利用X射线和扫描电子显微镜方法研究压电晶体中的表面声波传播

《Radiation Physics and Chemistry》：Investigation of the surface acoustic wave propagation in piezoelectric crystals using X-ray and scanning electron microscopy methods

本文利用扫描电子显微镜、高分辨X射线衍射及同步辐射泰勒效应，研究了LiNbO3和La3Ga5SiO14晶体中表面声波（SAW）及伪表面声波（PSAW）的激发与传播机制，揭示了声波场分布规律及衍射现象，为新型声电传感器的开发提供了实验依据。

　　

德米特里·罗什丘普金

俄罗斯科学院微电子技术与高纯度材料研究所，142432切尔诺戈洛夫卡，俄罗斯

摘要

本文研究了压电晶体中声波的传播过程。主要采用了扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射和同步辐射源下的X射线拓扑成像技术作为研究方法。扫描电子显微镜能够实时观察压电晶体表面不同类型声波（表面声波（SAW）、伪表面声波（PSAW）和兰姆波）的传播情况。该方法使得声波束中的衍射现象得以可视化。通过同一叉指换能器（IDT）在不同的频率下激发LiNbO₃晶体中的瑞利表面声波和兰姆波，并对其进行了观察。利用高分辨率X射线衍射技术研究了表面声波调制下的晶体表面X射线衍射过程。通过分析X射线衍射谱，确定了SAW的振幅和能量流角度。在BESSY II同步辐射源下，利用塔尔博特效应实现了晶体表面声场的分割成像。

引言

声电器件被应用于声电子学、声光学、传感器和电信系统中，用于实时处理和传输信息（Dieulesaint和Royer，1974；Campbell，1989；Oliner，1978；Delsing等人，2019）。声电器件的发展基于新型压电材料的探索以及研究其工作原理的有效方法。

目前，SiO₂（Qiao等人，2016）、铁电晶体LiNbO₃（Lengyel等人，2015）和LiTaO₃（Warner等人，1967）被广泛用于声电子学领域。SiO₂晶体具有良好的温度稳定性，且多种晶向的频率温度系数为零，这在高温传感器应用中非常重要；而LiNbO₃和LiTaO₃晶体具有较高的压电常数和机电耦合系数，因此能够产生较大的SAW振幅。近年来，人们对镧镓硅酸盐系列晶体（如langasite，La₃Ga₅SiO₁₄，LGS）的兴趣日益增加。这类晶体介于SiO₂和LiNbO₃之间，兼具良好的温度稳定性和较高的压电常数，适用于声电器件和高温传感器（Du Cunda和Fagundes，1999；Irzhak和D. Roshchupkin，2018）。值得注意的是，langasite晶体可以在高达约1450°C的温度下使用，因为与石英和铁电晶体不同，它们不会发生相变。

另一个重要研究方向是固体中SAW的传播特性。目前，表征声电器件的标准方法是测量其振幅-频率响应，即比较输入信号和输出信号（Campbell，1989）。然而，这种方法无法提供关于固体中声波传播过程的信息。在设计声电器件时，必须考虑声波在晶体表面的传播特性，因为声波传播通常伴随着在叉指换能器开口处的衍射现象。遗憾的是，测量振幅-频率响应的方法无法直接观察到晶体表面的SAW传播过程。目前仅有两种方法能够实时可视化固体中的声场传播。

第一种方法是使用扫描电子显微镜（SEM），该方法通过检测低能二次电子来观察压电晶体表面的SAW（Bahadur和Parshad，1980；Eberharter和Feuerbaum，1980；Feuerbaum等人，1980；Roshchupkin等人，2021）。该方法基于SAW的极小值和极大值处低能二次电子发射系数的差异，这种差异是由于压电效应引起的。正电势会导致低能二次电子发射系数降低，而负电势则会增加二次电子发射。因此，SAW的图像表现为正负电势的周期性结构，这与SAW的极小值和极大值的周期性相对应。此外，在低能二次电子检测模式下还需考虑频闪效应，因为IDT处的高频输入信号会激发两种波（SAW和晶体表面上的电场波）。当负半波在晶体表面传播时，二次电子无法到达检测器；而在正半波情况下，二次电子能够到达检测器。这种方法仅适用于具有压电效应的材料，并且只能获得定性信息（如声波束中的衍射现象、声波与晶体结构缺陷的相互作用以及声能流的分布）。

第二种方法是利用X射线衍射技术，因为X射线对晶体晶格的变形非常敏感。SAW的传播会在晶体晶格中引起周期性的正弦形变形，形成超声超晶格。对此有两种研究方法：一是对声学调制晶体进行高分辨率X射线衍射，SAW的传播会在衍射图中产生衍射卫星（Zolotoyabko等人，1998；Roshchupkin等人，2003）。如果衍射卫星之间的角度差异由SAW波长决定，那么衍射卫星的数量和强度将取决于SAW的振幅。这种方法可以确定SAW的振幅和共振频率。此外，还可以使用X射线拓扑成像技术，在同步辐射源下直接观察晶体表面的SAW（位于菲涅尔衍射区域）。一种是频闪X射线拓扑成像，其中SAW激发过程与同步辐射的固有时间结构同步，并使用机械装置选择单个同步辐射脉冲（Whatmore等人，1982；Cerva和Graeff，1984；Shilo和Zolotoyabko，2003；Zolotoyabko和Baruchel，1999；Zolotoyabko等人，2001）。在第三代及更先进的同步辐射源中，当同步辐射具有时空相干性时，可以在塔尔博特距离处实时观察到晶体表面的SAW图像（Roshchupkin等人，2013），此时无需使用特殊的频闪技术。

SEM和X射线衍射技术可用于研究晶体中表面声波、体声波、行波和驻波的传播。这些方法可以可视化声波束中的衍射现象，并研究声波与晶体结构缺陷的相互作用。在研究声学调制晶体的X射线衍射过程时，使用低发散角的同步辐射尤为重要。

在本研究中，通过SEM、X射线衍射和X射线拓扑成像技术研究了多种类型SAW的激发和传播过程。

实验部分

利用SEM方法研究SAW传播

俄罗斯科学院微电子技术与高纯度材料研究所对压电晶体表面的SAW传播进行了研究。使用JEOL JSM 840扫描电子显微镜观察表面声波的传播。为了在低能二次电子模式下利用SEM方法观察SAW，需要使用约1 kV的较低加速电压，因为较高的加速电压会导致介质基底...

对La₃Ga₅SiO₁₄晶体中SAW传播的高分辨率X射线衍射研究

X射线对晶体晶格的变形非常敏感。SAW的传播会导致晶体晶格产生周期性的正弦形变形（超声超晶格），并在衍射图中出现衍射卫星。

我们在BESSY II同步辐射源下研究了固体中SAW和伪表面声波（PSAW）的传播过程。使用LGS晶体的...

SAW传播的X射线成像

第三代及更先进的同步辐射源具有时空相干性，可以利用塔尔博特效应实现SAW的实时成像（Roshchupkin等人，2013）。在菲涅尔衍射区域内，塔尔博特距离处可以直接观察到具有周期性结构的SAW图像：

图8展示了实验方案...

结论

本文证明了利用扫描电子显微镜和高分辨率X射线衍射及拓扑成像技术可以研究压电晶体中行波表面声波的激发和传播过程。

研究表明，扫描电子显微镜能够实时观察压电晶体表面的声场。研究了La₃Ga₅SiO₁₄晶体中SAW的传播过程...

未引用的参考文献

Zolotoyabko等人，1999。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据获取

数据可应要求提供

资助信息

本研究由俄罗斯科学基金会资助，项目编号为25-72-20016。

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作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。