Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі "тверде тіло-п’єзоелектрик"

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

01.04.07 - фізика твердого тіла

УДК 534.2:539.2

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Автореферат

Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик

Козаченко Віктор Васильович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Кучеров Іван Якович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, професор кафедри загальної фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професорРепецький Станіслав Петрович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, професор кафедри фізики функціональних матеріалів доктор технічних наук, старший науковий співробітник Прокопенко Георгій Іванович, Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, м.Київ, завідувач відділу акустики твердого тіла.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників

ім.В.Є. Лашкарьова НАН України, відділ фізики і

технології низьковимірних систем, м.Київ

Захист відбудеться 20 червня 2005р. о 16.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022 м. Київ, проспект акад. Глушкова, 2, корп.1, фізичний факультет, ауд. № 200

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ. вул. Володимирська, 58

Автореферат розісланий 11 травня 2005 р.

Вчений секретарспеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 доктор фізико-математичних наук Поперенко Л.В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки широке розповсюдження для вивчення речовин в різних агрегатних станах і процесів в них, а також безконтактного збудження акустичних коливань і хвиль знайшов фототермоакустичний (ФТА) ефект. Найбільш важливим моментом в фототермоакустиці є використання теплових (температурних) хвиль як носіїв інформації про властивості речовини. Оскільки теплові хвилі за своїми властивостями (нелінійний закон дисперсії) відрізняються від електромагнітних і акустичних хвиль, то це створило можливості для розробки нових, з унікальними властивостями, ФТА методів досліджень: в спектроскопії і мікроскопії; мікротехнології; неруйнівному контролі та ін. Досить важливою особливістю ФТА методів досліджень є залежність інформації, яка отримується, від методу реєстрації теплових хвиль. З багатьох відомих методів реєстрації теплових хвиль, на практиці, найбільше поширення знайшли акустичні методи (газомікрофонний та п'єзоелектричний). Для дослідження твердих тіл перспективним є ФТА ефект з п'єзоелектричною реєстрацією. Однак, задача ФТА ефекту в твердих тілах з п'єзоелектричною реєстрацією в загальному випадку досить складна, тому розвязана вона лише для частинних випадків. В зв'язку з цим, подальші теоретичні дослідження ФТА ефекту в твердих тілах з п'єзоелектричною реєстрацією, особливо для умов, які найкраще задовольняють умовам експерименту та експериментальна їх перевірка є актуальними. Все це обумовило вибір теми дисертації, яка присвячена теоретичному і експериментальному дослідженню ФТА ефекту в шаруватих пластинах тверде тіло-п'єзоелектрик.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження проводились за комплексною науковою програмою "Матеріали і речовини" за планами досліджень науково-дослідної лабораторії "Фізичне матеріалознавство твердого тіла" кафедри загальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в межах тем: № 97018 "Акустичні та фототермоакустичні явища в шаруватих структурах" (номер держреєстрації 0197U003064), № 01БФ051-09 "Теоретичне та експериментальне дослідження фізичних властивостей неоднорідних систем на основі матеріалів акусто-опто-електроніки та мікроелектроніки" (номер держреєстрації 0101U002478) .

Мета і задачі дослідження.

Метою досліджень було створення теоретичної моделі фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик, та з'ясування можливості розробки, на її основі, нових ФТА методів визначення деяких пружних, теплових та електричних параметрів твердих тіл.

Для досягнення мети дослідження необхідно було розв'язати наступні задачі:

Розрахувати різницю потенціалів на довільному шарі п'єзоелектрика, що входить до складу шаруватої структури тверде тіло-п'єзоелектрик при фототермоакустичних коливаннях для випадків твердих тіл з суттєво різними фізичними властивостями та для випадку, коли опромінюється модульованим світловим потоком не досліджуване тверде тіло, а п'єзоелектрик.

Перевірити експериментально результати теоретичних розрахунків та провести порівняльний аналіз з літературними даними.

Проаналізувавши теоретичні розрахунки та експериментальні дані, створити нові ФТА методи визначення деяких пружних, теплових та електричних параметрів твердих тіл.

Об'єкт дослідження - п'єзоелектрична реєстрація фототермоакустичного перетворення.

Предмет дослідження - фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на методах математичної фізики. Експериментальні - на фототермоакустичному методі з гармонічною модуляцією збуджуючого світлового потоку та методі двошарового п'єзодатчика, запропонованого в нашій лабораторії.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

Запропонована теоретична модель фототермоакустичного ефекту в твердому тілі при п'єзоелектричній реєстарації теплових хвиль. Розглядається структура у вигляді шаруватої пластини тверде тіло - п'єзоелектрик для найбільш загального випадку - без обмежень на оптичні і теплові властивості твердого тіла.

Показано, що при використанні двошарового п'єзодатчика в оптично непрозорих речовинах відношення амплітуд () і тангенса різниці фаз (tg()) електричних сигналів, що знімаються з окремих шарів п'єзодатчика при відносно високих частотах залежать від оберненого кореня квадратного від частоти () по лінійному закону.

Розглянуто теорію фототермоакустичного ефекту в шаруватій пластині напівпровідник-п'єзоелектрик. Показано, що фотогенерація нерівноважних електронно-діркових пар і їх дифузія не впливають на характер частотної залежності інформативного сигналу, а в області лінійної залежності від , впливає на її кутовий коефіцієнт. Це пов'язується з тим, що властивості теплових хвиль і хвиль нерівноважних електронно-діркових пар подібні.

Вперше теоретично показано і експериментально підтверджено, що в вільній п'єзоелектричній пластині фототермоакустичний ефект визначається тільки первинним піроелектричним ефектом.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони сприяють більш глибокому розумінню фізичної природи фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик, а запропоновані в роботі нові ФТА методи визначення зведеного модуля Юнга, коефіцієнта теплової дифузії та коефіцієнта амбіполярної дифузії носіїв заряду можуть бути використані при дослідженнях твердих тіл у вигляді тонких пластин або плівок.

Особистий внесок здобувача. Всі матеріали, викладені в дисертації, опубліковані автором разом із співавторами. У всіх роботах здобувач безпосередньо брав участь в обговоренні та аналізі результатів досліджень, написанні та оформленні статей та матеріалів конференцій. В роботах [1, 4, 5] здобувач приймав участь в формулюванні мети та задач досліджень. В роботах [1, 4, 5, 6] виконав під керівництвом проф. Кучерова І.Я. теоретичні розрахунки. В роботах [1, 2, 4, 5, 6] самостійно виконав весь обсяг експериментальних досліджень. В роботі [3] здобувач експериментально дослідив ФТА ефект в шаруватих структурах композитний матеріал-п'єзоелектрик та визначив з експериментальних даних зведений модуль Юнга та коефіцієнт теплової дифузії для всіх досліджуваних зразків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені, доповідалися, і обговорювалися на конференціях, симпозіумах та нарадах: міжнародній конференції “International Forum on Wave Electronics and Its Applications” (Санкт-Петербург, 2000); IV міжнародній конференції молодих науковців “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems” (Санкт-Петербург, 2001); міжнародній конференції “Problem of Interaction of Radiation with Matter” (Гомель, 2001); Всеукраїнській конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2002” (Львів, 2002); 1-ій Українській науковій конференції з фізики напівпровідників “УНКФН-1” (Одеса, 2002); міжнародній конференції “Тонкие плёнки и слоистые структуры” (Москва, 2002), Всеукраїнській конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2003” (Львів, 2003), міжнародній конференції “Spectroscopy in Spatial Applications” (Київ, 2003); Всеукраїнській конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2004” (Львів, 2004).

Публікації. У ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 15 наукових праць (у тому числі: 6 статей у фахових журналах та 9 в матеріалах та тезах наукових конференцій).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел зі 121 найменування. Повний обсяг дисертації становить 143 сторінки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить інформацію про актуальність теми дисертації, зв'язок роботи з науковими програмами, мету і задачі дослідження, наукову новизну одержаних результатів, їх практичне значення, особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі розглянуто теорію фототермоакустичного ефекту в твердих тілах. Проведено огляд літератури з методів реєстрації теплових хвиль. Наведено сучасний стан з проблеми п'єзоелектричної реєстрації фототермоакустичного ефекту. Наведені сучасні уявлення про механізми ФТА ефекту в напівпровідниках. Розглянуто дослідження ФТА ефекту в інших речовинах.

У другому розділі описана експериментальна установка для дослідження ФТА ефекту в твердих тілах з п'єзоелектричною реєстрацією, на якій проводились експериментальні дослідження ФТА ефекту в рамках дисертаційної роботи. Проведено аналіз похибок вимірювання. Відносна похибка визначення амплітуди інформативного сигналу у всіх дослідженнях проведених в рамках даної дисертаційної роботи залежала від частоти (з ростом частоти збільшувалась) і не перевищувала 12% для довірчої ймовірності 0,95.

У третьому розділі приведені результати теоретичних та експериментальних досліджень ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик. Розділ складається з шести підрозділів.

В підрозділі 3.1 теоретично досліджується ФТА ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик для випадку відносно низьких частот при яких довжина акустичних хвиль набагато більша геометричних розмірів досліджуваної структури (квазістатичне наближення) та без обмежень на теплові та оптичні параметри шару твердого тіла, що входить до складу структури. Отриманий вираз для електричної напруги на певному шарі п'єзоелектрика дуже складно залежить від теплових, пружних, оптичних і геометричних параметрів досліджуваного твердого тіла і п'єзоелектрика та від частоти модуляції світлового потоку, яким опромінюється тверде тіло. Це робить практично неможливим аналітичний аналіз ФТА ефекту в досліджуваній структурі. Тому для з'ясування основних властивостей ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик проводиться його аналіз для деяких окремих випадків(п.3.2, п.3.3).

В підрозділі 3.2 приводяться результати аналізу ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик для випадку оптично непрозорих речовин. В цьому випадку вираз для електричної напруги на довільному шарі п'єзоелектрика приймає вигляд інтенсивність світла; - коефіцієнт, що показує частину світлової енергії яка йде на нагрівання досліджуваної структури; - теплопровідність; , , , , - параметри, що залежить від геометричних і матеріальних констант структури; - відносна координата шару товщиною п'єзодатчика, з якого знімається напруга (- його відносна товщина); - відносна координата нейтральної площини при чистому поверхневому розтязі структури; - зведений модуль Юнга зразка( - модуль Юнга, - коефіцієнт Пуасона), - зведений модуль Юнга п'єзоелектрика; , і - діелектрична проникність, пєзомодуль і піроелектрична стала речовини п'єзоелектрика, відповідно; і - лінійний коефіцієнт теплового розширення зразка і п'єзоелектрика, відповідно; і - коефіцієнти теплової дифузії зразка і п'єзоелектрика, відповідно; - циклічна частота модуляції світлового потоку; - товщина зразка; - загальна товщина структури.

Перший доданок в (1), описує частину електричної напруги на п'єзоелектрику, яка визначається термопружними деформаціями п'єзоелектрика (п'єзоелектрична частина), а другий доданок - частину електричної напруги, яка визначається нагріванням п'єзоелектрика (піроелектрична частина). Піроелектрична частина електричної напруги також складається з двох доданків: перший обумовлений первинним піроелектричним ефектом, другий - вторинним піроелектричним ефектом.

З (1) видно, що п'єзоелектрична частина може дорівнювати нулеві, коли .Така ситуація можлива і для напруги на всьому п'єзоелектрику. І, якщо теплова хвиля до п'єзодатчика не доходить (відносно високі частоти модуляції світлового потоку), то напруга на п'єзодатчику буде дорівнювати нулеві. Цю особливість ФТА ефекту покладено в основу запропонованого методу визначення зведеного модуля Юнга оптично непрозорих твердих тіл.

Далі аналізується випадок двошарового п'єзодатчика, який дозволяє подолати труднощі в інтерпретації експериментальних результатів.

Для випадку двошарового п'єзоперетворювача при однаковій товщині шарів ( - товщина шару п'єзоелектрика) для відношення електричних напруг, що знімаються з цих шарів п'єзоперетворювача ( - з першого від зразка, - з другого), отримали:

Проаналізовано амплітудно-частотну і фазово-частотну залежності відношення інформативних сигналів для речовин, які добре проводять тепло (це в основному метали). В цьому випадку

За формулою (3) були розраховані амплітудно-частотні і фазово-частотні залежності для Cu, Ag і Au, п'єзоелектрик - ЦТС-19. Показано, що в області відносно низьких частот, відношення сильно змінюється і зі зменшенням частоти його абсолютне значення монотонно зростає. Різниця фаз ( ) між сигналами, що знімаються з різних шарів п'єзодачика, має мінімум і при прямує до . Тобто, в області відносно низьких частот, сигнали знаходяться в протифазі.

Розглянуті випадки зразків з різними тепловими властивостями (термічно товсті і термічно тонкі). Проаналізовано співвідношення між і. Показано, що для термічно тонких зразків , а для термічно товстих, навпаки .

У випадку термічно товстих зразків при відносно високих частотах для відношення напруг на окремих шарах п'єзодатчика, отримано:

Відносно високих частот модуляції світлового потоку і є лінійними функціями від оберненого квадратного кореня з частоти ( ). На базі цієї особливості амплітудно-частотних і фазово-частотних залежностей ФТА сигналів запропоновано новий метод визначення деяких пружних (зведеного модуля Юнга) і теплових (коефіцієнта теплової дифузії) параметрів твердих тіл, який полягає в наступному. Екстраполюючи експериментальну залежність в точку з (5), отримуємо:

Знаючи товщини зразка і шарів п'єзодатчика, розраховуємо та . Тоді з (6) знаходимо , що за відомої величини зведеного модуля Юнга п'єзодатчика, дозволяє знайти досліджуваного зразка. Знайшовши і розрахувавши та , за кутовим коефіцієнтом експериментальних залежностей чи з використанням виразів (5), знаходимо значення.

В підрозділі 3.3 аналізується ФТА ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик для випадку оптично прозорих зразків.

Показано, що у випадку оптично прозорої речовини сигнал, який знімається з п'єзоелектрика обернено пропорційний частоті. У випадку оптично непрозорих речовин аналогічна залежність суттєво складніша.

Розглянутий також граничний випадок, коли товщина оптично прозорого твердого тіла рівна нулеві - випадок вільної п'єзоелектричної пластинки. В цьому випадку електрична напруга на п'єзоелектрику дорівнює

Амплітуда електричного сигналу обернено пропорційна частоті, а фазовий зсув від частоти не залежить і дорівнює „ ”. Електрична напруга в вільному п'єзоелектрику визначається тільки первинним піроелектричним ефектом ( ). В п'єзоелектрику в якому відсутній піроелектричний ефект, при вільних фототермоакустичних коливаннях пластини, різниця потенціалів між поверхнями буде дорівнювати нулеві.

В підрозділі 3.4 приводяться результати експериментальних досліджень ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзолелктрик. Досліджувались оптично непрозорі і оптично прозорі речовини. Досліджувався вплив геометричного параметра зразків (товщини) і частоти модуляції світла, при різних умовах (термічно прозорі і термічно непрозорі).

а) Вплив товщини зразка. Досліджувалась залежність амплітуди електричного сигналу на кожному шарі п'єзодатчика ( i ) від товщини оптично непрозорого зразка при різних частотах модуляції світла. Речовиною зразків була сталь СТ-21. Результати цих досліджень для приведені на рис. 1 значками. оптичний напівпровідник термопружність коливання

Як видно з рис.1 напруга, що знімалась з першого від зразка (твердого тіла структури) шару п'єзодатчика, з ростом відносної товщини зразка спочатку зменшується і при деякому її значенні змінює свій знак (має нульове значення) і далі зростає. Зміни напруги тим більші, чим нижча частота модуляції ( ) збуджуючого світлового потоку, на якій проводились дослідження. Слід звернути увагу на те, що відносна товщина зразка, при якій напруга змінює свій знак, не залежить від частоти модуляції світла.

З експериментальних залежностей по точці за запропонованою новою методикою було визначено зведений модуль Юнга для сталі. Він виявився рівним , що узгоджується з результатом, розрахованим за довідковими даними [1] . Використовуючи отримане значення для зведеного модуля Юнга, були розраховані теоретичні залежності (на рис.1 - суцільні лінії), які добре узгоджуються з експериментом.

б) Амплітудно-частотні і фазово-частотні залежності. Досліджувались залежності від частоти модуляції світла амплітуди сигналів i , що знімались з окремих шарів п'єзодатчика, і їх фазового зсуву, а також відношення амплітуд сигналів і різниці фаз між ними. Дослідження проводились в частотному інтервалі 9-1000Гц. Досліджувались оптично-непрозорі зразки Zn(h1=1,13 мм) і Cu (h1=0,97 мм і h1=1,64 мм). В зразках Zn(h1=1,13 мм) і Cu (h1=1,64 мм) в досліджуваному частотному інтервалі реалізовувався випадок термічно товстих зразків. А в зразку Cu (h1=0,97 мм) в області нижніх частот реалізовувався випадок термічно тонкого зразка, а в області верхніх частот - термічно товстого, тобто реалізовувався перехід від термічно тонкого до термічно товстого зразків. Результати експериментальних досліджень представлені на рис.2, рис.3 та рис.4. На рис.2. - залежність та від частоти ( ), а на рис. 3 та рис.4 - залежності та , відповідно.

З експериментальних даних, за запропонованою методикою, були визначені зведений модуль Юнга і коефіцієнт теплової дифузії для Zn і Cu. Отримані значення наведені в таб. 1. Для порівняння в таб.1. наведені також літературні значення цих параметрів. Видно, що отримані значення добре узгоджуються з довідниковими.

З використанням цих експериментально визначених значень і , за формулами (1) та (3) для Zn і Cu, були розраховані теоретичні залежності, які приведені на рис. 2, рис.3 та рис.4 суцільними лініями. Видно, що експериментальні залежності добре узгоджуються з розрахованими.

в) ФТА ефект в оптично прозорих зразках. Найбільш характерною особливістю ФТА ефекту в оптично прозорих середовищах, як відмічалось вище, є відносно проста залежність інформативного сигналу від частоти - електрична напруга на п'єзодатчику обернено пропорційна частоті. З метою перевірки цієї особливості були проведені дослідження залежності сигналів, що знімаються з окремих шарів п'єзодатчика, від частоти модуляції світла. Досліджуваною речовиною служило прозоре для звичайного світла технічне скло. Дослідження показали, що U(f) має просту степеневу залежність. Середній показник степеня залежностей U1(f) дорівнює “-0,93”, а залежностей U2(f) - “-0,76”.

г) ФТА ефект в вільній п'єзоелектричній пластині. В підрозділі 3.3 було показано, що в вільній п'єзоелектричній пластині при ФТА ефекті різниця потенціалів між її поверхнями визначається тільки первинним піроелектричним ефектом. З метою перевірки цього результату теоретичного аналізу були проведені експериментальні дослідження на пластині пєзокераміки ЦТС-19. Результати експериментальних досліджень представлені на рис.5 (амплітудно-частотна залежність) та рис.6 (фазово-частотна залежність) значками. Суцільні лінії - теоретичні залежності, розраховані за (7).

Для порівняння, такі ж самі дослідження були проведені і на вільній п'єзоелектричній кварцевій пластині х-зрізу. Як відомо з [4], в кристалічному кварці піроелектричний ефект відсутній. Ці дослідження показали, що при ФТА ефекті в кварцевій пластині, при таких же самих умовах, що і в пластині ЦТС-19, різниця потенціалів між поверхнями пластини дорівнює нулеві.

В підрозділі 3.5 розглядалась теорія ФТА ефекту в напівпровідниках для шаруватої структури тверде тіло-п'єзоелектрик. Було отримано вираз для електричної напруги , що виникає в деякому шарі п'єзоелектрика. Напруга, яка знімається з деякого шару п'єзоелектрика, досить складно залежить від матеріальних та геометричних параметрів структури, від координати шару, а також від частоти модуляції світлового потоку.

Для випадку ( - час життя нерівноважних носіїв заряду) вираз для спрощується і приймає вигляд

Для випадку застосування двошарового п'єзодатчика для реєстрації акустичних коливань при однаковій товщині цих шарів п'єзодатчика для відношення напруг при відносно високих частотах для напівпровідників типу Si ( ), отримано:

З (9) видно, що в випадку напівпровідника, в області відносно високих частот частотна залежність така сама, як і для ненапівпровідникового твердого тіла. Відрізняються вони тільки кутовим коефіцієнтом. Це, мабуть, пов'язано з тим, що при властивості хвиль електронно-діркової плазми подібні з властивостями теплових хвиль. На основі цих особливостей амплітудно-частотних та фазово-частотних залежностей було запропоновано новий ФТА метод визначення зведеного модуля Юнга та коефіцієнта амбіполярної дифузії носіїв заряду напівпровідника.

Експеримент виконувався на зразку з кремнію (). Зразок мав форму шайби діаметром 15 мм і товщиною 510 мкм. Досліджувались залежності (від частоти модуляції світла) амплітуди і фазового зсуву ФТА сигналів, що знімались з окремих шарів пєзодатчика в частотному інтервалі 140-600 Гц.

Результати експериментальних досліджень для залежності від частоти представлені на рис.7 значками. Як видно з наведених експериментальних даних, при збільшенні частоти відношення лінійно залежить від оберненого квадратного кореня з частоти, що узгоджується з теоретичним аналізом. З експериментальних даних, способом описаним вище, було визначено зведений модуль Юнга і коефіцієнт амбіполярної дифузії нерівноважних носіїв заряду для кремнію. Отримано наступні дані: , . З використанням цих даних та значення за формулою (9) була розрахована теоретична залежність , яка наведена на рис.7 суцільною лінією. Видно, що в досліджуваній області частот експериментальні і теоретичні дані добре узгоджуються між собою.

В підрозділі 3.6 для уникнення впливу фотоопромінювання напівпровідника при ФТА дослідженнях на термопружні параметри зразка запропоновано в відповідній шаруватій пластині ФТА коливання збуджувати опроміненням п'єзоелектрика. Розглядається випадок, коли теплова хвиля напівпровідника не досягає. Для цього випадку розраховано різницю потенціалів на шарі п'єзоелектрика:

З (10) видно, що в цьому випадку суто напівпровідникові властивості в ФТА ефекті не проявляються. Інформативний сигнал залежить тільки від пружних параметрів напівпровідника. Воно й зрозуміло, оскільки нема генерації електронно-діркових пар. По своїм термопружним характеристикам ця структура подібна до шаруватої пластини тверде тіло-п'єзоелектрик. Якщо порівняти відповідні вирази для інформативного сигналу цих структур, то видно, що частотні залежності у них подібні. Це означає, що і в структурі п'єзоелектрик-напівпровідник можна використовувати запропонований вище метод визначення пружних параметрів ізотропних напівпровідників. Крім того, особливість шаруватої структури п'єзоелектрик-напівпровідник дозволяє досліджувати вплив опромінювання напівпровідників на їх пружні властивості.

Для випадку, коли шар напівпровідника відсутній (вільний п'єзоелектрик, ), показано (аналізуючи (10)), що напруга на вільному п'єзоелектрику при фототермоакустичних коливаннях дорівнює нулеві . Це збігається з результатами отриманими в п.3.3.

Експериментальні дослідження проводились на шаруватій структурі кристалічний кварц х-зрізу-кремній у вигляді тонкої пластини та на вільній кварцевій пластині х-зрізу, що використовувалась в цій шаруватій структурі, окремо. Досліджувались залежності амплітуди ФТА сигналу, що знімався з шару пєзоелектрика, від частоти модуляції світла.

Результати експериментальних досліджень представлені на рис.8 значками. Як видно з рис.8, експериментальна залежність ФТА сигналу від частоти, отримана в шаруватій структурі кварц-кремній, з ростом частоти монотонно спадає. За формулою (10) було розраховано амплітудно-частотну залежність для досліджуваного випадку. Ця залежність наведена на рис.8 лінією. Прив'язку кривої з експериментом було зроблено в точці Гц. Як видно з наведеного рисунку, теоретичні дослідження добре узгоджуються з експериментальними.

У четвертому розділі розглянуто можливість застосування ФТА методу з п'єзоелектричною реєстрацією для дослідження полімерів, композитних матеріалів з полімерною матрицею та п'єзоелектричних керамік. Цей розділ складається з трьох підрозділів.

В підрозділі 4.1 наведені результати дослідження ФТА ефекту в шаруватій структурі полімер-п'єзоелектрик. Експеримент виконано на зразках поліуретану (ПУ), поліпропілену (ПП) та найлону (Н6) різної товщини. Досліджувались амплітудно-частотні і фазово-частотні залежності сигналів, що знімались з окремих шарів п'єзодатчика.

Дослідження фазово-частотних залежностей ФТА сигналу показало, що для всіх зразків в досліджуваній області частот тангенс різниці фаз ( ) між сигналами, які знімались з окремих шарів п'єзодатчика, приблизно дорівнює нулеві, а частотні залежності від , в досліджуваному частотному інтервалі добре апроксимуються прямими. В дисертації в п.3.2 було показано, що подібна поведінка частотної залежності від характерна для інтервалу частот, на яких зразок є термічно товстим. Це означає, що для визначення і можна використовувати запропоновану в дисертації методику.

З експериментальних амплітудно-частотних залежностей, за вище наведеною методикою були визначені зведений модуль Юнга ( ) і коефіцієнт теплової дифузії ( ) всіх зразків досліджених полімерів, які наведені в таб. 2.

Підрозділ 4.2 присвячений дослідженню зведеного модуля Юнга і коефіцієнта теплової дифузії композитного матеріалу (КМ): фторопласт (ФП)(матриця) - терморозширений графіт(ТРГ) (наповнювач). Досліджувались залежності амплітуд сигналів, що знімаються з окремих шарів п'єзодатчика, і їх фазового зсуву від частоти модуляції світлового потоку для зразків КМ із різною концентрацією наповнювача ТРГ. Поведінка амплітудно-частотних та фазово-частотних залежностей виявилася аналогічною до поведінки відповідних залежностей для полімерів. Це дало змогу за запропонованою в дисертації методикою визначити і для всіх зразків КМ. Було проаналізовано поведінку зведеного модуля Юнга та коефіцієнта теплової дифузії від концентрації наповнювача.

В підрозділі 4.3 наведені результати досліджень п'єзокераміки ЦТС-19. Досліджувалась залежність відношення сигналів та різниці фаз фототермоакустичних сигналів, що знімались з окремих шарів двошарового п'єзодатчика від частоти в системі зразок-двошаровий п'єзодатчик. Дослідження проводились в режимі холостого ходу зразка і в режимі короткого замикання. В випадку короткого замикання п'єзоефект екранувався і його вплив виключався.

Показано, що обидві залежності зі збільшенням частоти прямують до певних значень - для режиму холостого ходу воно дорівнює , а для режиму короткого замикання . В нашому випадку при короткому замиканні екранувався п'єзоелектричний ефект і це призвело до зменшення , а відповідно, і зведеного модуля Юнга зразка.

За результатами дослідів, описаних вище, були розраховані коефіцієнти теплової дифузії для випадку незакороченого та закороченого п'єзоелектрика. Також був розрахований зведений модуль Юнга для випадку закороченого п'єзоелектрика.

Проведені дослідження показали, що наявність п'єзоефекту збільшує зведений модуль Юнга і дещо зменшує коефіцієнт теплової дифузії. Подібна поведінка пружних параметрів якісно збігається з літературними даними [5].

ВИСНОВКИ

Більшість методів дослідження твердих тіл, що базуються на фототермоакустичному ефекті з п'єзоелектричною реєстрацією, носять якісний характер, а саме: в ФТА мікроскопії досліджуються зміни контрасту амплітудних і фазових зображень, в ФТА спектроскопії - зміни амплітуди та фази ФТА сигналу. Кількісний аналіз ФТА ефекту в твердому тілі з п'єзоелектричною реєстрацією зроблений тільки для деяких окремих випадків.

В дисертації ФТА ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик проаналізовано кількісно для найбільш загального випадку. Достовірність отриманих результатів ґрунтується на застосуванні комплексу апробованих експериментальних і теоретичних методів, проведенні досліджень у широкому інтервалі зміни фізичних параметрів речовин та масиві експериментальних даних, отриманих в роботі. Результати роботи можуть бути використані для побудови ФТА методів дослідження твердих тіл, процесів, що в них протікають, а також для визначення їх пружних та теплових параметрів.

Запропоновано теоретичну модель ФТА ефекту в твердому тілі при п'єзоелектричній реєстрації теплових хвиль. Розглядається структура у вигляді шаруватої пластини тверде тіло - п'єзоелектрик для найбільш загального випадку - без обмежень на оптичні і теплові властивості твердого тіла. Показано, що електрична напруга, яка знімається з довільного шару п'єзоелектрика складним чином залежить від багатьох фізичних і геометричних параметрів структури та від частоти модуляції світлового потоку і складається з двох частин: одна визначається термопружними коливаннями структури (п'єзоелектрична складова); друга - нагрівом п'єзоелектрика (піроелектрична складова).

На прикладі оптично непрозорих речовин теоретично і експериментально показано, що при певних фізичних і геометричних параметрах досліджуваної структури п'єзоелектрична складова інформативного сигналу може дорівнювати нулеві. Цю особливість запропоновано використовувати для визначення зведеного модуля Юнга досліджуваної речовини.

Показано, що при використанні двошарового п'єзодатчика в оптично непрозорих речовинах відношення амплітуд () і тангенса різниці фаз (tg()) електричних сигналів, що знімаються з окремих шарів п'єзодатчика при відносно високих частотах залежать від оберненого кореня квадратного від частоти () лінійно. На базі цієї особливості амплітудно-частотних і фазово-частотних залежностей фототермоакустичних сигналів запропоновано новий метод визначення деяких пружних і теплових параметрів твердих тіл, який експериментально перевірений на зразках Cu та Zn.

Розглянуто теорію фототермоакустичного ефекту в шаруватій пластині напівпровідник-п'єзоелектрик. Показано, що фотогенерація нерівноважних електронно-діркових пар і їх дифузія не впливають на характер частотної залежності інформативного сигналу, а в області лінійної залежності від впливає на її кутовий коефіцієнт. Це пов'язується з тим, що властивості теплових хвиль і хвиль нерівноважних електронно-діркових пар подібні.

Для уникнення впливу фотоопромінювання напівпровідника при ФТА дослідженнях на термопружні параметри зразка запропоновано, в відповідній шаруватій пластині, ФТА коливання збуджувати опроміненням п'єзоелектрика. Такий ФТА спосіб дослідження напівпровідника експериментально апробовано в кремнії.

Вперше теоретично показано і експериментально підтверджено, що в вільній п'єзоелектричній пластині ФТА ефект визначається тільки первинним піроелектричним ефектом.

7. Показано, що ФТА ефект в шаруватій пластині тверде тіло-п'єзоелектрик, на відносно низьких частотах, може бути використаний для дослідження деяких пружних і теплових властивостей полімерних плівок і композитів на їх основі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. В.В.Козаченко, И.Я.Кучеров. Фототермоакустические колебания в слоистой структуре твердое тело-пьезоэлектрик // Акустический журнал. - 2004. - т.50, №2. - С. 231-237.

2. P.V.Burliy, V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov, T.P.Tansyura. Photothermoacoustic effect in layered polymer films-piezoelectric structures // Ukr. J. Phys. - 2004. - V.49, N3. - Р.248-253.

3. V.V.Kozachenko, I.Ya. Kucherov, S.L. Revo. Study of elastic and thermal parameters of a composite material fluoroplastic-thermoexfoliated graphite by photothermoacoustic method // Functional Materials. - 2003. - V.10, N3. - Р. 514-517.

4. Бурлій П.В., Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі напівпровідник-пєзоелектрик // Фотоэлектроника. - 2003. - №12, - С.7-9.

5. Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в структурі тверде тіло-п'єзоелектрик // Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки. - 2001. - №3. - С. 430-440.

6. Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в піроелектричній пластині // Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки. - 2002. - №3. - С. 408-411.

7. D.A.Andrusenko, O.V. Gerasimchuk, V.V.Kozachenko, I.Y. Kucherov. The Solid State Evaluation With Photoacoustic Method // Proc. International Forum on Wave Electronics and Its Applications. - St.Petersburg(Russia). - 2000. - P.282-285.

8. V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov. Photothermoacoustic Effect in The Solid Body-Piezoelectric Structure // Abstracts of IV International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems”. - St.Petersburg(Russia). - 2001. - P.28-29.

9. V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov. An Investigation of The Photothermoacoustic Effect For The Solid-Pyroelectric Sensor Structure // Abstracts of International Conference “Problem of Interaction of Radiation with Matter”. - Gomel(Byelorussia). - 2001. - P.116.

10. Козаченко В.В., Пазульська О.В. Дослідження фототермоакустичного ефекту в напівпровідниках з п'єзоелектричною реєстрацією // Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2002”. - Львів. - 2002. - С.51-52.

11. Бурлій П.В., Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі напівпровідник-пєзоелектрик // Тези доповідей 1-ої Української наукової конференції з фізики напівпровідників “УНКФН-1”. - Одеса. - 2002. - С.75.

12. П.В.Бурлий, В.В.Козаченко, И.Я.Кучеров, Т.П.Танцюра. Определение тепловых и упругих параметров полимерных плёнок фототермоакустическим методом // Материалы Международной научно-технической конференции “Тонкие плёнки и слоистые структуры”. - Москва(Россия). - 2002.

13. П.Бурлій, В.Козаченко, А.Колосюк, І.Кучеров. Залежність фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик від товщини зразка // Тези Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2003”. - Львів. - 2003. - С.31.

14. В. Козаченко, А. Колосюк. Дослідження фототермоакустичного ефекту в шаруватій пластині оптично прозоре тверде тіло-п'єзоелектрик // Тези Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2004”. - Львів. - 2004. - С. 149-150.

15. P.V.Burliy, V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov, S.L.Revo,T.P.Tansyura. Using the photothermoacoustic effect with piezoelectric detection for examinationof solid bodies and determination of their some elastic and thermal parameters // Abstracts International scientific and practical conference “Spectroscopy in spеtial application”. - Kyiv. - 2003. - P. 264.

16. Физические величины: справочник/ А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Энергоатомиздат, Москва (1991), 1232 с.

17. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. М.: Физматиз, -1962, - 248 с.

18. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат,-1976. -1008с.

19. М.Л.Балакирев, И.А.Гилинский. Волны в пьезокристаллах. Новосибирск: “Наука” Сибирское отделение,- 1982, 239 с.

20. Дж. Фарнелл. Свойства упругих поверхностных волн // Физическая акустика. Под ред. У.Мезона, Р.Терстона - т.6, - ч.А, М.: “Мир”, - 1972, с.436.

АНОТАЦІЇ

Козаченко В.В. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Запропоновано теоретичну модель фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик для найбільш загального випадку - без обмежень на оптичні і теплові властивості твердого тіла. Проаналізовано фототермоакустичний ефект для випадків твердих тіл з суттєво різними тепловими та оптичними властивостями.

Для уникнення впливу фотоопромінювання напівпровідника при фототермоакустичних дослідженнях на термопружні параметри зразка, запропоновано, в відповідній шаруватій структурі, фототермоакустичні коливання збуджувати опроміненням п'єзоелектрика.

Показано, що в вільній п'єзоелектричній пластині ФТА ефект визначається тільки первинним піроелектричним ефектом.

На базі запропонованої моделі ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик створено методи визначення деяких пружних, теплових та електричних параметрів твердих тіл.

Ключові слова. Фототермоакустичний ефект, п'єзоелектрик, шарувата структура тверде тіло-п'єзоелектрик.

Козаченко В.В. Фототермоакустический эффект в слоистой структуре твёрдое тело-пьезоэлектрик. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

В работе теоретически и экспериментально исследован фототермоакустический эффект в слоистой структуре твёрдое тело-пьезоэлектрик для наиболее общего случая. Предложена теоретическая модель. Фототермоакустический эффект проанализирован для ряда случаев твёрдых тел, входящих в состав структуры, с различными физическими свойствами. Показано, что напряжение, на произвольном слое пьезоэлектрика сложным образом зависит от многих физических и геометрических параметров структуры, а также от частоты модуляции светового потока и состоит из двух частей: одна определяется термоупругими колебаниями структуры (пьезоэлектрическая часть), вторая - нагревом пьезоэлектрика (пароэлектрическая часть).

На примере оптически непрозрачных веществ теоретически и экспериментально показано, что при определённых физических и геометрических параметрах исследуемой структуры пьезоэлектрическая часть информативного сигнала может равняться нулю. Эту особенность предложено использовать для определения приведенного модуля Юнга исследуемого вещества.

Показано, что при использовании двухслойного пъезодатчика в оптически непрозрачных веществах отношение амплитуд () и тангенса разницы фаз (tg()) электрических сигналов, снимаемых с отдельных слоёв пъезодатчикана, при относительно высоких частотах зависят от обратного корня квадратного от частоты () линейно.

На основе предложенной модели были созданы новые фототермоакустические методы определения некоторых упругих и тепловых параметров твёрдых тел, входящих в состав исследуемой слоистой структуры.

Рассмотрена теория фототермоакустического эффекта в полупроводниках для слоистой структуры твердое тело-пьезоэлектрик. Получена формула для отношения напряжений на отдельных слоях двухслойного пъезодатчика при фототермоакустических колебаниях слоистой структуры полупроводник-пьезоэлектрик. Показано, что при относительно высоких частотах и есть линейными функциями обратного корня квадратного от частоты как и в случае обычного твёрдого тела без полупроводниковых свойств. На основании этой особенности, предложен новый метод определения приведенного модуля Юнга и коэффициента амбиполярной диффузии неравновесных носителей заряда для полупроводниковых пластин.

Для избежания влияния фотооблучения полупроводника при фототермоакустических исследованиях на термоупругие параметры образца предложено в соответствующей слоистой пластине фототермоакустические колебания возбуждать облучением пьезоэлектрика.

Показано, что разница потенциалов на свободной пьезоэлектрической пластине, которая совершает фототермоакустические колебания, определяется только первичным пироэлектрическим эффектом.

Показана возможность использования фототермоакустического эффекта для исследования полимерных плёнок, плёнок или пластинок композитных материалов с полимерной матрицей, а также пьезоэлектрических керамик.

Ключевые слова. Фототермоакустический эффект, пьезоэлектрик, слоистая структура твёрдое тело-пьезоэлектрик.

Kozachenko V.V. Photothermoacoustic effect in solid body-pizoelectric structure. - Manuscript.

Thesis for the Candidate's of Sciences degree (Physics and Mathematics), field 01.04.07 - Physics of Solid. - Kiev Taras Shevchenko National University, Kiev, 2005.

For a most general case - without restrictions on thermal and optical properties of a solid body the theoretical model of photothermoacoustic effect in layered structure a solid body - piezoelectric is offered. The PTA effect for cases of solid bodies with different thermal and optical properties.

The photothermoacoustic oscillations for avoidance of a photoirradiation of the semiconductor in the relevant structure in the semiconductor raising are offered.

Is shown, that in a free piezoelectric plate the photothermoacoustic effect is determined only by primary pyroelectric effect.

On the basis of the offered model of the photothermoacoustic effect in layered structure a solid body - piezoelectric the new methods of definition of some elastic, thermal and electrical parameters of solid bodies are offered.

Key words. Photothermoacoustic effect, piezoelectric, layered structure solid-piezoelectric.

Размещено на Allbest.ru