Нелокальная дисперсия и ультразвуковое туннелирование в материалах с градиентной структурой

The non-local dispersion of longitudinal ultrasonic waves is shown to appear in the heterogeneous solids due to continuous spatial distributions of their density and/or elasticity (gradient solids). This dispersion gives rise to the diversity of ultrasonic transmittance spectra, including the broadband total reflectance plateau, total transmission and tunneling spectral ranges. The ultrasonic wave fields in gradient solids, formed by interference of forward and backward travelling waves as well as by evanescent and antievanescent modes are examined in the framework of exactly solvable models of media with continuously distributed density and elasticity. Examples of transmittance spectra for both metal and semiconductor gradient structures are presented, and the generality of concept of artificial non-local dispersion for gradient composite materials is considered. It should also be noted that the wave equation for acoustic waves in gradient media with a constant elasticity modulus and a certain predetermined density distribution reduces to an equation describing the electromagnetic wave propagation in transparent dielectric media. This formal similarity shows that the concept of nonlocal dispersion is common for both optical and acoustic phenomena, which opens the way to the direct use of physical concepts and exact mathematical solutions, developed for gradient optics, to solve the corresponding acoustic problems.Показано, что в материалах с пространственным распределением (градиентом) плотности и/или упругости имеет место нелокальная дисперсия продольных ультразвуковых волн. Эта дисперсия приводит к возникновению ультразвуковых спектров, таких как широкодиапазонное плато полного отражения, туннельные спектральные области и области полного пропускания. В рамках точно решаемых моделей сред с непрерывно распределенными плотностью и упругостью исследованы ультразвуковые волны в градиентных материалах, сформированные интерференцией прямых и обратных волн, а также затухающими и незатухающими модами. Приведены примеры спектров пропускания как для металлических, так и для полупроводниковых градиентных структур, а также рассмотрена общая концепция искусственной нелокальной дисперсии для градиентных композитных материалов. Необходимо заметить, что волновое уравнение для акустических волн в градиентных средах с постоянным модулем упругости и определенным заданным распределением плотности сводится к уравнению, описывающему распространение электромагнитных волн в прозрачных диэлектрических средах. Это формальное сходство свидетельствует о том, что концепция нелокальной дисперсии является общей как для оптических, так и для акустических явлений, что позволяет напрямую использовать разработанные для градиентной оптики физические принципы и точные математические решения при реализации соответствующих акустических задач

Low-frequency magnetic sensing by magnetoelectric metglas/bidomain LiNbO3 long bars

We present an investigation into the magnetic sensing performance of magnetoelectric bilayered metglas / bidomain LiNbO3 long thin bars operating in a cantilever or free vibrating regime and under quasi-static and low-frequency resonant conditions. Bidomain single crystals of Y+128o-cut LiNbO3 were engineered by an improved diffusion annealing technique with a polarization macrodomain structure of the “head-to-head” and “tail-to-tail” type. Long composite bars with lengths of 30, 40 and 45 mm, as well as with and without attached small tip proof masses, were studied. ME coefficients as large as 550 V/cm∙Oe, corresponding to a conversion ratio of 27.5 V/Oe, were obtained under resonance conditions at frequencies of the order of 100 Hz in magnetic bias fields as low as 2 Oe. Equivalent magnetic noise spectral densities down to 120 pT/Hz1/2 at 10 Hz and to 68 pT/Hz1/2 at a resonance frequency as low as 81 Hz were obtained for the 45 mm long cantilever bar with a tip proof mass of 1.2 g. In the same composite without any added mass the magnetic noise was shown to be as low as 37 pT/Hz1/2 at a resonance frequency of 244 Hz and 1.2 pT/Hz1/2 at 1335 Hz in a fixed cantilever and free vibrating regimes, respectively. A simple unidimensional dynamic model predicted the possibility to drop the low-frequency magnetic noise by more than one order of magnitude in case all the extrinsic noise sources are suppressed, especially those related to external vibrations, and the thickness ratio of the magnetic-to-piezoelectric phases is optimized. Thus, we have shown that such systems might find use in simple and sensitive room-temperature low-frequency magnetic sensors, e.g., for biomedical applications.publishe

Magnetoelectric metglas/bidomain y + 140°-cut lithium niobate composite for sensing fT magnetic fields

We investigated the magnetoelectric properties of a new laminate composite material based on y+140°-cut congruent lithium niobate piezoelectric plates with an antiparallel polarized “head-to-head” bidomain structure and metglas used as a magnetostrictive layer. A series of bidomain lithium niobate crystals were prepared by annealing under conditions of Li2O outdiffusion from LiNbO3 with a resultant growth of an inversion domain. The measured quasi-static magnetoelectric coupling coefficient achieved |αE31| = 1.9 V·(cm·Oe)–1. At a bending resonance frequency of 6862 Hz, we found a giant |αE31| value up to 1704 V·(cm·Oe)–1. Furthermore, the equivalent magnetic noise spectral density of the investigated composite material was only 92 fT/Hz1/2, a record value for such a low operation frequency. The magnetic-field detection limit of the laminated composite was found to be as low as 200 fT in direct measurements without any additional shielding from external noises.publishe

ПОВЕРХНОСТНОЕ ДИПОЛЬНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА

This paper considers the problem of surface dipole ordering of thin polymer layers with nanometer range thicknesses. We have experimentally studied submicron dielectric films of electrically active polydiphenylenephthalide polymer composed of molecules that included a side phthalide group with a relatively large dipole moment. The interest to this polymer is caused by an abnormally high conductivity at the polymer/polymer interface which was previously associated with possible superficial ordering of the phthalide groups. Using the methods of piezoresponse force microscopy we have explored the surface of submicron films synthesized by centrifugation. We have detected a manifestation of spontaneous polarization indicating the ordering of dipoles. Also, in order to determine the bulk and surface contributions to the polarization of the films we have studied the polarization and relaxation in samples of different thicknesses. With a reduction of the thickness the piezoelectric response of the signal increases and electrically generated domains acquire ideal radial shapes. This confirms that the surface layers of the polymer film make the predominant contribution to orientation processes. Polarization switching occurs in the films, manifested by the change of the piezoelectric response signal contrast when fields of different polarity are applied. We use these surface phenomena to explain the unique electronic properties of the boundaries of polar organic dielectrics.Рассмотрена проблема поверхностного дипольного упорядочения тонких полимерных слоев в нанометровой области толщин. Экспериментально исследованы субмикронные диэлектрические пленки электроактивного полимера полидифениленфталида, в состав молекул которого входят боковые фталидные группы с относительно большим дипольным моментом. Интерес к данному полимеру вызван аномально высокой проводимостью границы раздела полимер—полимер. Ранее этот эффект связывали с возможным поверхностным упорядочением фталидных групп. Используя методы сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика, исследована поверхность субмикронных пленок, созданных методом центрифугирования. Обнаружено проявление спонтанной поляризации, указывающей на наличие упорядочения диполей. Для определения объемного и поверхностного вклада в поляризацию пленок, исследованы процессы поляризации и релаксации в образцах разной толщины. Установлено, что при уменьшении толщины возрастает сигнал пьезоэлектрического отклика и электрически формируемые домены приобретают идеальную радиальную форму. Это является подтверждением того, что преобладающий вклад в ориентационные процессы вносят поверхностные слои полимерной пленки. Обнаружено переключение поляризации, проявляющееся в смене контраста сигнала пьезоотклика при приложении поля различной полярности. Наличие таких поверхностных явлений привлечено для объяснения уникальных электронных свойств границ раздела полярных органических диэлектриков

Sheet Resistance and Magnetoresistance in Polycrystalline CVD Graphenes

Temperature and magnetic field dependencies of sheet resistance R (T,B) in polycrystalline CVD graphene, investigated in the range of 2≤ T≤ 300 K and magnetic fields 0≤ B≤ 8 T, allowed to determine carrier transport mechanisms in single-layered and twisted CVD graphene. It is shown that for R (T,B) curves for such samples are described by the interference quantum corrections to the Drude conductivity independently on type of precursor and peculiarities of graphene transfer from Cu foil onto the various substrates (glass or SiO2). The twisted CVD graphene samples have demonstrated additional contribution of 2D hopping conductivity into the R (T,B) dependencies. Keywords: graphene, single layer, twisted layers, CVD, carrier transport, magnetoresistance

ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЛАТЕРАЛЬНОГО ПЬЕЗООТКЛИКА В Y–СРЕЗЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ

The angular dependence of the lateral component piesoresponse in Y−cut lithium niobate single crystals with a regular domain structure was investigated in piezoresponse force microscopy mode. It is shown that visualization of the domain structure is determined by the orientation of the X direction of the crystal relative to the scan direction: the greatest contrast between domains with opposite orientation of the polarization vectors takes place at locations along an X−direction line and the direction of scanning.В режиме силовой микроскопии пьезоотклика исследована угловая зависимость латеральнойсоставляющей пьезоотклика в монокристаллах ниобата лития Y−среза, содержащих регулярную доменную структуру. Показано, что визуализация доменной структуры определяется ориентацией X−направления кристалла относительно направления сканирования: наибольший контраст между доменами с противоположной ориентацией векторов поляризации имеет место при расположении вдоль одной прямой X−направления и направления сканирования

Бидоменные сегнетоэлектрические кристаллы: свойства и перспективы применения

Lithium niobate (LiNbO3) and lithium tantalate (LiTaO3) are among the most important and most widely used materials of coherent and nonlinear optics, as well as acoustics. High degree of uniformity and reproducibility has become the foundation of technology for manufacturing high-quality crystals, absorbed by many suppliers around the world. However, the above areas do not limit the use of LiNbO3 and LiTaO3 due to their unique piezoelectric and ferroelectric properties. One promising application of crystals is the design of electromechanical transducers for precision sensors and actuators. In this respect, the high thermal stability of the piezoelectric and mechanical properties, the lack of hysteresis and creep make it possible to create electromechanical converters with wide operating temperature range, that is beyond the capability of commonly used ferroelectric ceramics. The main advantage of LiNbO3 and LiTaO3 over other single-crystal piezoelectrics is ferroelectric domain structure regulation toward targeted impact on the device characteristics. One of the most striking examples of electromechanical transducer design through domain engineering is the formation of a so-called bidomain ferroelectric structure in crystal. It represents a single-crystalline plate with two macrodomains with opposite directions of spontaneous polarization vectors separated by a charged domain wall. High switching fields make inversion domains stable at temperatures up to 1000 °C. This review summarizes the main achievements in the formation of bidomain structure and near surface inversion domains in LiNbO3 and LiTaO3 crystals. We present the domain structure virtualization methods in crystals and non-destructive methods for controlling the domain boundary position. The report contains a comparative analysis of the methods for forming inversion domains in crystals, and the patterns and technological control methods of the domain structure are discussed. The basic physical models have been proposed in the literature to explain the effect of the inversion domains formation. In the present paper we outline what one sees as strengths and weaknesses of these models. The strategies of crystallographic cut selection to create devices based on bidomain crystals are briefly discussed. We provide examples of the implementation of devices based on bidomain crystals such as actuators, sensors, acoustic transducers, and waste energy collection systems.Ниобат лития (LiNbO3) и танталат лития (LiTaO3) относятся к важнейшим и наиболее широко применяемым материалам когерентной и нелинейной оптики, а также акустики. Высокие требования, предъявляемые к однородности и воспроизводимости характеристик, стали основой для создания промышленной технологии выпуска высококачественных кристаллов, освоенной многими предприятиями мира. Однако использование LiNbO3 и LiTaO3 не ограничивается перечисленными выше областями техники благодаря выраженным пьезо- и сегнетоэлектрическим свойствам. Одним из перспективных направлений использования кристаллов является создание на их основе электромеханических преобразователей для прецизионных сенсоров и актюаторов. При этом высокая термическая стабильность пьезоэлектрических и механических свойств, отсутствие гистерезиса и крипа позволяют создавать электромеханические преобразователи, способные работать в широком диапазоне температур, недостижимом для обычно используемых для этих целей сегнетокерамических материалов. Главным преимуществом LiNbO3 и LiTaO3 перед другими монокристаллическими пьезоэлектриками является возможность направленного воздействия на характеристики устройств путем управления сегнетоэлектрической доменной структурой кристаллов. Одним из наиболее ярких примеров использования доменной инженерии для создания электромеханических преобразователей на основе кристаллов является формирование в них так называемой бидоменной структуры — двух доменов макроскопического размера, расположенных в одной кристаллической пластине, имеющих встречно направленные векторы спонтанной поляризации и разделенных заряженной доменной стенкой. Высокие коэрцитивные поля переключения делают инверсные домены стабильными вплоть до температуры Кюри (порядка 1140 °C у LiNbO3 и 600 °C у LiTaO3). В обзоре рассмотрены основные достижения в области формирования бидоменной структуры и приповерхностных инверсных доменов в кристаллах LiNbO3 и LiTaO3. Представлены методы визуализации доменной структуры в кристаллах и неразрушающие методы контроля положения междоменной границы. Проведен сравнительный анализ методов формирования инверсных доменов в кристаллах, обсуждены закономерности и технологические приемы управления доменной структурой. Приведены основные физические модели, предложенные в литературе для объяснения эффекта образования инверсных доменов, рассмотрены их сильные и слабые стороны. Кратко перечислены способы выбора кристаллографического среза для создания устройств, в которых используются бидоменные кристаллы. Приведены примеры реализации устройств на основе бидоменных кристаллов: актюаторов, сенсоров, акустических преобразователей, систем сбора бросовой энергии

ИНИЦИИРОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ НА ИЗОЛИРОВАННЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ ПОДЛОЖКИ

In this work, an Atomic Force Microscope in the so−called Piezoresponse mode and Kelvin mode is used to image the grains, ferroelectric domains and surface potential in lithium niobate thin films. A RF magnetron sputter system was used to deposit LiNbO3 thin films on (100)−oriented Si substrates with SiO2 layer. Using the electric field from a biased conducting AFM tip, we show that possible to form and subsequently to visualize ferroelectric state. Also, we report surface charge retention on ferroelectric thin films by Kelvin probe microscope in comparison with the piezoresponse signal.Методом атомно−силовой микроскопии в режиме силовой микроскопии пьезоотклика и Кельвин−моде построены картины распределения индуцированного состояния и поверхностного потенциала в тонких пленках ниобата лития, полученных осаждением на оксидированную подложку Si (100) методом высокочастотного магнетронного распыления. Используя электрическое поле, прикладываемое с помощью проводящего кантилевера, показано, что возможно сформировать и затем визуализировать индуцированное состояние поляризации. Установлено, что при измерении в режиме Кельвин−моды индуцированное состояние сохраняется значительно дольше, чем в режиме силовой микроскопии пьезоотклика

МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ КРЕМНИЙ–УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ВОЛЬФРАМА В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 20—200 °С

Temperature dependance of the resistivity of carbon−silicon 1 mkm film containing nanocise tungsten particles were investigated. Resistivity measurements were carried out by contact method in the temperature range 20—200 °С for films with resistivity at room temperature of about 0,03—15 Ohm  cm. Decreasing of the resistivity with temperature was observed. An activation and a tunnel mechanisms of conductivity were proposed. Tunnel fraction growths with tungsten content from 40 to 80% coincident with decrease of activation energy from 0,1 to 0,06 eV.Изучены температурные зависимости удельной электропроводности (УЭС) кремний−углеродных пленок с наноразмерными включениями вольфрама. Контактным методом измерена электро-проводность образцов в интервале температур 20—200  °С. Показано, что у пленок с УЭС 0,03—15 Ом см при комнатной температуре электропроводность растет с повышением температуры и имеет две компоненты — термоактивационную и постоянную, предположительно туннельного характера. Доля туннельной компоненты возрастает от 40 до 80 % с увеличением содержания вольфрама в пленке, энергия активации при этом падает от 0,1 до 0,06 эВ.