Динамические неоднородности

Функциональная акустоэлектроника

Физические основы

Функциональная акустоэлектроника является направлением функциональной электроники, в котором исследуются акустоэлектронные эффекты и явления в различных континуальных средах, а также возможность создания приборов и устройств электронной техники для обработки, передачи и хранения информации с использованием динамических неоднородностей акустической и (или) акустоэлектронной, акустооптической природы.

К акустоэлектронным явлениям и эффектам относятся:

- генерация, распространение, преобразование и детектирование объемных (ОАВ) и поверхностных акустических волн (ПАВ);

- преобразование электрического сигнала в акустический и обратно;

- электронное поглощение и усиление акустических волн;

- акустоэлектронные и акустомагнитные эффекты;

- нелинейные акустоэлектронные явления: генерация гармоник, акустоэлектронные домены, параметрическое и супергетеродинное усиление звука;

- взаимодействие света и звука в твердых телах, дифракция, модуляция и сканирование света звуком.

Исследования этих явлений и эффектов показывают, что с их помощью возможна генерация динамических неоднородностей волновой и доменной природы, которые широко используются в процессорах сигналов и устройствах памяти для обработки и хранения информации.

Динамические неоднородности

В функциональной электронике используются динамические неоднородности акустической, акустоэлектронной или акустооптической природы. В твердом теле могут возбуждаться акустические волны, представляющие собой упругое возмущение вследствие деформации материала. Такие деформации имеют место при движении отдельных атомов и сопряжены с изменением расстояний между ними. При этом возникают внутренние упругие силы, стремящиеся вернуть материал в исходное состояние. Колебания атомов происходят вблизи положения равновесия, и при этом генерируется волна механического напряжения и растяжения. Скорость распространения акустической волны лежит в пределах (1,5-4,0)х10³ м/с. Диапазон частот акустических волн находится в интервале от нескольких герц до 10¹³ Гц, а их распространение сопровождается переносом энергии. Различают продольные и сдвиговые волны в зависимости от характера движения частиц (рис. 2.1).

Если размеры звукопровода намного больше длины акустической волны, то в нем могут распространяться объемные акустические волны.

Если же среда, в которой распространяются волны, является ограниченной, то на распространение волн существенное влияние оказывают граничные условия. В однородной среде со свободной плоской поверхностью существуют поверхностные акустические волны (ПАВ). По вектору поляризации волн ПАВ бывают двух типов: для вертикальной поляризации характерно расположение вектора колебательного смещения частицы среды в перпендикулярной границе плоскости; для горизонтальной поляризации вектор смещения частицы среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.

Рис. 2.1. Акустические волны продольного (а) и сдвигового (б) типов

ПАВ являются направленными волнами, другими словами, их амплитуда экспоненциально убывает с глубиной. Поэтому ~ 90% переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной не более одной длины волны. Доступность волнового фронта позволяет эффективно управлять распространением ПАВ на всем протяжении звукопровода. В устройствах на ПАВ используются УЗ-волны в диапазоне от 19 МГц до 10 ГГц.

Простейшим типом ПАВ являются волны с вертикальной поляризацией, распространяющиеся вдоль границы твердого тела с вакуумом. Это так называемые волны Рэлея (рис. 2.2, а). Энергия рэлеевских волн локализована в приповерхностном слое звукопровода

d_p ≈ λ_s

где λ_s - длина акустической волны. Волны Рэлея не обладают дисперсией, т. е. скорость их распространения не зависит от частоты.

Вдоль границы двух твердых тел могут распространяться волны Стоунли, состоящие как бы из двух рэлеевских волн.

К волнам с горизонтальной поляризацией относятся волны Лява (рис. 2.2, б). Это сдвиговые волны, существующие в тонком слое на поверхности твердого тела. Волны Лява обладают дисперсией и локализуются в слое, толщина которого d_p ≥ λ_s.

Исследованы чисто сдвиговые волны, не обладающие дисперсией (рис. 2.2, в). Эти волны получили название волн Гуляева — Блюстейна. Они могут существовать на свободной поверхности пьезоэлектрических кристаллов. Глубина их проникновения в десятки раз превышает длину акустической волны (d_p>>λ_s). Применение таких волн позволяет избежать тщательной обработки поверхности материала. Важной особенностью распространения динамических неоднородностей акустической природы (ПАВ) в континуальных средах с различными физическими свойствами является существующий эффект генерации динамических неоднородностей другой природы. Вследствие явления акустоэлектронного взаимодействия происходит воздействие акустической волны на электроны проводимости в твердых телах. Результатом такого воздействия является обмен энергией и импульсом между акустической волной и электронами проводимости. Например, передача энергии акустической волны электронам приводит к электронному поглощению звука, а передача импульса акустической волны стимулирует возникновение электрического тока. Возможно явление усиления звука за счет стимулированного дрейфа электронов в твердом теле и частичной передачи энергии акустической волне.

Рис. 2.2. Поверхностные акустические волны различных типов: а - волны Рэлея, б- волны Лява, в - волны Гуляева — Блюстейна

Возникающая при распространении акустической волны деформация вызывает в пьезоматериалах переменное электрическое поле, амплитуда и фаза которого находятся в прямой зависимости от объемного заряда электронов проводимости (прямой пьезоэффект). В свою очередь это поле вызывает деформацию кристалла и соответственно изменение характера распространения волны (обратный пьезоэффект). Акустическая волна генерирует волны электрических полей. В местах, где кристалл сжимается волной, наведенное электрическое поле замедляет движение электронов, а в местах растягивания кристалла волной наблюдается ускорение электронов за счет внутреннего электрического поля. Под действием этих полей носители стремятся сгруппироваться в областях с минимумом потенциальной энергии. Возникают затухающие волны объемного заряда, несколько запаздывающие по отношению к акустической волне (рис. 2.3, а). Волны объемного заряда представляют собой динамические неоднородности электрической природы, стимулированные ПАВ.

Если звукопровод поместить в постоянное электрическое поле Е ₀, то возникает дрейф электронов со скоростью

V_др =µ E ₀

где µ — подвижность электронов. В случае, когда V_др > V_пов (V_пов - фазовая скорость распространения акустической волны), электроны отдают свою энергию ПАВ и амплитуда ПАВ возрастает (рис. 2.3, б). В случае затухания волны график функции достаточно точно описывается функцией типа

U = exp(- ax)∙sin(bx)

а в случае ее усиления

U = exp(ax)∙sin(bx)

где a и b - константы. Обмен энергией между динамическими неоднородностями акустической и электронной природы в пределах одной континуальной среды является фундаментальным эффектом, лежащим в основе приборов акустоэлектроники.

В акустооптических средах акустические и электромагнитные волны парамет-рически связаны упругооптическим эффектом. Упругая акустическая волна индуцирует изменение показателя преломления. Это позволяет сформировать динамические неоднородности в виде оптических неоднородностей по показателю преломления (фазовые решетки), распространяющихся вслед за акустической волной. Свет дифрагирует на таких регулярных динамических неоднородностях оптической природы.

Рис. 2.2 Схема взаимодействия динамических неоднородностей акустической и электрической природы: а - при отсутствии потенциала; б - при наличии потенциала на звукопроводе

Акустическая волна в пьезомагнитной среде (антиферромагнетиках) порождает магнитоупругие волны, которые являются еще одним типом динамических неоднородностей в акустоэлектронике.