Поверхностные акустические волны в Z-срезах пьезоэлектрических монокристаллов гексагональной сингонии

Автор(и)

  • Игорь Валентинович Линчевский Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского", Україна https://orcid.org/0000-0002-2896-9580
  • Олег Николаевич Петрищев Киевский научно-исследовательский институт гидроприборов, Україна https://orcid.org/0000-0003-2984-1340

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020030048

Ключові слова:

пьезоэлектрик, поверхностная акустическая волна, монокристалл

Анотація

Предложена новая постановка задачи о расчете кинематических и динамических характеристик поверхностных акустических волн в пьезоэлектрических монокристаллах, а также методика ее решения с учетом существования рассеивания электрического поля на поверхности кристалла, не покрытого электродами, и вихревой составляющей электрического поля в общем случае.

На примере Z-среза монокристаллов гексагональной сингонии показана процедура математического описания поверхностных акустических волн в нулевом приближении. Построена система собственных функций и определены собственные числа, однородной граничной задачи для случая плоского деформированного состояния. Полученные общие решения в частном случае изотропии упругих свойств деформируемого твердого тела сводятся к общеизвестным формулировкам для поверхностных волн Рэлея. Показано, что поверхностные акустические волны в Z-срезах монокристаллов ZnO и CdS, подобно волнам Рэлея в изотропном упругом полупространстве, существуют в узкой приповерхностной области, а учет выхода электромагнитного поля за пределы монокристалла, на поверхностях, которые не покрыты электродами и вихревой части электрической составляющей поля позволил выявить тот факт, что вертикальная компонента вектора смещений материальных частиц имеет максимальное значение не на самой поверхности кристалла, а на глубине (0,15–0,2)λ. Аналогичная особенность релеевских волн характерна и для изотропных образцов. Наличие локального экстремума (в пределах 7%) характерно для вертикальной компоненты вектора смещений в приповерхностной области толщиной 0,25λ. При погружении вглубь пьезоэлектрика на расстояние больше двух с половиной длин волн уровни смещений материальных частиц убывают более чем на порядок.

Посилання

C. Caliendo and M. Hamidullah, “Guided acoustic wave sensors for liquid environments,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 52, no. 15, p. 153001, Feb. 2019, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AAFD0B.

C. Caliendo and M. Hamidullah, “Pressure sensing with zero group velocity lamb modes in self-supported a-SiC/c-ZnO membranes,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 51, no. 38, p. 385102, Aug. 2018, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AAD6F3.

A. Mujahid and F. L. Dickert, “Surface acousticwave (SAW) for chemical sensing applications of recognition layers,” Sensors (Switzerland), vol. 17, no. 12, p. 2716, Nov. 2017, doi: https://doi.org/10.3390/s17122716.

Y. Zhang, F. Yang, Z. Sun, Y. T. Li, and G. J. Zhang, “A surface acoustic wave biosensor synergizing DNA-mediated: In situ silver nanoparticle growth for a highly specific and signal-amplified nucleic acid assay,” Analyst, vol. 142, no. 18, pp. 3468–3476, Sep. 2017, doi: https://doi.org/10.1039/c7an00988g.

A. Marcu and C. Viespe, “Surface Acoustic Wave Sensors for Hydrogen and Deuterium Detection,” Sensors, vol. 17, no. 6, p. 1417, Jun. 2017, doi: https://doi.org/10.3390/s17061417.

W. Xuan et al., “Fast response and high sensitivity ZnO/glass surface acoustic wave humidity sensors using graphene oxide sensing layer,” Sci. Rep., vol. 4, no. 1, pp. 1–9, Nov. 2014, doi: https://doi.org/10.1038/srep07206.

A. C. Poveda, D. D. Bühler, A. C. Sáez, P. V Santos, and M. M. de L. Jr, “Semiconductor optical waveguide devices modulated by surface acoustic waves,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 52, no. 25, p. 253001, Apr. 2019, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AB1464.

M. Weiß and H. J. Krenner, “Interfacing quantum emitters with propagating surface acoustic waves,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 51, no. 37, p. 373001, Aug. 2018, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AACE3C.

E. D. S. Nysten, Y. H. Huo, H. Yu, G. F. Song, A. Rastelli, and H. J. Krenner, “Multi-harmonic quantum dot optomechanics in fused LiNbO3–(Al)GaAs hybrids,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 50, no. 43, p. 43LT01, Sep. 2017, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AA861A.

R. Fandan, J. Pedrós, J. Schiefele, A. Boscá, J. Martínez, and F. Calle, “Acoustically-driven surface and hyperbolic plasmon-phonon polaritons in graphene/h-BN heterostructures on piezoelectric substrates,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 51, no. 20, p. 204004, Apr. 2018, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AAB8BD.

P. Delsing et al., “The 2019 surface acoustic waves roadmap,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 52, no. 35, p. 353001, Jul. 2019, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/AB1B04.

J. H. Kuypers and A. P. Pisano, “Green’s function analysis of lamb wave resonators,” in Proceedings - IEEE Ultrasonics Symposium, 2008, pp. 1548–1551, doi: https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2008.0377.

V. K. Tewary, “Green’s-function method for modeling surface acoustic wave dispersion in anisotropic material systems and determination of material parameters,” Wave Motion, vol. 40, no. 4, pp. 399–412, Oct. 2004, doi: https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2004.02.007.

N. Nama, R. Barnkob, Z. Mao, C. J. Kähler, F. Costanzo, and T. J. Huang, “Numerical study of acoustophoretic motion of particles in a PDMS microchannel driven by surface acoustic waves,” Lab Chip, vol. 15, no. 12, pp. 2700–2709, Jun. 2015, doi: https://doi.org/10.1039/c5lc00231a.

T. Wang et al., “Surface Acoustic Waves (SAW)-Based Biosensing for Quantification of Cell Growth in 2D and 3D Cultures,” Sensors, vol. 15, no. 12, pp. 32045–32055, Dec. 2015, doi: https://doi.org/10.3390/s151229909.

S. Padilla, E. Tufekcioglu, and R. Guldiken, “Simulation and verification of polydimethylsiloxane (PDMS) channels on acoustic microfluidic devices,” Microsyst. Technol., vol. 24, no. 8, pp. 3503–3512, Aug. 2018, doi: https://doi.org/10.1007/s00542-018-3760-2.

K. M. M. Kabir, G. I. Matthews, Y. M. Sabri, S. P. Russo, S. J. Ippolito, and S. K. Bhargava, “Development and experimental verification of a finite element method for accurate analysis of a surface acoustic wave device,” Smart Mater. Struct., vol. 25, no. 3, p. 035040, Feb. 2016, doi: https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/3/035040.

T. Wang, R. Green, R. Guldiken, J. Wang, S. Mohapatra, and S. S. Mohapatra, “Finite Element Analysis for Surface Acoustic Wave Device Characteristic Properties and Sensitivity,” Sensors, vol. 19, no. 8, p. 1749, Apr. 2019, doi: https://doi.org/10.3390/s19081749.

K. C. Park and J. R. Yoon, “Transmission line matrix modeling for analysis of surface acoustic wave hydrogen sensor,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, no. 7 PART 2, p. 07HD06, Jul. 2011, doi: https://doi.org/10.1143/JJAP.50.07HD06.

T. Kojima, H. Obara, and K. Shibayama, “Investigation of impulse response for an interdigital surface-acoustic-wave transducer,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 29, no. S1, pp. 125–128, 1990, doi: https://doi.org/10.7567/JJAPS.29S1.125.

T. Hoang, “SAW Parameters Analysis and Equivalent Circuit of SAW Device,” in Acoustic Waves - From Microdevices to Helioseismology, InTech, 2011.

T. Kojima and K. Shibayama, “An analysis of an equivalent circuit model for an interdigital surface-acoustic-wave transducer,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 27, no. S1, pp. 163–165, 1988, doi: https://doi.org/10.7567/JJAPS.27S1.163.

И. А. Викторов, Звуковые поверхностные волны в твердых телах. Москва: Наука, 1981.

I. V. Linchevskyi, “Excitation of Surface Acoustic Waves in a Zsection of Piezoelectric Crystals by the Electric Field of a Long Electrode,” Int. J. Appl. Phys., vol. 6, no. 3, pp. 42–50, 2019, doi: https://doi.org/10.14445/23500301/IJAP-V6I3P108.

В. Т. Гринченко and В. В. Мелешко, Гармонические колебания и волны в упругих телах. Київ: Наукова думка, 1981.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-03-24

Як цитувати

Линчевский, И. В., & Петрищев, О. Н. (2020). Поверхностные акустические волны в Z-срезах пьезоэлектрических монокристаллов гексагональной сингонии. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(3), 183–196. https://doi.org/10.20535/S0021347020030048

Номер

Том 63 № 3 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.