Акустоелектроніка

АКУСТОЕЛЕКТРО́НІКА — роз­діл акустики та фізики твердого тіла, що ви­вчає взаємодію акустичних хвиль із носіями заряду в твердому тілі з метою створе­н­ня спеціальних при­строїв для функціональної обробки сигналів. Як самост. напрямок науки А. склалася в 60-х рр. 20 ст. на стику акустики твердого тіла, фізики напів­провід­ників та радіо­електроніки. Виникне­н­ня А. та її назва повʼязані з урахува­н­ням акусто­електрон­ної взаємодії (АЕВ). Було виявлено, що наявність у кри­сталах напів­провід­ників до­статньої кількості вільних носіїв заряду сут­тєво впливає на акуст. характеристики кри­стала — спо­стерігається додатк. по­глина­н­ня та зменше­н­ня акустичних хвиль (АХ). Водночас у результаті зміще­н­ня атомів кри­сталіч. ґратки в акуст. полі та від­повід. зміни внутр.-кри­сталічних електр. полів модулюється рух носіїв заряду — на кінцях ро­зі­мкненого напів­провід­никового зразка при роз­по­всюджен­ні у ньому АХ виникає електр. напруга, спо­стерігається акусто­електричний ефект (АЕЕ, Г. Вайнрайх, 1956). Якщо швидкість направленого руху електронів більша за швидкість звуку, то вони від­дають частину енергії АХ, в результаті чого від­бувається її під­силе­н­ня (А. Гатсон, Д. Вайт, Дж. Мак-фі, 1961); за від­сутності зовні введеної АХ спо­стерігається за певних умов під­силе­н­ня теплових акуст. шумів, що призводить до формува­н­ня акусто­електр. доменів і електр. не­стійкості.

Фундам. дослідже­н­ня АЕВ в обʼємних, шарових та просторово-обмежених матеріалах сприяли роз­витку технічної А. — галузі, що роз­робляє принципи побудови акусто-електрон. при­строїв. Мала швидкість роз­по­всюдже­н­ня АХ, яка в ~10₅ разів менша за швидкість електромагніт. хвиль, до­зволяє значно зменшити габарити резонанс. елементів, а отже, і масу, затратну енергію та вартість виробів А. у порівнян­ні з радіотехнічними; до­ступність фронту АХ, оскільки пере­важна більшість традиц. при­строїв А. працює на поверх­невих АХ, від­криває широкі можливості ефектив. керува­н­ня характеристиками цих хвиль за допомогою зовн. електричних, мех., оптич. та ін. полів; технол. сумісність з виробництвом планарних мікросхем ви­значає органічність впровадже­н­ня процесу виготовле­н­ня виробів А. у заг. технологію виробництва мікро­електрон. приладів; а нові функціонал. можливості принципово роз­ширюють можливість таких виробів у цілому.

Виділяють фізичну, технічну та інженерну А., що роз­вивається в руслі заг. функціональної мікро­електроніки. Роз­робка фундам. принципів А. сприяла від­кри­т­тю цілого спектра явищ електрон-фонон­ної взаємодії, необхідних для роз­робки нових наук.-тех. методів ви­вче­н­ня твердих тіл, особливо для дослідж. їх поверх­невих і приповерх­невих властивостей. Залежно від типу кри­сталів ви­вчалися такі механізми АЕВ: іон­ний — в матеріалах з високою густиною іонізованих осн. або домішк. атомів (метали, напів­метали, іонні кри­стали); потенціал-деформаційний — як результат зміни ширини забороненої зони за рахунок деформації (Si, Ge, напів­метали); пʼєзо­електричний — в кри­сталах без центру симетрії — найширше досліджений для різноманітних А₂В₆ та А₃В₅ кри­сталів; електрострикційний — за рахунок модуляції АХ ді­електрич. сталої ε в кри­сталах з великою ε (SbSі); магнітострикційний — у феромагніт. металах (нікель і сплави). На­звані ефекти АЕВ пере­важають у випадку роз­по­всюдже­н­ня АХ з від­носно малою інтенсивністю (W_ак < 0,1 Вт/см²). З під­вище­н­ням W_ак збільшується внесок неліній. електрон­них та фон­них процесів, які обмежують лінійні ефекти АЕВ, однак використовуються в роботі спеціальних А. при­строїв (Ю. Гуляєв та ін., 1965–90). При роз­по­всюджен­ні АХ помірної інтенсивності 0,1 < W_ак <10 Вт/см², коли нелінійні ефекти ще не є ви­значальними, київ. вчені у 80-х рр. виявили, що в кри­сталах можуть проявлятися якісно нові явища та ефекти: акустолюмінесценція, акусто­провід­ність та акустофото­провід­ність, акустохім. реакції, інверсія знаку коефіцієнта Холла та ін. Механізми таких змін електр., оптичних та ін. властивостей матеріалів ви­значаються взаємодією зовн. АХ і з системою структур. дефектів кри­сталу, стан яких в умовах екс­перименту або є нерівноважним, або стає таким при дії звуку. На від­міну від ефектів традиційної А., коли АХ взаємодіє без­посередньо з електр. полем носіїв заряду в твердому тілі, такі акустостимульовані явища повʼязані з акустоіндукованими змінами в системі електрично- та оптично-активних дефектів. Роль таких «посередників» у взаємодії АХ з носіями заряду в дис­локац. кри­сталах виконують лінійні та плоскі дефекти типу дис­локацій та границь суб­блоків, а у без­дис­локаційних — т. зв. мета­стабільні дефекти, які проявляють властивості акусто­актив. центрів. Початок наук. досліджень актив. звуку повʼязаний з від­кри­т­тям у 1979 явища акустолюмінесценції (І. Островський, О. Рожко, В. Лисенко). Роз­виток ці дослідж. ді­стали у працях науковців Київ. університету (І. Островський, О. Коротченков, Ю. Халак та інші), Ін­ституту фізики НАНУ (О. Рожко) та в Ін­ституті фізики напів­провід­ників НАНУ (В. Громашевський, Н. Корсунська, Я. Оліх та ін.). Методи акусто­електрон. дефектів за­стосовуються при виробництві електрон. елементів. Нині роз­вивається окремий приклад. напрямок А. — «ультра­звукова інженерія дефектів», за­стосува­н­ня знаходять такі нові технол. операції, як ультра­звук. обробле­н­ня, термо­акуст. від­пал дефектів, акустостимульоване легува­н­ня та ін.

Функціонально інженерна А. є окремою ланкою в заг. схемі обробки та аналізу радіосигналу; кон­структивно — це при­строї, що роз­робляються в ній. З появою у 60-х рр. 20 ст. ефектив. зу­стрічно-штиревих пере­творювачів та роз­робкою технології їх виготовле­н­ня на діапазон надвисоких, гігагерцових частот інженерна А. протягом 60–70-х рр. стрімко роз­вивається і пере­ходить у галузі техніки. Різноманітні прилади (десятки типів, на частоти від долей МГц до 10 ГГц при допустимих втратах на по­двійне електро­акуст. пере­творе­н­ня в межах 20–60 дБ) поділяють на пасивні лінійні (лінії затримки, фільтри), активні лінійні (генератори та під­силювачі), нелінійні при­строї для амплітуд., частот., фазових пере­творень, сканува­н­ня оптич. зображень, кодува­н­ня та кореляції сигналів, елементи памʼяті та ін. Висока чутливість окремих хвилевидних АХ до стану, зокрема і хім., поверх­ні звуко­проводу або спеціально роз­міщеної на поверх­ні звуко­проводу тонкого шару ін. речовини, використовується для створе­н­ня акусто­електрон. датчиків та сенсорів; напр., акусто­електрон­ні атомайзери — сенсори газів та рідин.

Успіш. роз­виток А. як у СРСР, так і в Україні зумовлений наявністю в Україні високороз­виненої матеріало­знав. бази та наук.-вироб. центрів: лаб. Дні­проп., Львів., Ужгород. та Чернівец. університетів, Харків. НВО «Монокри­стал», Львів. НВО «Карат» та ін., де вперше було отримано, досліджено, показано пер­спективність і налагоджено випуск різноманіт. нових напів­провід­ник. і ді­електрич., пʼєзо- і сегнето­електр., склоподібних матеріалів як для А., так і для акустооптики. Поміт. внесок у роз­виток А. в Україні зробили вчені та інж. — А. Бєляєв, П. Бурлій, І. Гранкін, В. Дідковський, О. Іздебський, М. Жабітенко, М. Коцаренко, І. Кучеров, Я. Лепіх, В. Лопушенко, О. Миселюк, С. Пекар, В. Перга, В. Пісковий, Б. Тіман, А. Федорченко та ін. Фахівців з А. готують на каф. Нац. тех. університету України «Київ. політех. ін­ститут», каф. матеріало­знавства Київ. університету та ін. Дослідж. у галузі А. низькорозмір. систем (квантові ями та провід­ники) проводять науковці Ін­ституту фізики напів­провід­ників НАНУ (А. Демиденко, В. Кочелап).

Завантажити статтю