Изучение акустических волн сверхвысоких частот в алмазах приблизило новые микросенсоры
Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета математически смоделировали микроструктуры на основе алмаза для производства компактных и высокочувствительных датчиков.
Работа исследователей посвящена проблеме селекции полезного акустического сигнала с учётом возбуждения волн Лэмба в перспективных СВЧ микрорезонаторах с подложками из синтетических алмазов. Учёные предложили математическую модель и экспериментально изучили акустические волны в слоистой пьезоэлектрической структуре, описали их распространение и предложили ряд способов уменьшить влияние паразитных колебаний. В перспективе такие структуры на основе алмазных кристаллов могут быть использованы как высокочувствительные сенсоры давления, ускорения, температуры, толщины сверхтонких плёнок и др. Подробности приведены в журнале Applied Physics Letters.
«Думаю, что полученные нами результаты по ПСС на основе синтетических алмазов превышают существующий в данной области исследований мировой уровень. Так, именно на наших микрорезонаторах получены резонансы на рекордно высоких частотах СВЧ диапазона вплоть до 20 ГГц, при этом добротность оставалась на уровне нескольких тысяч. Поведение алмаза как подложки акустического микрорезонатора оказалось весьма нетривиальным, и, надеюсь, у нас ещё будут поводы удивиться новым эффектам, которые принесёт применение алмаза в акустике и электронике» — сообщил пресс-службе МФТИ ведущий автор исследования Борис Сорокин, доцент кафедры физики и химии наноструктур ФМХФ.
Добротность — характеристика колебательной системы. Характеризует то, насколько быстро в системе затухают колебания; чем выше добротность, тем меньше потери энергии.
Слоистая пьезоэлектрическая структура — это “пирог” из нескольких разных материалов, причём обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Последнее означает, что при сжатии или растяжении такого материала возникает электрическое поле — а при подаче электрического напряжения, напротив, сам материал меняет свою форму. Для неспециалистов пьезоэффект может быть известен по зажигалкам (нажатие кнопки сдавливает пьезоэлектрик, и тот выдает достаточное для появления искры напряжение), но, кроме зажигалок, явление используется и в микрофонах, и в точных микроманипуляторах, и в многочисленных датчиках давления, влажности, температуры, и т.п. Ещё одно крайне важное приложение пьезоэлектриков – это высокостабильные пьезорезонаторы, благодаря которым, например кварцевые часы показывают время точно, а компьютеры исполняют запущенные программы без сбоев.
Воздействие электрического поля на пьезоэлектрик, в данном случае, в виде тонкой плёнки нитрида алюминия AlN, приводит к его деформации и вызывает упругие волны, проходящие в подложку, равно как и падение упругой волны на плёнку пьезоэлектрика вызывает появление электрического поля. Дойдя до границы подложки, волна отражается, и внутри слоистой структуры из нескольких материалов возникает сразу множество колебаний — этот эффект напоминает эхо, возникающее при крике внутри тоннеля или широкой трубы.
Алмазы и волны
Алмазные подложки были выбраны не случайно. Дело в том, что для подобных устройств идеальны пьезокристаллы, обладающие сочетанием таких свойств, как низкое акустическое поглощение, высокий коэффициент электромеханической связи и высокая скорость звука. Алмазы удовлетворяют всем этим требованиям, кроме одного – нет пьезоэффекта. Поэтому необходимым компонентом устройства стала плёнка нитрида алюминия. Конечно, инженеров настораживает цена, однако к настоящему времени для синтетических алмазов она становится приемлемой. Отметим здесь, что свойства таких алмазов превосходят наблюдаемые у природных, в частности, по составу примесей и воспроизводимости, однако при этом крупные природные алмазы ювелирного качества много дороже. Как считают авторы исследования, именно синтетические монокристаллические алмаза наиболее перспективны для создания новых акустоэлектрических приборов.
Объемные волны, возбуждаемые в слоистой структуре, могут резонировать, создавая как основной тип (моду) колебаний, так и порождать дополнительные моды. Так, в подложке и пьезоэлектрической плёнке, помимо полезного колебания продольного типа, в определённых условиях возникают ещё и волны Лэмба, спектр которых представляет собой отдельные ветви, а фазовые скорости зависят от частоты.
Так называемые волны Лэмба – это сложная комбинация упругих колебаний, возникающих в тонких слоях упругих сред и впервые описанная английским физиком Горацием Лэмбом. Интересно, что частицы в такой волне движутся по эллиптической траектории. Различают симметричные и антисимметричные (изгибные) волны Лэмба. Фазовой же скоростью называют скорость, с которой перемещается точка с заданной фазой — например, гребень волны; фазовая скорость волн в той или иной среде часто зависит от их частоты и этот эффект называют дисперсией.
В таком случае говорят о геометрической дисперсии волн в двумерных акустических волноводах. С одной стороны, возбуждение волн Лэмба неполезно с точки зрения добротности акустического резонатора на основной (продольной) моде, однако и сами волны такого типа могут представлять специальный интерес.
Используя математическое моделирование, исследователи подробно изучили спектр возникающих внутри алмазной структуры различных акустических мод, используя визуализацию полей акустических смещений. Особое внимание они уделили резонансам, которые возникают из-за наличия у слоистого “пирога” целого спектра собственных частот колебаний. В простейшем случае эта частота соответствует той, с которой бы колебалась упругая система в отсутствие внешних воздействий. Если, к примеру, тронуть и отпустить обычный маятник, то он будет качаться именно с собственной частотой и приложение силы с этой частотой наиболее эффективно для его, маятника, раскачивания. При совпадении собственной частоты с частотой возбуждения говорят о резонансе: амплитуда колебаний резко увеличивается.
Собственные частоты зависят как от свойств материалов, так и от геометрии структуры. Это позволяет делать детекторы, способные замечать даже отдельные налипшие на их поверхность бактерии — микроорганизмы немного увеличивают массу всей системы и смещают резонансную частоту.
Как один из основных результатов, удалось селектировать и идентифицировать волны различных типов и построить для них законы дисперсии. Полученные результаты будут полезны при создании СВЧ устройств акустоэлектроники.
Акустоэлектроника – это наука на стыке физики твердого тела, полупроводников и радиоэлектроники, которая занимается исследованием принципов построения устройств детектирования, преобразования и обработки сигналов. В настоящее время в науке и технике широко используются акустические резонаторы как чувствительные элементы в различных сенсорах физико-химических воздействий и в медицинских приборах. Объемные резонаторы привлекают своими миниатюрными размерами и высокой добротностью, при этом резонируя на высоких и сверхвысоких частотах. Чем выше рабочие частоты, тем меньшие требуются поперечные размеры резонаторов (~100 мкм на частоте ~10 ГГц).
Созданием и изучением акустических свойств таких чувствительных элементов занимаются на базовой кафедре МФТИ «Физика и химия наноструктур», располагающейся в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов. Именно в этом институте совместными усилиями ученых из ряда российских организаций был разработан метод получения материала, превосходящего по твердости алмаз; там же раскрыли секрет аномальной твердости поликристаллического алмаза — оказалось, что его твёрдость превосходит монокристаллы.
Ознакомиться с работами ученых:
Lamb waves dispersion curves for diamond based piezoelectric layered structure
B. P. Sorokin, G. M. Kvashnin, A. V. Telichko, A. S. Novoselov and S. I. Burkov
Appl. Phys. Lett. 108, 113501 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4943945
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/108/11/10.1063/1.4943945