WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 6 Краткие сообщения 06;08 Аномальный резистоакустический эффект в структуре пьезоэлектрик–проводящая жидкость 2 © Б.Д. Зайцев,1 И.Е. Кузнецова,1 С.Г. Джоши 1 Саратовское отделение Института радиотехники и электроники РАН, 410019 Саратов, Россия 2 Marquette University, Milwaukee, WI 53201-1881, USA e-mail: zaitsev@ire.san.ru (Поcтупило в Редакцию 3 июля 2000 г.) Теоретически предсказано существование аномального резистоакустического эффекта при распространении поверхностной акустической волны Гуляева–Блюстейна в структуре пьезоэлектрик–проводящая жидкость. Обнаружено, что с ростом проводимости жидкости скорость волны увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Величина положительного изменения скорости волны растет с уменьшением диэлектрической проницаемости жидкости lq и может достигать 6% для ниобата калия при lq = 2.5.

Показано, что существует критическое значение локализации волны, при превышении которого аномальный резистоакустический эффект в такой структуре исчезает.

Как известно [1], нормальный резистоакустический проводящих слоев на характеристики акустических волн эффект заключается в том, что при увеличении проводи- в ниобате калия, мы его попросту не заметили.

мости тонкого поверхностного слоя, нанесенного на пье- По всей видимости, аномальный эффект может сущезоэлектрик, скорость поверхностных акустических волн ствовать и в других ситуациях с проводящими слоями, монотонно уменьшается и величина максимального из- влияющими на глубину локализации слабонеоднородных менения скорости (v/v) однозначно связана с коэффи- волн, распространяющихся в пьезоэлектриках. С этой циентом электромеханической связи волны. Что касается точки зрения особый интерес представляют поверхноствнесенного затухания как функции проводимости, то оно ные акустические волны, распространяющиеся вдоль границы пьезоэлектрик–проводящая жидкость, теоретичесимеет характерный максимум и обращается в нуль, когда слой близок к идеальному диэлектрику или проводни- кому изучению которых и посвящена настоящая работа.

Проанализируем распространение акустической волны ку. Аналогичные зависимости наблюдались в структуре пьезоэлектрик–проводящая жидкость [2]. Однако не- в структуре пьезоэлектрик–проводящая жидкость. Направим ось x3 в глубь пьезокристалла, который занимает давно было теоретически предсказано [3], что в случае полупространство x3 > 0, а жидкость в этом случае слабонеоднородных акустических волн, таких как волна пусть находится в области x3 < 0. Запишем уравнения Гуляева–Блюстейна и волна Лява, существует интервал движения для пьезоэлектрической среды и жидкости проводимости тонкого поверхностного слоя, в котором скорость этих волн вначале увеличивается, достигает p 2ui Tip 2ulq Tilq максимума, а затем уменьшается. Этот эффект, назван- j j s =, lq i =, (1), (2) ный аномальным резистоакустическим эффектом, может 2t xj 2t xj существовать во всех пьезоэлектриках, причем величина максимального положительного изменения скорости ра- где uip, ulq — смещение частиц; xj — пространственные i стет с увеличением коэффициента электромеханической координаты; t — время; Tip, Tilq — механическое напряj j связи материала. Было установлено, что аномальный жение; p, lq — плотность; индексы p и lq относятся к резистоакустический эффект существует, если глубина пьезоэлектрической среде и жидкости соответственно.

локализации поверхностной волны превышает некоторое Запишем уравнение Лапласа для пьезоэлектрической критическое значение [3]. Поэтому указанный эффект не среды, а также уравнение Пуассона и сохранения элекнаблюдается для сильно локализованной поверхностной трического заряда для проводящей жидкости волны Рэлея [1,3]. Что касается внесенного затухания, то его поведение ничем не отличается от случая нормальноJilq lq div Dp = 0, div Dlq = lq, + = 0. (3)-(5) го резистоакустического эффекта. Интервал проводимосxi t тей, соответствующий значительному положительному изменению скорости, оказался столь узким, что в нашей Здесь Dp, Dlq — электрическая индукция; lq —плотработе [4], посвященной исследованию влияния тонких ность объемного заряда; Jilq — i-я компонента плотности 128 Б.Д. Зайцев, И.Е. Кузнецова, С.Г. Джоши электрического тока. И наконец, запишем материальные уравнения для анизотропной пьезоэлектрической среды 2ulp p p Tip = Cipjkl + eki j, (6) j xk xk p ulp Dp = -p + ep (7) j jk xk jlk xk и для изотропной жидкости 2ulq lq Tilp = Ci jkl l, (8) j xk lq Dlq = -lq, (9) j xj lq lq Jilq = -lq + dlq, (10) xi xi где p, lq — электрический потенциал; Cipjkl, Cilqkl — j p упругие постоянные; eki j — пьезоконстанты; p, lq — jk диэлектрическая проницаемость; lq — объемная проводимость; dlq — коэффициент диффузии.

Механические граничные условия на границе раздела в предположении отсутствия вязкости жидкости, учитывающие непрерывность только нормальных компонент смещения и механического напряжения, были записаны в следующей форме:

p p p p lq u3 = ulq, T13 = T23 = 0, T33 = T33. (11) Рис. 1. Зависимости затухания (a) и относительного изменения скорости (b) волны Гуляева–Блюстейна от проводимости Соответствующие электрические граничные условия жидкости для lq = 80 (1), 20 (2), 2.5 (3) и для частот в предположении отсутствия поверхностного заряда и (сплошная кривая), 50 (пунктир), 500 MHz (штриховая кринормальной компоненты тока проводимости на границе вая).

раздела имели следующий вид:

p lq p =lq =0, D3 = Dlq, J3 = 0, (12) значений ее диэлектрической проницаемости lq и часгде 0 — потенциал в плоскости x3 = 0. тоты акустической волны. Из рис. 1, a видно, что заДля решения указанных уравнений совместно с гра- тухание волны ведет себя традиционным образом и с ничными условиями использовался метод, аналогичный уменьшением диэлектрической проницаемости жидкости описанному в [5]. В качестве пьезоэлектрика был выбран оно возрастает. Это связано с увеличением эффективного ниобат калия, который обладает сильным пьезоэффек- коэффициента электромеханической связи при уменьшетом [6]. Необходимые для расчета материальные кон- нии диэлектрической проницаемости жидкости [9]. Что станты были взяты из [7]. Анализ показал, что для волны касается скорости акустической волны (рис. 1, b), то с роРэлея при изменении упругих и электрических свойств стом проводимости она увеличивается, достигая максижидкости в широких пределах всегда наблюдается нор- мума, а затем падает, т. е. наблюдается ярко выраженный мальный резистоакустический эффект. Аномальный ре- аномальный резистоакустический эффект. Видно, что с зистоакустический эффект был обнаружен в случае вол- уменьшением диэлектрической проницаемости максины Гуляева–Блюстейна, которая распространяется вдоль мальная величина положительного изменения скорости оси X на Y -срезе ниобата калия [8]. В этом случае упру- (v/v)+ увеличивается и может достигать 6% при max гие свойства жидкости не влияют на характеристики вол- lq = 2.5. Следует также отметить, что с увеличением ны. Поэтому было исследовано влияние диэлектрической частоты акустической волны область проводимости lq, проницаемости и проводимости жидкости на скорость и в которой наблюдается аномальный резистоакустический затухание волны Гуляева–Блюстейна. эффект, смещается в сторону больших значений прово На рис. 1 представлены зависимости затухания (a) и димости жидкости.

относительного изменения скорости (b) волны Гуляева– На рис. 2 представлены зависимости нормированной Блюстейна от проводимости жидкости для различных амплитуды электрического потенциала в ниобате калия Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Аномальный резистоакустический эффект в структуре пьезоэлектрик–проводящая жидкость ществование аномального резистоакустического эффекта. Этот эффект является фундаментальным свойством слабонеоднородных поверхностных акустических волн и может служить критерием, позволяющим на практике распознавать волны указанного типа.

Материалы статьи получены при поддержке гранта РФФИ (№ 01-02-16266) и гранта National Science Foundation (USA).

Список литературы [1] Wixforth A., Scriba J., Wassermeier M. et al. // Phys. Rev. B.

1989. Vol. 40. N 11. P. 7874–7887.

[2] Furukawa S., Obaba M., Nomura T. // IEEE Ultrasonic Symp.

1996. P. 599–602.

[3] Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G. // J. Appl. Phys.

1999. Vol. 86. N 12. P. 6868–6874.

[4] Гуляев Ю.В., Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д. и др. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 8. С. 21–26.

[5] Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Нефедов И.С. // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 4. С. 60–64.

[6] Yamanouchi K., Odagawa H., Kojimi T. et al. // Electron. Lett.

1997. Vol. 33. N 3. P. 193–194.

[7] Zgonik M., Schlesser R., Biaggio I. et al. // J. Appl. Phys.

1993. Vol. 74. N 2. P. 1287–1297.

[8] Nakamura K., Oshiki M. // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71.

N 22. P. 3203–3205.

[9] Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. М.:

Рис. 2. Зависимости нормированной амплитуды электричеНаука, 1982. 424 с.

ского потенциала волны Гуляева–Блюстейна в ниобате калия от координаты x3, для нормированной на длину волны для lq = 80 (1), lq = 20 (2), lq = 2.5 (3) и для lq = 1 (a), lq lq = max (b), lq = 2 (c).

от координаты x3, нормированной на длину волны при различных значениях диэлектрической проницаемости и проводимости жидкости для частот 1 MHz. Изменение потенциала с глубиной было рассчитано для проводимостей жидкости 1 (a), max (b) и 2 (c) соответствующих следующим значениям относительного изменения скорости (v/v)+ /2, (v/v)+ и -(v/v)+ max max max соответственно. При этом для 2 резистоакустический эффект становится нормальным. Таким образом, рис. показывает, что, как и в случае структуры с тонким проводящим слоем [3], существует критическое значение локализации волны, при превышении которого аномальный резистоакустический эффект исчезает. При этом глубина проникновения волны увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости жидкости. Следует также отметить, что зависимость амплитуды потенциала от координаты x3 имеет осциллирующий характер, что находится в хорошем соответствии с работой [8].

С ростом проводимости жидкости амплитуда пульсаций уменьшается.

Таким образом, в работе показано, что в случае распространения слабонеоднородных волн в пьезокристалле, граничащем с проводящей жидкостью, возможно су9 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.