Acoustic Resonance Spectroscopy with an Uncalibrated Microwave Path

S. G. Alekseev; Алексеев С. Г.; V. A. Luzanov; Лузанов В. А.; A. O. Raevsky; Раевский А. О.; V. V.  Balashov; Балашов В. В.; K. V. Lopukhin; Лопухин К. В.; N. I. Polzikova; Ползикова Н. И.

doi:10.31857/S0320791922060016

Акустическая резонаторная СВЧ-спектроскопия с некалиброванным измерительным трактом

Авторы: Алексеев С.Г.¹, Лузанов В.А.², Раевский А.О.², Балашов В.В.², Лопухин К.В.², Ползикова Н.И.¹
Учреждения:
1. Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
2. Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Выпуск: Том 69, № 1 (2023)
Страницы: 32-40
Раздел: ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
URL: https://medbiosci.ru/0320-7919/article/view/134375
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791922060016
EDN: https://elibrary.ru/CPIAJF
ID: 134375

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Метод акустической резонаторной спектроскопии (АРС) является информативным аналитическим методом, который позволяет получать данные о толщинах и акустических свойствах слоев многослойной структуры, представляющей собой многомодовый резонатор объемных акустических волн (HBAR). Спектр HBAR содержит множество резонансных особенностей и актуальной задачей является развитие автоматических методов его обработки. В настоящей работе предложен способ выделения данных АРС из сигнала, искаженного влиянием измерительного тракта, без проведения дополнительных измерений эталонных импедансов (калибровки), что приводит спектр к виду, удобному для автоматической обработки, а также существенно расширяет возможности применения АРС. Особенно актуальным является применение метода для обработки спектров HBAR со слабой эффективностью возбуждения. В качестве примера такой обработки приводится определение центральных частот и эффективных ширин более тысячи резонансных пиков, на основе чего находится частотная зависимость акустического затухания в новом материале – оптической керамике на основе наночастиц допированного алюмоиттриевого граната.

Ключевые слова

резонатор объемных акустических волн, HBAR, пьезопреобразователь, калибровка, эффективность возбуждения, акустическое поглощение

Список литературы

Крутов Б.Н., Мансфельд Г.Д., Фрейк А.Д. Определение акустических параметров тонких слоев и пленок по электрическим характеристикам составного резонатора // Акуст. журн. 1994. Т. 40. № 4. С. 633–639.
Мансфельд Г.Д., Алексеев С.Г., Ползикова Н.И. Эквивалентная электрическая схема составного акустического резонатора для радиотехнических устройств СВЧ диапазона // Акуст. журн. 2008. Т. 54. № 4. С. 552–558.
Мансфельд Г.Д., Гуляев Ю.В., Косаковская З.Я., Алексеев С.Г., Сарайкин В.В. Акустические и акустоэлектронные свойства углеродных нанотрубных пленок // ФТТ. 2002. Т. 44. № 4. С. 649–651.
Сорокин Б.П., Новоселов А.С., Квашнин Г.М., Лупарев Н.В., Асафьев Н.О., Шипилов А.Б., Аксёненков В.В. Разработка и исследование композитных акустических резонаторов со структурой “Al/(Al,Sc)N/Mo/алмаз” с высокой добротностью на СВЧ // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 3. С. 325–331.
Sotnikov A.V., Sorokin B.P., Asafiev N.O., Shcherbakov D.A., Kvashnin G.M., Suhak Yu., Fritze H., Weihnacht M., Schmidt H. Microwave acoustic attenuation in CTGS single crystals // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2021. V. 68. № 11. P. 3423–3429.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyansky I.M. Acoustic HBAR spectroscopy of metal (W, Ti, Mo, Al) thin films // Proc. 2001 IEEE Ultrasonics Symp. New York: IEEE, 2001. V. 1. P. 415–418.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Polzikova N.I. Measurements of attenuation and electromechanic coupling constant of piezoelectric films in microwave resonators // Acoust. Phys. 2010. V. 56. № 6. P. 904–908.
Migliori A., Sarrao J.L., Visscher W.M., Bell T.M., Lei M., Fisk Z., Leisure R.G. Resonant ultrasound spectroscopic techniques for measurement of the elastic moduli of solids // Physica B: Cond. Mat. 1993. V. 183. № 1–2. P. 1–24.
Polzikova N., Alekseev S., Kotelyanskii I., Raevskiy A., Fetisov Yu. Magnetic field tunable acoustic resonator with ferromagnetic-ferroelectric layered structure // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 17. P. 17C704-1-4.
Polzikova N.I., Alekseev S.G., Pyataikin I.I., Luzanov V.A., Raevskiy A.O., Kotov V.A. Frequency and magnetic field mapping of magnetoelastic spin pumping in high overtone bulk acoustic wave resonator // AIP Advances. 2018. V. 8. № 5. P. 056128-1-6.
Alekseev S.G., Dizhur S.E., Polzikova N.I., Luzanov V.A., Raevskiy A.P., Orlov A.P., Kotov V.A., Nikitov S.A. Magnons parametric pumping in bulk acoustic waves resonator // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 117. № 7. P. 072408-1-5.
Sergeev F.O., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Mansfeld G.D., Polzikova N.I. Viscosity tensor components of the langatate and langasite // Proc. 2008 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS). New York: IEEE, 2008. P. 745–748.
Polzikova N.I., Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Sergeev F.O. Acoustic resonance spectroscopy of nanoceramics // Proc. 2008 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS). New York: IEEE, 2008. P. 2169–2172.
Алексеев С.Г., Ползикова Н.И., Котелянский И.М., Мансфельд Г.Д. Исследование слоистых структур модифицированным методом резонаторной акустической спектроскопии // Радиотехн. электрон. 2015. Т. 60. № 3. С. 317–324.
Алексеев С.Г., Лузанов В.А., Ползикова Н.И. Исследование пространственного распределения пьезоэлектрических свойств пленки ZnO методом акустической резонаторной спектроскопии // Радиотехн. электрон. 2020. Т. 65. № 11. С. 1131–1136.
Bhaskar U.K., Tierno D., Talmelli G., Ciubotaru F., Adelmann C., Devolder T. BPZT HBARs for magnetoelastic stress generation at GHz frequencies // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2020. V. 67. № 6. P. 1284–1290.
Gokhale V.J., Downey B.D., Katzer D.S., Nepal N., Lang A.C., Stroud R.M., Meyer D.J. Epitaxial bulk acoustic wave resonators as highly coherent multi-phonon sources for quantum acoustodynamics // Nature Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 2314-1-9.
Kvashnin G., Sorokin B., Asafiev N., Prokhorov V., Sotnikov A. Peculiarities of the acoustic wave propagation in diamond-based multilayer piezoelectric structures as “Me1/(Al, Sc) N/Me2/(100) Diamond/Me3" and “Me1/AlN/Me2/(100) diamond/Me3” under metal thin-film deposition // Electronics. 2022. V. 11. № 2. P. 176-1–11.
Cheeke J.D.N., Zhang Y., Wang Z. Resonant spectrum method to characterize piezoelectric films in composite resonators // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2003. V. 50. № 3. P. 321–333.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Bormashov V.S., Golovanov A.V., Burkov S.I., Blank V.D. Excitation of hypersonic acoustic waves in diamond-based piezoelectric layered structure on the microwave frequencies up to 20 GHz // Ultrasonics. 2017. V. 78. P. 162–165.
Алексеев С.Г., Мансфельд Г.Д. Простой способ измерения добротности и затухания в акустических резонаторах // Радиотехн. электрон. 2008. Т. 53. № 1. С. 122–126.
Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М.: Мир, 1990. 652 с.
Алексеев С.Г., Мансфельд Г.Д., Ползикова Н.И. Захват энергии колебаний в составных акустических резонаторах на основе кубических кристаллов // Радиотехн. электрон. 2006. Т. 51. № 8. С. 984–990.
Хазанов Е.Н., Таранов А.В., Алексеев С.Г., Ползикова Н.И. Влияние анизотропии на кинетику и акустические характеристики фононов в керамике на основе YAG, Y2O3, Lu2O3 // Журн. эксп. теор. физ. 2014. Т. 145. № 1. С. 101–107.