких суттєво відрізняються. В такому випадку на зміні параметрів ПАХ-відгуку може відбитися не прямий вплив, наприклад, зміни маси сорбційної плівки чи пружних констант, а акустичний ефект трансфорамації одного типу хвиль в інший, що може призвести до неадекватної інтерпретації одержаних результатів.

Розроблена фізико-математична модель взаємодії ПАХ з адсорбуючим шаром, яка базується на тому, що в загальному випадку зміна параметрів сорбційного шару викликає відносну зміну швидкості поширення ПАХ відповідно співвідношенню

(9)

де m - маса плівки;

с - жорсткість матеріалу плівки;

р - діелектрична проникність матеріалу плівки;

- електропровідність плівки;

Т - температура плівки;

Р - тиск зовнішнього середовища.

Для тонкої (kh<<1, де k - хвильове число, h - товщина плівки) полімерної ізотропної діелектричної плівки при фіксованих Р і Т, що практично легко забезпечити, одержано для відносної зміни частоти вихідного сигналу сенсора

, (10)

де - центральна частота сенсора без плівки;

- густина матеріалу плівки.

q - константа, що характеризує властивість матеріала звукопроводу.

Для матеріалів плівок у яких суттєво міняються при взаємодії з газовими компонентами діелектричні властивості і з використанням в сенсорі ЗШП одержано для електричної ємності сенсора

, (11)

де - ємність пари електродів на одиницю їх довжини без плівки;

N - число електродів;

r - коефіцієнт металізації ЗШП, рівний r=d/2b;

- товщина електрода; d - ширина електрода, b - відстань між ними;

Експериментальні дослідження проводились з шаруватими структурами, в котрих використовувались плівки на основі каучуків, селікогеля, солей масних кислот і комплексонатів германію з товщинами від мономолекулярних шарів до 5 мкм.

Показана можливість суттєвого підвищення селективності сенсорів формуванням структур типу “сендвіч” з комбінацією фізико-хімічних і структурних властивостей матеріалів. По такому принципу створено сенсор водню, в якому один шар виконує роль молекулярного сита, а другий проявляє до нього високу здатність розчинності, чим забезпечується подвійна селективність.

Досягнута вибірковість водню рівна 10-2 по відношенню до таких супутніх газів як кисень, азот, двоокис вуглецю і чутливість до 0,01 в межах концентрацій 0 - 100 ppm. Одержані високі параметри сенсорів побудованих на основі Л-Б плівок. Суттєво, що представлені залежності одержані при температурі Т=20 С без підігріву на стадії десорбції.

В кінці дисертації містяться висновки, в яких викладені найбільш важливі наукові результати роботи і показана їх практична значимість. В Додатках до дисертації містяться описи вимірювальних установок, таблиці розрахункових значень меж полів допуску модуля перехідної характеристики при моделюванні на ЕОМ випадкових похибок топології ЗШП, а також документи, що підтверджують практичне використання результатів дисертаційної роботи.

Висновки

В дисертації отримано якісно нові науково обґрунтовані результати в області акустоелектроніки, які в сукупності розв'язують важливу наукову проблему, пов'язану з генерацією, поширенням та детектуванням поверхневих акустичних хвиль в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах. Встановлено механізми фізичних явищ, що виникають в них при поширенні ПАХ і реалізовано на їх базі новий методологічний підхід у створенні високоефективних керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ та інтелектуальних сенсорів нового покоління, що суттєво розширює реалізацію потенційних можливостей акустоелектроніки. Основні результати дисертаційної роботи полягають в наступному.

Одержано і систематизовано нові дані про електрофізичні параметри та акустичні характеристики для ПАХ Релея (коефіцієнт електромеханічного зв'язку, діелектрична проникність, швидкість поширення ПАХ, залежність швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю, коефіцієнт згасання ПАХ), їх температурні і частотні залежності ряду перспективних для акустоелектроніки діелектриків та шаруватих структур - кристалів кварцу, п'єзокераміки системи ЦТС, структур А2В6/п'єзоелектрик, плівка Л-Б/ п'єзоелектрик, комплексонати германію. Для конкретних марок п'єзокераміки системи ЦТС визначені граничні значення частотного діапазону ПАХ і ширини полоси пропускання сигналу по критерію вносимих втрат, що складає, зокрема, для п'єзокераміки ПКР-53 (М) відповідно 30 Мгц і 5%, а для PZT-2 відповідно 50 Мгц і 7%. Сукупність одержаних даних по ЕФП досліджених матеріалів є достатньою основою для створення високоефективних керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.

В сегнетокераміці при температурах 80 С, 110 С і 140 С, що значно нижче температури фазового переходу (295 С), виявлено явище осциляцій електричної провідності. Встановлено, що явище обумовлене релаксацією 90-градусних доменів внаслідок суттєвої нестійкості їх стану, набутого в процесі поляризації, прискореного зворотнього їх руху стимульованого дією теплового поля до стану стійкої рівноваги (мінімуму термодинамічного потенціалу), проскакування його і наступного повернення до нього під дією внутрішнього електростатичного поля 180-градусних доменів і крапкових дефектів, сформованого зовнішнім поляризуючим полем.

Встановлено, що новий клас діелектричних матеріалів - комплексонати германію в діапазоні довжин оптичних хвиль 310-1200 нм володіє спектральними характеристиками, аналогічними по коефіцієнту пропускання спектральним характеристикам натрієвого скла, а на деяких ділянках, які можна задавати при синтезі матеріалів, досягається перевищення на 1 - 6%. Крім того, виявлена суттєва адсорбційна здатність плівок комплексонатів германію по відношенню до певних хімічних компонентів газового середовища (аміак, пари спиртів та кислот, волога). Показана можливість створення на їх основі газових сенсорів нового покоління.

Встановлено, що в монокристалах кварцу Y- і ST-зрізів має місце суттєва залежність величини швидкості поширення ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю. Для кварцу ST-зрізу в межах зміни кута 35 швидкість поширення ПАХ змінюється на 12,7 % і має високу лінійність характеристики, що дозволило використати кутову залежність ПАХ для керування характеристиками акустоелектронних пристроїв.

Анізотропія фазової швидкості ПАХ та безконтактний спосіб її збудження і детектування в шаруватій структурі п'єзопасивний діелектрик з ЗШП - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик дозволяють досягти якісно нового ступеня керованості параметрами ПАХ і характеристиками АЕП. Зокрема, при використанні в структурі SiO2 ST-зрізу можна досягти зміни робочої частоти пристроїв на ПАХ до 10 %, що в 6 - 8 разів перевищує аналоги.

На основі даної структури розроблено високоефективний метод керування характеристиками, який є базовим для нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв на ПАХ.

В дискретно шаруватій структурі тверде тіло - рідина - тверде тіло має місце суттєва дисперсія швидкості акустичних хвиль, параметри яких залежать від нормованої по товщини шару рідини. Показано, що на базі такої структури можуть бути створені високоефективні керовані акустоелектронні пристрої, які по ступеню керованості характеристиками в 2 - 3 рази перевищують аналоги.

Встановлені фізичні механізми генерації, поширення та детектування ПАХ і керування їх параметрами в шаруватій структурі фоточутливий напівпровідник - п'єзоелектрик та в селективно поляризованій п'єзокераміці та тензочутливій структурі ЗШП з п'єзокерамічним звукопроводом. На їх основі створено керовані акустоелектронні пристрої, що в 2-3 рази переважають аналоги по ступеню керованості характеристиками.

Розроблена фізико-математична модель взаємодії ПАХ з адсорбуючою плівкою в шаруватій структурі, яка відображає закономірності зміни вихідного сигналу сенсора газу адекватно зміні концентрації газового компонента. Показано, що для тонкої (kh<<1) полімерної плівки основний механізм взаємодії обумовлений масовим навантаженням адсорбованого газового компоненту. На основі розробленої моделі розвинено метод створення газових сенсорів нового покоління з елементами на ПАХ і адсорбуючими шаруватими структурами, в тому числі з плівками Ленгмюра-Блоджетт.

Розроблений метод аналізу впливу на розрахункові характеристики пристроїв на ПАХ випадкових відхилень топології ЗШП має ряд переваг перед методом Монте-Карло. Він дозволяє, зокрема, чітко визначити статистичні параметри характеристик ПАХ-пристроїв в залежності від характеру похибок топології ЗШП і в десятки разів скоротити обчислювальні витрати. Даним методом встановлена ступінь чутливості параметрів перехідної характеристики класичної структури фільтра на ПАХ до похибок періоду розташування електродів ЗШП і їх перекриття для 16 найбільш часто використовуваних при аподизації вагових функцій. Показано, що по критерію чутливості параметрів характеристики до вказаних похибок оптимальною для зважування ЗШП є функція Кайзера. Визначені фактори, які обмежують досягнення заданих точностей.

Одержана і досліджена нова вагова функція, що базується на теоремі Котельникова і зв'язку імпульсної характеристики з передаточною характеристикою через Фур'є перетворення і враховує дискретизацію та обмеженість імпульсної перехідної характеристики ЗШП. Показано, що функція дозволяє в порівнянні з ваговою функцією Кайзера одержати кращі параметри пристроїв - згасання сигналу за полосою пропускання на 5 дБ і зменшення бокових пелюсток на 7 дБ.

Основні публікації за темою дисертації

Гуляев Ю.В., Лепих Я.И., Калашников А.Н. Исследование характеристик фильтров на поверхностных акустических волнах аналитическим методом. // Радиотехника и электроника. -1988.-Т.33.- №11.-С.2395-2399.

Лепих Я.И. Применение пьезокерамики системы ЦТС в устройствах на поверхностных акустических волнах // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. - 1988.- вып. 5(71). - С.48-50.

Смынтына В.А., Лепих Я.И., Римашевский А.А., Чистяков В.П. Полупроводниковые пленочные элементы, адсорбционно-чувствительные к кислороду // Приборы и системы управления. - 1989.- №2.-С.32-34.

Лепих Я.И., Снегур П.А. Автоматизированный измеритель электрофизических параметров пьезоэлектрических звукопроводов // Приборы и техника эксперимента.- 1989.-№ 1.-С.245-246.

Лепих Я.И. Исследование угловой зависимости скорости ПАВ в кварце различных кристаллографических срезов // Акустоэлектрические и фотоакустические методы исследования вещества. Тематический сборник.-К. - 1989.-С.102-104.

Lepikh Ya.I. Kalashnikov A.N. Optimization of Apodized Interdital Transducers of SAW Devices // Telecom. and Rad. Eng. - 1990.-V. 44.-Pt.-10.-P.107-108.

Лепих Я.И., Протопопов С.Р. Исследование зависимости вносимых потерь в устройствах на ПАВ от частоты // Техника средств связи. Сер. ОТ. - 1990.- Вып. 1.-С.78-83.

Лепих Я.И. Акустопоглощающий материал для массового производства устройств на поверхностных акустических волнах // Техника средств связи. Сер ТПО.-1990.-Вып. 1.-С.78-79. ДСП.

Калашников А.Н., Лепих Я.И., Назаренко А.Ф. Анализ чувствительности параметров комплексной частотной характеристики устройств на поверхностных акустических волнах к воздействию технологических факторов // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1994. - №1. -С.18-25.

Калашников А.Н., Лепих Я.И., Литвинов В.Ф., Назаренко А.Ф. Сравнительный анализ АЧХ LC-фильтров Баттерворта и АЧХ фильтров на ПАВ с учетом технологических факторов // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1996. -Т.39. - №1.- С.55-62.

Лепих Я.И. Датчик с элементом на поверхностных акустических волнах для измерения толщины пленок // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - №6.- С.145.

Лепих Я.И. Автоматизированная установка поляризации пьезокерамики // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - №6. -С.146.

Лепих Я.И. Температурные осцилляции проводимости пьезокерамики // Письма в ЖТФ. - 1996.- Т.22.- Вып.14. -С.65-67.

Lepikh Ya. I. Selective polarization of ferroelectrics in Functional electronics // Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron..-1999.-V. 2.-№ 3.-P.38-40.

Лепих Я.И. Метод оптимизации импеданса преобразователей поверхностных акустических волн // Радіоэлектроніка та інформатика. - 1999. - № 1.-С.10-11.

Лепіх Я.І. Особливості проектування вузькосмугових фільтрів на ПАХ з п`єзокерамічним звукопроводом // Радіоелектроніка та інформатика.-1999.-№ 2.-С.17-18.

Lepikh Ya. I. High-temperature ferroelectric ceramic sensor with increased sensitivity and dunamic response // Thermoelectricity.-1999.- № 4.-P.26-30.

Лепих Я.И. Фотоуправляемый акустоэлектронный преобразователь // Фотоэлектроника.-1999.-Вып. 8.-С.121-122.

Lepikh Ya. I. Strain effect in surface acoustic wave elements with a piezoelectric acoustic line and sensors based on this effect // Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron.-2000.-V. 3.-№ 1.-P.91-93.

Lepikh Ya. I. Physical mechanism of ferroceramic electrical conductivity temperature oscillations // Semicond. Phys. Quant. Electron.Optoelectron.-2000.-V. 3.-№ 3.-P.16-17.

Lepikh Ya.I., Smyntyna V.A., Pronichkin V.D. Sensing properties of sodium stea-rate Langmuir-Blodgett films // Funktional Materials.-2000.-V.7.-№ 1.-P.176-178.

Lepikh Ya. I. The procedure to increase selectivity of acoustoelectronic gas sensors with film elements // Funktional Materials.-2000.-V. 7.-№ 2.-P. 356-357.

Лепих Я.И., Смынтына В.А. Функциональные материалы на основе комплексных соединений германия // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26. - Вып.4.-С.72-76.

Лепих Я.И. Весовая функция, учитывающая дискретность и ограниченность импульсной характеристики фильтров на поверхностных акустических волнах // Радіоелектроніка та інформатика.-2000.-№ 1.-С. 4-8.

Лепіх Я.І., Сминтина В.А. Адсорбційні властивості плівкових структур комплексонатів германію // Науковий вісник Чернівецького держ. ун-ту ім. Ю.А.Федьковича.-2000.-№ 79.-С. 98-100.

Лепіх Я.І. Дослідження газосенсорних властивостей елементів на поверхневих акустичних хвилях з плівковими структурами // Науковий вісник Чернівецького держ. ун-ту ім. Ю.А.Федьковича.-2000.-№ 86.-С.96-100.

Авторські свідоцтва

Фильтр на поверхностных акустических волнах. А.с. №1235442. СССР МКИ Н ОЗ Н. 9/64 / Я.И.Лепих, Л.С.Прохоров (СССР).-Опубл.01.02.86. ДСП

Устройство для контроля пьезоэлектрических звукопроводов. А.с. № 1420382. СССР. МКИ G 01 Н 5/00. Опубл. 30.08.88. / Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). Бюл. № 32.

Преобразователь поверхностных акустических волн. А.с. №1545917. СССР МКИ Н ОЗ Н. / Я.И. Лепих (СССР).13.07.87. ДСП.

Фильтр на поверхностных акустических волнах. Решение о выдаче А.с. СССР по заявке № 4319074/22 (156809) от 20.10.87. МКИ Н 03 Н 9/64 / Я.И.Лепих, П.А. Снегур (СССР).

Устройство для измерения параметров пьезоэлектрических звукопроводов. А.с. №1501685. СССР. МКИ G 01 Н 5/00. Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). 15.04.89. ДСП.

Управляемое акустоэлектронное устройство. А.с. №1627048. СССР. МКИ Н ОЗ Н. 8.10.90. / Я.И. Лепих, Ю.В. Гуляев, П.А. Снегур (СССР). Заявлено 5.06.88. ДСП.

Поглотитель поверхностных акустических волн. А.с. № 1586471 СССР, МКИ Н 01 L 41/18 / Я.И. Лепих, С.Р.Протопопов (СССР) Заявлено 22.08.88. ДСП.

Преобразователь давления на ПАВ. А.с. №1722140. СССР. МКИ Н ОЗ Н. 9/64. Ю.В. Гуляев, Я.И. Лепих, П.А.Снегур (СССР). Заявлено 05.12.89. ДСП.

Материал для поглощения поверхностных акустических волн. А.с. № 1713404. СССР. А1 МКИ Н 03 Н 3/08 / Я.И. Лепих, С.Р.Протопопов (СССР). Заявлено 05.12.89. ДСП.

Фильтр на поверхностных акустических волнах. А.с. №1731023. СССР МКИ Н ОЗ Н. Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). 28.01.91. ДСП.

Доповіді і тези доповідей на наукових конференціях

Лепих Я.И., Калашников А.Н. Определение зависимости характеристик фильтров на ПАВ от технологических погрешностей // В кн.: Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике.-1986.-Ч. 2.-С.323-324.

Лепих Я.И. Исследование температурных зависимостей электрофизических параметров пьезокерамики ЦТС. // В кн.: Тезисы докладов XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике. -Тбилиси. Изд. Тбилисского госуниверситета. -1987. Ч.III.- С.3-4. ДСП.

Лепих Я.И. Устройство на ПАВ с управляемой АЧХ. // В кн.: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах". - Черкассы. - 1990. -С.165-166.

Lepikh Ya.I. Studies of piezoceramic materials for acoustoelectronics // Electronics ceramics production and properties: Proceeding of the Internаt/ Confer. / Edited by A.Krumins. - R.: LU, 1990. - Part II. P.31033.

Лепих Я.И. Датчики механических величин на поверхностных акустических волнах // 35. Internationales Wissenschaftliches Kollogvium technische Hochschule Ilmenau. DDR. - 1990. Vortragsreine. B9. S.80-82.

Лепих Я.И. Изменение импеданса встречно-штыревого преобразователя ПАВ секционированием // В кн.: Аннотации докладов ХІ Всесоюзной акустической конференции.-М.-1991.-С. 32.

Kalashnikov A.N., Lepikh Ya.I., Nazarenko A.F. The comparison between the theoretical and experimental analysis results of the SAW device fabrication error influence // Proc. Internat. symp. Acoustoelectronics, freguency control and signal generation. Moscow. MREI publishers. - 1996. pp.327-331.

Lepikh Ya. I. Controlled acousto-optical SAW generator // Proc. Internat. symp. Acoustoelectronics, frequency control and signal generation. Moscow. MREI publishers.-1996.-P. 192-193.

Лепих Я.И. Датчик для измерения усилия натяжения упругих поверхностей // Сб. докл. V Международной конф. "Пьезотехника-96". -Россия.-Бар-наул. Изд-во Алтайского гос. ун-та, им. И.И. Ползунова. - 1996.- С.74-75.

Lepikh Ya.I. The unified surface acoustic wave transducer for the physical value sensors // IV-th NEXUSPAN Workshop on sensors for control of irradiation. - 30-31 May. - 1997. Odessa. pp.75-76.

Lepikh Ya.I. New procedure to increase selectivity of acoustoelectronic gas sensors with film elements // Workshop "Sensors springtime in Odessa". Odessa. - 29-30 May. - 1998. p.48.

Размещено на Allbest.ru