УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
DEVICE FOR GENERATING SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к области электроники, а именно акустоэлектроники, и может быть использовано при разработке и изготовлении различных устройств, в которых используются поверхностные акустические волны, таких как генераторы, фильтры, линии задержки, системы обработки радиосигналов и другие.
Известны различные типы устройств для генерации поверхностных акустических волн (ПАВ) [1-4], большинство из которых основано на использовании пьезоэлектрических материалов, при этом даже для сильных пьезоэлектриков (с большим коэффициентом электромеханической связи) коэффициент преобразования электрической энергии в механическую (акустические колебания) не превышает 10%. Поскольку устройства, в которых используются ПАВ, как правило, предназначены для применения различных способов обработки электрических сигналов, используются определенные приемы для улучшения таких характеристик, как сигнал/шум и эффективность подавления ложных сигналов. Для этого используются различные методы нелинейной обработки и регистрации сигналов, в частности применяются пленочные структуры и полупроводниковые подложки (например, кремниевые пластины) с изготовлением на них диодных или транзисторных решеток. Кроме того, используются многоводные акустические устройства. Подложки с полупроводниковыми свойствами используются также для усиления ПАВ в результате взаимодействия последней с электронной подсистемой подложки за счет переноса заряда волной и модуляцией проводимости подложки. Подобные эффекты близки к явлениям, используемым в лампах бегущей волны.
Одним из используемых устройств генерации поверхностных акустических волн является генератор на ПАВ, реализуемый при введении в цепь обратной связи усилителя с необходимыми параметрами. Для повышения эффективности подобных систем используются более сложные акустические устройства, работающие по тем же принципам. Во всех подобных системах имеется активные элементы - акустические резонаторы и внешний источник энергии, для преобразования ее в акустические колебания. В качестве активных элементов собственно резонатора используются пьезоэлектрические кристаллы или керамики, а также пленки пьезоэлектрических материалов, нанесенные на твердотельные подложки.
Известны способы генерации акустических волн с использованием термоупругих и фотоупругих эффектов в различных материалах, а также технические решения, в частности для устройств, описанных в [1, 3], в которых генерация поверхностных акустических волн осуществляется за счет периодического изменения упругих свойств подложки при наличии на ее поверхности периодических неровностей в виде пустот или "канавок". В тех случаях, когда для возбуждения звуковых колебаний используется оптическое излучение, а в качестве внешнего источника применяют лазеры, используется то, что взаимодействие импульсов мощного лазерного излучения с диэлектрической средой может приводить (при определенных условиях) к возбуждению интенсивного гиперзвука и вызывать энергетический обмен между фононной и фотонной модами. В случае спонтанного рассеяния света на акустических колебаниях эффективность преобразования невелика и интенсивность гиперзвуковой волны чрезвычайно мала.
3
Наиболее близким аналогом устройства для генерации поверхностных акустических волн являются устройства, описанные в работе [2], в которых используются изотропная или анизотропная среды в виде кристалла или поликристалла цинка с нанесенными на него слоями оксида цинка. На фиг.1 приведены схема генерации термоупругих акустических волн, генерируемых в изотропной среде, каждая точка является областью нагрева и источником волн (а), и схематическое изображение получения акустических волн с использованием фотоупругого эффекта (б). Здесь введены обозначения для различных типов волн (L, S) и оси х, а также указаны образец, пленка и лазер. Применялся в качестве внешнего источника импульсный (100 фемтосекунд) Ti-сапфировый лазер на длине волны 800 нм при энергии накачки в каждом импульсе в 2 nJ и диаметре пучка 40 микрон.
2
Технический результат предлагаемого способа заключается в значительном расширении диапазона генерации поверхностных акустических волн, по крайней мере, до 22,5 ГГц, полученных экспериментально, при значительном возрастании коэффициентов преобразования внешней энергии в акустические волны (до 44%) (см. табл.). Для достижения необходимого результата используется эффект, что в случае вынужденного режима рассеяния коэффициент преобразования может достигать величин более 50% и, в данном случае, можно было ожидать возникновения гиперзвуковой волны с плотностью мощности порядка 100 МВт/см.
2
2
Для реализации подобного механизма и повышения эффективности преобразования лазерного излучения в акустические колебания предлагается устройство, в котором в качестве активного элемента, используется опаловая матрица, твердотельные подложки различного типа и лазер в качестве внешнего источника энергии, кроме того, может быть введена система охлаждения активного элемента. Образцы опаловых матриц представляют собой плотно упакованные (в основном, по кубическому закону) и близкие по диаметру наносферы. На фиг.2 приведен снимок участка правильной кубической упаковки наносфер SiО (диаметр наносфер 200 нм) в растровом электронном микроскопе (а) и схема строения опаловой матрицы и подрешеток нанопустот (б) [5]. Регулярная упаковка наносфер SiO образует трехмерную решетку с указанной периодичностью и может быть охарактеризована как трехмерная нанорешетка пустот, а следовательно, как объемная система микрорезонаторов, при этом образец обладает периодической системой пустот на поверхности. В подобных структурах имеются два типа межсферических пустот, образующих тетраэдрические и октаэдрические нанополости размерами от 50 до 150 нм для указанных размеров наносфер. Такие пустоты занимают около 24% от общего объема и могут быть заполнены различными веществами.
Поскольку коэффициенты поглощения акустических колебаний довольно велики для реализуемых частот, а именно свыше 8 ГГЦ, включая воздушную среду, рассматриваются акустические колебания, распространяющиеся в приповерхностном слое подложек с определенными свойствами. Такими свойствами, как известно [1, 4], обладают подложки, в частности с полупроводниковыми свойствами, в которых имеет место эффективное взаимодействие акустических колебаний с колебаниями электронной подсистемы подложки. Поэтому свойства подложек имеют определенное значение для распространения акустических колебаний. Спектральные измерения проводились с помощью широкодиапазонного мини-спектрометра с волоконно-оптическим входом, работающего в диапазоне 240-1000 нм и обеспечивающего спектральное разрешение 6 нм. На фиг.3 приведена (в виде схемы с обозначением вспомогательных элементов) экспериментальная установка по реализации предлагаемого устройства со следующими обозначениями: 1 - рубиновый лазер, 2 - фокусирующая система, 3 - активные элементы в виде опаловых матриц, контактирующих с поверхностью подложки 6 - подложка из меди с окисленным приповерхностным слоем, 7 - кювета с жидким азотом, 8 - волоконный световод, 9 - спектрометр, 10 - компьютер
Для рассматриваемых активных элементов эффективность преобразования лазерного излучения в акустические колебания намного возрастает, если частотный диапазон такого излучения находится в области фотонной запрещенной зоны опаловой матрицы (650 -750 нм для незаполненной матрицы), которую можно смещать за сет заполнения межсферических нанопустот веществами с различным показателем преломления. Эффектность преобразования возрастает, если активный элемент охлаждается ниже 200 К, например с использованием жидкого азота. Аналогичный эффект наблюдается при заполнении межсферических нанопустот веществом с показателем преломления, близким к показателю преломления опаловой матрицы, в частности этанолом. Так, например, для незаполненной опаловой матрицы пороговое значение энергии возбуждения составляет 0,12 ГВт, а для заполненной этанолом - 0,05 ГВт.
Для контроля распространения ПАВ по подложке можно использовать также известный эффект свечения некоторых материалов, например опаловых матриц, под действие гиперзвука. Излучение рубинового лазера на длине волны λ=694.3 нм фокусировалось на поверхность одного из активных элементов в виде опаловых матриц, контактирующих с поверхностью подложки, для чего использовались линзы с фокусным расстоянием 50, 90 и 150 мм. Измерения проводились для различных значений плотности мощности на поверхности образца. Свечение вспомогательных опаловых матриц регистрировалось с использованием цифровой камеры, полученные данные обрабатывались на компьютере.
На фиг.4 приведена схема расположения нескольких образцов (11, 12, 13) опаловых матриц на подложке из меди с окисленным приповерхностным слоем при расстояниях между ними до d=2-5 см. Свечение в сине-зеленой области спектра возникало одновременно в нескольких образцах даже в том случае, когда возбуждающее излучение было сфокусировано на поверхности только одного из них (лазерный импульс фокусировался на активном элементе - левый образец). При замене медной подложки на стальную или кварцевую свечение наблюдалось только в образце, на который фокусировалось лазерное излучение. Использование экрана (для доказательства отсутствия передачи через оптическое излучение), пространственно отделяющего образец, освещенный лазерным излучением, от остальных образцов не препятствовало возникновению свечения во вспомогательных образцах. Аналогичная ситуация (для доказательства неучастия объемных колебаний среды в передаче энергии) имела место при вакуумировании системы.
В таблице приведены примеры осуществления предлагаемого устройства в виде следующих данных коэффициентов преобразования лазерной генерации, частоты ПАВ генерации, использованные мощности лазерной генерации, типы подложек и активного элемента в виде опаловой матрицы в экспериментах как при комнатной температуре, так и при охлаждении жидким азотом. При тех же условиях и мощностях излучения лазера при воздействии на среду в виде керамического образца ZnO был получен гиперзвук, предположительно, в области 70 МГц с коэффициентом преобразования лазерной генерации менее 1%. Аналогично, при тех же условиях и мощностях излучения лазера при воздействии на среду в виде пластины кремния был получен гиперзвук, предположительно, в области 8,8 (2,3 при охлаждении) ГГц с коэффициентом преобразования лазерной генерации не более 4%.
Таблица
Примеры 1-8
№ примера
Активный элемент
Тип подложки
Коэффициент преобразования лазерной генерации, %
Мощность лазерной генерации, ГВт
Частота ПАВ генерации, ГГц
Комнатная температура (300 К)
1
Опаловая матрица
кремний
4
0,12
8.8
2
Опаловая матрица, заполоненная спиртом
медь с окисленным приповерхностным слоем
8
0,10
7.8
3
Опаловая матрица, заполоненная этанолом
медь с окисленным приповерхностным слоем
12
0,07
12.6
4
Опаловая матрица, заполоненная этанолом
кремний
10
0,08
8.8
Температура опаловой матрицы при охлаждении жидким азотом (120 К)
5
Опаловая матрица, заполоненная этанолом
кремний
4
0,06
7,3
6
Опаловая матрица, заполоненная спиртом
сталь нержавеющая
-
0,05
Генерация отсутствует
7
Опаловая матрица, заполоненная этанолом
медь с окисленным приповерхностным слоем
24
0,05
15.7
8
Опаловая матрица, заполоненная этанолом
медь с окисленным приповерхностным слоем
44
0,08
22.6
Источники информации
1. Поверхностные акустические волны / Под редакцией А.Олинера. М.: Мир, 1981, 390 стр.
2. Т.Pezeri, PRuello, S Gougon. Generation and detection of plane coherent shear picosecond acoustic pulse by lasers: experiment and theory. Physical Rev. В 75. 174307 - 1-9. (2007).
3. Гуляев Ю.В. Патент СССР №401271 (1971).
4. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника. УФНю т.175. №8. стр.887-893. (2005).
5. Наноматериалы: Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц. Под ред. М.И.Самойловича. М.: Техномаш. 2007. 303 с.