Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАНГМАТА КАЛИЯ (ОБЗОР) 7
1.1. Диэлектрическая проницаемость и нелинейность 7
1.2. Диэлектрические потери 12.
1.3. Диэлектрические свойства Ki-»LixTa03 17
1.4. Параметрическое взаимодействие в кристаллах КТаО. 22
ГЛАВА II. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ КРИСТАМОВ К Та 03 И KbxLixTa 03 В КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ СВЧ ДИАПАЗОНА 2?
2.1. Методика и погрешности измерения tab 27
2.2. Экспериментальная установка для исследования диэлектрических свойств и параметрических эффектов в диапазоне 12 * 14 ГГц ЧІ
2.3. Экспериментальная установка для исследования диэлектрических свойств К Та U j в диапазоне 25 * 36 ГГц ....... Ц9
2.4. Результаты измерения диэлектрических
потерь КТа 03 и K,_xL>vTa 05
в интервале температур 4,2 * 300 К 65
ГЛАВА III. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ КТа 03
И KbxLfxTa 03 В ДИАПАЗОНАХ 12 + 14 1Гц И 25 * 36 ГГц 76
3.1. Методика и погрешности измерения 76
3.2. Диэлектрическая проницаемость кристал
лов КТа 03 иКнхи;хТа03 В2
ГЛАВА ІV. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В РЕЗОНАТОРАХ из КТ*03 . 92
4.1. Параметрическое взаимодействие электромагнитных колебаний в резонаторах из КТа 03 92
4.2. Параметрическое возбуждение звука СВЧ
накачкой в резонаторах из КТа05 96
ГЛАВА V. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РА30НАТ0Р0В КТ 102
5.1. Исследование поверхностных слоев в сегнетоелектриках 10?
5.2. Влияние поверхностных слоев на собственные частоты и диэлектрические потери резонаторов из Kj-xLixTc* Oj 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
ЛИТЕРАТУРА 124
- Диэлектрическая проницаемость и нелинейность
- Методика и погрешности измерения tab
- Методика и погрешности измерения
- Параметрическое взаимодействие электромагнитных колебаний в резонаторах из КТа 03
- Исследование поверхностных слоев в сегнетоелектриках
Введение к работе
Танталат калия привлекает к себе последние годы все большее внимание специалистов в области физики твердого тела. Велик интерес к этому кристаллу и исследователей, занимающихся прикладными вопросами, в частности, разработкой различных нелинейных диэлектрических СВЧ устройств.
Наибольший интерес системы и устройства на основе кристаллов танталита калия представляют в коротковолновой части СВЧ диапазона, где они могут успешно конкурировать с полупроводниковыми устройствами. Обладая достаточно высокой диэлектрической нелинейностью, танталат калия имеет весьма низкий уровень потерь, чем делает весьма перспективным его использование в качестве активной нелинейной среды в параметрических устройствах, в системах с электрическим управлением и иных нелинейных системах.
Исследование диэлектрических свойств КПГа LL и особенно его малых потерь при низких температурах позволяет также выяснить механизмы диссипации электромагнитной энергии на СВЧ, особенности фазового перехода, который может быть вызван в этом виртуальном сегнетоэлектрике приложением механического давления, рядом других воздействий, а также замещением калия в кристаллической решетке, например, литием.
Диэлектрические потери танталата калия в коротковолновой части сантиметрового диапазона оставались до последнего времени практически не изученными.
Также не исследованы в этой частотной области при температурах, близких к температуре жидкого гелия, и диэлектрические свойства K,_xL'ixTq U3 * хотя информация об этих свойствах представляется весьма актуальной для создания СВЧ устройств данного диа- пазона.
Исследованию указанных выше проблем, связанных со свойствами танталата калия, и посвящена настоящая работа. диссертация состоит из пяти глав.
Б первой главе дан краткий обзор литературы, имеющей непосредственное отношение к проведенным исследованиям.
Во второй главе описана методика и погрешности измерения, криогенные экспериментальные установки для исследования нелинейных диэлектриков в диапазонах 12 * 14 ГГц и 25 * 36 ГГц. Излагаются результаты измерения диэлектрических потерь в кристаллах
КТа и3 и К^Ьі^ТаОз»
В третьей главе описана методика, погрешности и основные результаты измерения диэлектрической проницаемости при Т s 4,2 К и относительного изменения с температурой.
В четвертой главе описаны эффекты параметрических взаимодействий в диэлектрических резонаторах из К Тіa Uj , наблюдавшиеся на частотах 12 * 14 ГГц при температуре жидкого гелия. Рассмотрены возможные механизмы возбуждения ультразвука в исследованных резонаторах.
В пятой главе изложены результаты исследования медленных ре лаксационных процессов в при температурах 4,2 К ^ Т < 30 К.
Проведенные в диссертационной работе исследования позволяют сформулировать следующие положения, которые выносятся на защиту.
I. диэлектрические потери монокристаллов КТа U3 на частотах 12 * 14 ГГц и 25 * 36 ГГц при температурах, близких к температуре жидкого гелия, малы и лежат на один-два порядка ниже значений, известных для других сегнетоэлектрических кристаллов.
Это делает указанные кристаллы перспективными для использования в качестве активной среды в коротковолновой части СВЧ диапазона.
2. Впервые измеренные диэлектрические потери кристаллов K,.xLlxTa LL ( х = 0,02; 0,05; 0,1 по шихте), в области температур ниже фазового перехода ( ТОО К) на частотах 12 * 14 ГГц и 25 * 36 ГГц оказываются не выше потерь чистого
КТа03.
3. Качественный ход кривых относительного изменения с температурой кристаллов K|-.xLixTa и3 при низких температурах аналогичен виду зависимости для чистого К \ a Uу Обратная диэлектрическая проницаемость кристаллов K,_xLixTa О* на частотах 12 * 14 ГГц при Т = 4,2 К линейно убывает с уменьшением концентрации лития X.
В резонаторах из KTq U3 ПРИ Т = 4,2 К на частотах 12 * 14 ГГц осуществлено параметрическое взаимодействие СВЧ колебаний в дважды вырожденном режиме, а также электромеханическое параметрическое возбуждение ультразвука, которое носит элек-трострикционный характер.
В диэлектрических резонаторах из и K,_xLixTa U3 при охлаждении до температуры ниже Т й5 30 К наблюдаются медленные релаксационные изменения собственных частот, связанные с перераспределением зарядов и изменением внутреннего электрического поля. Скорость и характерные времена ZT этих медленных процессов определяются диэлектрической проницаемостью и проводимостью кристаллов, и для исследованных образцов при гелиевых температурах характерные времена имеют порядок "~Ю2 * Ю4 сек.
Диэлектрическая проницаемость и нелинейность
Известно, что при комнатной температуре К Та и3 имеет кубическую кристаллическую решетку типа перовскита АВи3 (пространственная группа On " р т ),показанную на рис. 1а. Характерной особенностью кристалла является наличие подрешетки кислородных октаэдров (рис.16). Параметр элементарной ячейки при комнатной температуре равен (X = 3,9885 A _I-Sj.
В отсутствии поля смещения диэлектрическая проницаемость монокристаллического К la (Jj с понижением температуры от комнатной до гелиевой возрастает с 200 300 до (3,5+5).103 [4-12], причем этот рост вплоть до температуры Т 50 К описывается модифицированным законом Кюри-Вейса где С - постоянная Кюри Вейса; Тс - температура Кюри-Вейса; - член, описывающий вклад в электронной поляризации и всех колебаний решетки, частота которых не зависит от температуры. В интервале температур 4,2 50 К зависимость (Т.) 7я
не может быть описана формулой (I.I.I). При уменьшении температуры от 10 К до температуры жидкого гелия диэлектрическая проницаемость увеличивается не более чем на 1%, а в интервале 10 + 50 К может быть удовлетворительно описана формулой, предложенной Бар-етом По данным различных авторов, приведенным в работе \1Ь \ можно определить средние значения параметров (1.1.2)« Они составляют ,и 50; Tt-I0K; С 5,5«Ю4К; Т; 52 К.
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры по данным4] представлена на рис. 2. Как эта, так и другие экспериментальные работы показывают, что температурный ход диэлектрической проницаемости чистого танталата калия не обнаруживает никаких отклонений от (1.1.I) и (I.I.2) и сегнетоэлектрического фазового перехода при охлаждении К Та 03 вплоть до температуры жидкого гелия не происходит.
Приложение поля смещения изменяет диэлектрические свойства КТаи3 . Начиная с некоторого критического значения Е 8 - 12 кВ/см на зависимости (Т) появляется широкий максимум l,6j, при этом диэлектрическая проницаемость танталата калия ведет.себя так же, как диэлектрическая проницаемость сегнетоелектрика с фазовым переходом второго рода.
Методика и погрешности измерения tab
Измерения тангенса угла диэлектрических потерь в данной работе проводились методом диэлектрического резонатора (ДР). Подобная методика уже успешно использовалась ранее при измерении потерь сегнетоэлектрических кристаллов с высокой диэлектрической проницаемостью на СВЧ в широком интервале температур [_13,32, 72-74] . Однако измерения в 8-мм диапазоне отличаются рядом особенностей, связанных с методикой возбуждения ДР. Эти особенности подробно описаны в 2.3.
В экспериментах использовались ДР из ктс03 iKJ/joQj как произвольной форш, так и близкой к параллепипеду. В послед нем случае образцы получались выкалыванием резонатора из кристал ла по плоскостям спайности. В качестве измерительной ячейки ис пользовался короткозамкнутый отрезок полого металлического волно вода. Резонатор помещался на расстоянии Д от короткозамы кающего поршня, а изменение (подстройка) связи достигалась как перемещением ДР вдоль оси волновода, так и вращением плоскости поляризации СВЧ волны относительно диэлектрического резонатора. Это достигалось поворотом ДР относительно постоянной поляризации в прямоугольном волноводе (при экспериментах в диапазоне 12 14 ГГц), или вращением плоскости поляризации волны относительно не подвижного ДР в круглом волноводе (в диапазоне 25+36 Пц). Крис таллы во всем рабочем интервале температур (соответственно 4,2 - 300 К и 4,2 + 25 К) обладают вы сокой диэлектрической проницаемостью ( , 200). Благодаря пол ному внутреннему отражению от поверхности ДР электромагнитное поле внутри диэлектрика представляет собой систему стоячих волн, а вне его быстро спадает при удалении от поверхности резонатора. В связи с этим добротность резонаторов Q точно равна обратной величине Q = у"ЬаО.
Для уменьшения влияния поверхностных слоев, потери в которых могут дтличаться от потерь в объеме кристалла, а также для удобства работы (большие резонаторы легче выкалывать и обрабатывать) измерения велись в основном на ДР, возбуждаемых не на основных типах колебаний, а на модах с более высокими индексами П (как правило, К\ %, S ) Благодаря этому обстоятельству можно также пренебречь потерями на излучение, т.е. радиационная добротность диэлектрического резонатора ?РоЭ— " 0 L74""7 ] . В [j74[] показано, что в диапазоне длин волн Я = 3 см и 200 потери за счет скин-эффекта в близлежащих металлических поверхностях (особенно для высших типов колебаний) уже при расстояниях ё, (2 3) мм от ДР пренебрежимо малы. Все сказанное тем более справедливо для ДР, возбуждаемых СВЧ колебаниями с длинами волн /Я 2смиЯ»0,8 см. Таким образом, волноводннй измерительный тракт не вносит дополнительных потерь и измеряемые значения добротностей резонаторов полностью определяются "Ьа-о исследуемого материала (вклад поверхностных слоев в потери будет рассмотрен в Главе У).
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ КТа 03
И KbxLfxTa 03 В ДИАПАЗОНАХ 12 + 14 1Гц И 25 * 36 ГГц 76
Методика и погрешности измерения
Экспериментальная установка, описанная в 2.2,позволяет измерять методом диэлектрического резонатора относительное изменение диэлектрической проницаемости в широком интервале температур с высокой точностью и производить оценку абсолютного значения при гелиевых температурах.
Рассмотрим, каким образом при использовании многомодового диэлектрического резонатора из материала с высоким может быть измерена диэлектрическая проницаемость.
В работе [эо] предложен способ измерения диэлектрической проницаемости образца в волноводе по формуле Рэлея-Джинса где -р - средняя частота исследуемого интервала- d-P , V объем резонатора, С - скорость света. Из (3,1,1) выразим в виде:
При возбуждении многомодового ДР сравнительно большого объема ( V ІСГ2 10 см3),спектральная плотность его колебательных мод СІП/d-p в полосе обзора свипп-генератора 12 16 ГГц оказывается достаточной для того, чтобы оценить .
Вообще говоря, при проведении измерений с кристаллами Kj LixaO » которые при Т = 4,2 К находятся в сегнетофазе, вмес то 5/2 в формуле (3.1.1) следует брать произведение где х и „ соответственно перпендикулярная и параллельная направлению спонтанной поляризации компоненты диэлектрической проницаемости. Однако, исследованные образцы содержали в своем объеме большое число доменов разной ориентации [_45,9IJ , в результате чего измерения давали некоторую усредненную проницаемость. В пользу этого предположения говорит тот факт, что частоты всех колебательных мод для каждого резонатора совершенно идентично зависели от температуры. Этого не наблюдалось бы в однодоменном случае, когда х и и и, соответственно, частоты различных типов колебаний по-разному изменялись бы с температурой.
Основной вклад в погрешность измерения по формуле (3.1.2) дает ошибка в подсчете числа мод QY) в фиксированном частотном интервале u-p , т.к. все остальные величины,входящие в (3.1.2), известны или могут быть измерены с высокой точностью. Вычисление объема резонатора производится из известной плотности танталата калия j = 6,97 г/см3 и массы ДР, определяемой взвешиванием с точностью і 0,1 мг (с относительной ошибкой Дт/гП 10 10 ). При работе с диэлектрическими резонаторами из кристаллов К,.хЫх la U3 необходимо вносить коррективы в значение плотности чистого танталата калия, вызываемые тем, что часть ионов калия замещается более легкими ионами лития, однако, эта поправка даже для максимальных исследований концентраций ( Х= 0,1) составляет лр/Р І.6 10" и ею можно пренебречь. Ошибка в подсчете количества колебательных мод d Y) возникает из-за возможного вырождения и слабой связи некоторых типов колебаний. Даже при максимальной чувствительности осциллографа (16 рис. 14), в этом случае не удается увидеть резонансный провал на продетектированной отраженной мощности, или различить два резонан -78 са, практически совпадающие по частоте. Для уменьшения влияния этих факторов в процессе измерения изменялось положение и ориентация диэлектрического резонатора в охлаждаемой волноводной секции ( 27 рис. 14) путем вращения и перемещением вдоль оси волновода алундовой трубочки-держалки диэлектрического резонатора ( 4 рис. 16).
Параметрическое взаимодействие электромагнитных колебаний в резонаторах из КТа 03
Исследование параметрического взаимодействия при использовании в качестве нелинейного элемента кристалла КТа и3 представляет особый интерес именно в коротковолновой части СВЧ диапазона, т.к. применение полупроводниковых элементов в таких устройствах (работающих на длинах волн Я (1 10) мм) затруднено.
Как уже отмечалось (см. 1.4), параметрическое усиление в вырожденном режиме на кристаллах танталата калия при 4,2К и непрерывной накачке было впервые осуществлено в 1982 г. на частоте 3 ГГц L67J. Осуществление такого усиления в диапазоне 12-14 ГЕц не являлось основной целью данной работы, т.к. для такого эксперимента требуется относительно высокая стабильность СВЧ колебаний ( &]-/f /"v ІОГ )» что при работе с клистронными генераторами требует принятия дополнительных мер по стабилизации перестраиваемых источников. Однако, на работающих в установке (рис.14) клистрон-ных генераторах удавалось наблюдать параметрическое взаимодействие в дважды вырожденном режиме при Т = 4,2 К.
В качестве источника колебаний накачки использовался клистрон К-ІІЗ (6 рис.14), который присоединялся непосредственно к подвижной части СВЧ тракта (ІУ рис.14). Это позволяло практически без потерь подавать на диэлектрический резонатор мощность накачки до 5 мВт. Имевшиеся в установке источники питания клистрона обеспечивали кратковременную стабильность частоты на уровне
В качестве сигнала использовались колебания от генератора Г4-І08 (8 рис.17), который обеспечивал мощность на входе охлаждаемой волноводной секции до 0,3 мВт при стабильности частоты после двухчасового прогрева Afc/fc I0 5.
В экспериментах использовались маломодовые резонаторы из , выращенного во ФТИ им. А.Ф. Иоффе, с объемом \[ 5»I0 . В работе L32J в предположении малости анизотропии нелинейности KTokU3 получены интегральные коэффициенты взаимодействия и оценена пороговая мощность накачки для дважды вырожденного параметрического взаимодействия.
Исследование поверхностных слоев в сегнетоелектриках
Изучение поверхностного слоя в сегнетоэлектрических кристаллах проводится давно и в основном экспериментальными методами. В ряде исследований было обнаружено, что некоторые свойства, такие как диэлектрическая проницаемость, нелинейность, диэлектрические потери, доменная структура и некоторые другие, в поверхностных слоях иные, чем в основном объеме. Необходимо отметить, что прямые наблюдения поверхностного слоя затруднены и эксперименты по изучению его свойств носят косвенный характер.
В соответствии с [37 можно выделить три типа поверхностного слоя: А - ростовой слой, который может быть удален травлением образца; В - "собственный" слой, образование которого не зависит от способа получения кристалла, и не удаляемый травлением. Влияние этого слоя проявляется при диэлектрических (не связанных с переключением) и оптических экспериментах; С - также не удаляемый травлением "собственный слой , проявляющийся в экспериментах по переключению.
Нас в дальнейшем будут интересовать слои, относящиеся к типу В, так как именно их влияние было существенным в проведенных исследованиях.
Причиной образования приповерхностных слоев типа В и С могут служить абсорбция или потери кислорода (кислородные вакансии) в . кристалле вблизи его поверхности, а также наличие особых поверхностных состояний электронов. Эти состояния возникают, в частности, из-за обрыва кристаллической решетки и нарушения трансляционной симметрии [iOIJ, в результате чего происходит накопление отрицательного заряда в приповерхностном слое кристалла и формирование энергетического барьера, аналогичного барьеру Шоттки.
Наличие избыточного заряда в поверхностном слое вызывает появление больших электрических полей( I05 - 1Сг В/м [iOl] ) и, поскольку, при Т = 4,2 К кристалл К Та О, обладает высокой диэлектрической проницаемостью и нелинейностью, соответственное снижение этих характеристик слоя по сравнению с основным объемом кристалла.
В работе [l02] также подробно экспериментально изучено распределение электрического поля и концентрации носителей заряда в зависимости от расстояния до поверхности кристалла.
Наличием приповерхностного заряда авторы [б,16,103] объясняют гистерезисные явления в танталате калия, наблюдавшиеся при наложении и снятии электрического поля, а также при изменении ориентации.
Влияние поверхностного слоя на добротность различных мод цилиндрического разонатора из танталата калия с электродами из разных материалов на частоте I ГГц при Т = 4,2 К экспериментально изучено в работе L35J.
