Проект РФФИ №20-07-00139 (2020-2022) «Обратные акустические волны в сильно анизотропных материалах и структурах на их основе»
Руководитель: к.ф.-м.н. Кузнецова А.С.
Одним из типов акустических волн, распространяющихся в пластинах, являются обратные акустические волны с различной поляризацией. Фазовая и групповая скорости этих волн направлены в разные стороны.
Целью настоящего проекта является теоретическое и экспериментальное исследование особенностей возбуждения и распространения обратных акустических волн в сильно анизотропных материалах и структурах на их основе и содержащих, в том числе, пьезоэлектрические и пьезополупроводниковые слои при различных граничных условиях. В результате выполнения проекта были получены следующие важнейшие результаты:
- Впервые были обнаружены кристаллографические ориентации TeO2, при которых возможно существование обратных акустических волн Лэмба различного типа. Подробно исследована обратная акустическая антисимметричная волна первого порядка (А1), существующая в TeO2 при углах Эйлера φ=θ= ψ =0. Было исследовано влияние слоя из сильного пьезоэлектрика (ниобат лития) на характеристики этой волны. Обнаружено, что при увеличении толщины слоя ниобата лития скорость обратной волны увеличивается, а точка с нулевой групповой скоростью смещается в область более низких частот. При этом тип волны не менялся.
- Исследовано влияние бесконечно тонкого слоя с произвольной проводимостью на характеристики обратной волны А1 в структуре «пластина TeO2 – пластина LiNbO3». Показано, что при увеличении проводимости слоя скорость обратных акустических волн в таких структурах– увеличивается.
- Исследовано влияние слоя из пьезополупроводникового материала (арсенид галлия) на характеристики обнаруженной обратной А1 волны. Показано, что как и в случае слоя с сильным пьезоэлектриком при увеличении толщины слоя пьезополупроводника скорость обратной волны увеличивается, а точка с нулевой групповой скоростью смещается в область более низких частот. Следует отметить, что в случае пьезополупроводника это смещение больше, чем в случае сильного пьезоэлектрика, несмотря на слабый пьезоэффект. Это связано с учетом проводимости материала слоя. При этом тип волны не менялся.
- Исследовано влияние бесконечно тонкого слоя с произвольной проводимостью на характеристики обратной волны А1 в структуре «пластина TeO2 – пластина GaAs». Обнаружено, что объемная проводимость пластины GaAs практически полностью экранирует пьезоэффект TeO2, что приводит к практически полному отсутствию влияния слоя с произвольной проводимостью, контактирующему с пьезпластиной с обратной стороны, на скорость обратных акустических волн.
- Разработана технология изготовления структур «пластина TeO2 — металл-пленка ZnO» на поверхности пленки ZnO размещались встречно-штыревые преобразователи. Показана возможность возбуждения акустических волн в таких структурах. В то же время, регистрация обратных волн в такой структуре требует дополнительных усилий.
В целом, следует отметить необходимость проведения дополнительных исследований в части создания и использования структур, содержащих сильные пьезоэлектрики с одной стороны парателлурита и пьезополупроводники с другой стороны парателлурита. Эта задача будет рассматриваться в дальнейшем.
За время выполнения проекта были опубликованы 4 статьи:
- Zhao Z., Wang B., Qian Z., Kuznetsova I., Ma T., Yong Y.K. Design considerations for frequency shifts in a laterally finite FBAR sensor in contact with the Newtonian liquid// IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2020, v.67, #11, pp.2402-2412, DOI: 10.1109/TUFFC.2020.3006186, Q1.
- Fang K., Li N., Li P., Qian Z., Kolesov V., Kuznetsova I. A convenient approach to tuning the local piezopotential of an extensional piezoelectric semiconductor fiber via composite structure design // Nano Energy, 2021, v.90, p.106626, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106626, Q1.
- Fang K., Li P., Li N., Liu D., Qian Z., Kolesov V., Kuznetsova I. Model and performance analysis of non-uniform piezoelectric semiconductor nanofiber// Applied Mathematical Modelling, 2022, v.104, 628-643, 10.1016/j.apm.2021.12.009, Q1
- Qian Z., Li P., Lu M., Kuznetsova I., Kolesov V., Ma T. Flexural wave control via the profile modulation of non-uniform Timoshenko beams// Mechanics of Materials, 2022, v.165, p.104162, 10.1016/j.mechmat.2021.104162