Акустоэлектрический эффект

Акустоэлектронные явления.

Увлечение е-ов звуковыми волнами приводит к явлению акустоэлектрического эффекта. Возбудим в кристалле (n) акустическую волну. Волна затухает, т.е. отдает свою энергию увлекаемым ее электронам.Вместе с энергией волна отдает е-ам и свой механический импульс, поэтому на е-ны в направлении распростр-ия света действует некоторая сила F она заставляет электроны перемещаться из левой части кристалла в правую. Следовательно, в кристалле возникает электрическое поле, приводящее к дрейфу электронов справа налево. В стационарном состоянии напряженности поля E должна быть такая, чтобы в сечении k поток электронов, увлекаемых звуковой волной, компенсируется встречным дрейфовым потоком. Будем рассматривать волну, как поток фотонов, имеющих энергию и импульс

ω - циклическая частота колебаний атомов в волне.

Выделим в кристалле цилиндр с единичной площадью основания и длине, равной Vзв

Все фотоны, находящиеся в цилиндре в течении 1 сек., пройдут через основания цилиндра и перенесут энергию энергия 1-го фотона и импульса: где -концентрация фотонов.

В сдое кристалла, толщиной dх, ежесекундно поглощается энергия Wa dх, где

-коэффициент поглощения энергии волны электронами.

Электроны, находящиеся в этом слое получают импульс, равный

По второму закону динамики: изменение импульса в единицу времени равно средней силе, действующей на электроны со стороны звуковой волны.

Эта сила должна уравнивается силой, действующей со стороны электронного поля

Т.о справедливо равенство

На концах кристалла с длиной L возникает разность пот..

Если концы такого кристалла разомкнуть, то в цепи протечет ток

Плотность:

Т.о эффект увеличение электронов звуковой волной приводит к возникновению на концах разомкнутого льзоэпного кристалла разности пот-лов, а в замкнутой цепи возникновение тока I- это явление называется акустоэл-им эффектом, а U и I акустоэл.

Напряжение и ток.

Усиление звуковых волн.

Нами рассмотрено взаимодействие электронов с упругой волной в отсутствии в кристалле внешнего электронного поля.

Пусть теперь звуковая волна распространится в пьезоэл-ым кристалле, в котором создано внешнее электронное поле, которое вызывает дрейф электронов со V дрейф. Причем направление распространение волны и направление дрейфа совпадает. В этом случае электроны взаимодействуют с другой волной и результат взаимодействия зависит от соотношения Vдр /Vзв

На рисунке покажем зависимость электронного поглощения от Vдр/Vзв.

Вначале с ростом Vдр a растет и при некотором состоянии Vдр/Nзв достигает максимального значения: amak= cw.

c-коэффициент пропор…., зависящий от лих-их и электронных параметров материала. При дальнейшем росте Vдр,a начинает резко падать и обращается в нуль, когда Vдр=Vзв a становится отрицательным, когда Vдр/ Vзв>1

Пока a>0 – поглощение, a<0 – начинается эффект усиления.

J=Jo e^-ax = Jo/e^ax

Vдр/Vзв >1(a<0)-означает физически:

-Если Vдр = Vзв, то электроны не взаимодействуют с волной, так как собранные в виде сгустков в потенц-х ямах, они дрейфуют вместе с волной и коэффициент электронного поглощения в этом случае = 0.

-При Vдр <Vзв электроны отсутствуют от звуковой волны, а=∆ от электрического поля, созданного этой волй в кристалле. Это поле начинает тянуть (то есть ускорять) электронные сгустки волны, при этом волна будет затухать и это соответствует положительному значению электронного поглощения звука.

-Если Vдр >Vзв, то электроны опережают звуковую волну =∆ электрического поля, созданное волной, стремится тормозить электронные сгустки, отбирает у них часть энергии, и передовая эту энергию звуковой волне, то есть энергия забирается у внешнего электрического поля и передается звуковой волне.a, будет отрицательным, это соответствует эффекту усиления звуковой волны за счет энергии дрейфующих электронов, то есть за счет энергии внешнего источника.

Амплитуда звуковой волны при этом нарастает. Этот эффект достигает значительного значения для ультразвуковой волны с f =(1÷10)МГц.

Для кристаллов CdS a max = 1Bсм´ при частоте V=30МГц, при распространении такой волны в пластине длиной 0,5мм интенсивность в е ^0,5∙18 = 10⁴раз. Это усиление наблюдается, когда Vдр = 1,5Vзв/

Для получение такойVдр к кристаллу ldS нужно приложить внешнее поле с напряженностью.

Нарисуем принципиальную схему установки, которая позволяет исследовать усиление электронного поглощения звука.

Электромеханические преобразователи.

На P₁ и p₂ подается сигнал p₂ на электронный осциллограф. После подается в виде импульсов: p₁ и p₂ представляют собой кварцевые пластины, вырезанные в пьезоактивном направлении. Эти кристаллы покрыты снизу и сверху металлическими пленками. С генератора r подается электронное колебание, имеющие частоту, равную частоте собственных колебаний пластины p₁. Преобразователь p₁ преобразует их в ультразвуковые колебания, и эти колебания в виде ультразвуковых волн распространяются в образце. Эти воспринимаются преобразователем p₂, который преобразует их в электронные колебания, которые регистрируются ЭО.

К электродам Э₁ и Э₂ прикладывают напряжение, которое создает а образце тянущие поля с напряженностью Е₀, которое вызывает дрейф электронов в направлении распространения волны. Это поле создается короткими импульсами во избежании сильного нагревания образца. Меняя напряженность поля Е0, меняем скорость дрейфа и т.о может пройти всю кривую зависимости коэффициента a от Vдр/Vзв.

Эксперименты показывают, что при Vдр <Vзв идет сильное электронное поглощение звуковых колебаний, и амплитуда сигнала на выходе может быть значительно меньше амплитуды колебаний в преобразователе P1.

Поверхностные акустические волны (ПАВ).

Особый интерес и практическую возможность рассмотренные явления приобретают в случае ПАВ. Такие волны концентрируются непосредственно у поверхности пьезоэлектронного кристалла в пределах нескольких длин волн.

При V= 300МГц h= 30мкм в кварце.

Для генерации такой волны используют встречно штыревые электромеханические преобразователи P1 и P2.

П1 и П2- металлические полоски, нанесенные на поверхность пьезокристалла и образующие как бы вторые гребенки, вставлены друг в друга.

На эти гребенки от Г1 подают переменное напряжение, возбуждающее в пьезокристалле волну.

Частота напряжения должна быть такой, что бы длина возбужденной волны была ровна периоду гребенки.

Преобразование механических колебаний в электроне осуществляется точно таким же преобразователем П2.

Для усиления поверхностных акустических волн за счет …. на поверхность преобразователей наносят две полоски (то есть два электрода) на которые падают импульсное напряжение от генератора Г2, оно создает тянущее поле, вызывающее дрейф электронов. При Vдр>Vзв – эффект усиления волн.

Акустоэлектронные явления на ПАВ позволили создать ряд твердотельных приборов и устройств.

Прим.. низкая скорость распространения ПАВ по сравнению с скоростью света, позволило создать на ПАВ малогабаритные линии задержки (ее рабочая частота определяется шагом электродов электромеханического преобразователя. Время задержки определяется расстоянием между П1 и П2.

Полоса пропускания определяется протяженностью преобразователя, то есть числом штырей.

В диапазоне УВУ порядок нескольких мкм.

Линия задержки в 1 см позволяет получить мин задержки как и кооксильного колебания длиной 1 км.

О потере в линии задержки на ПАВ можно компенсировать за счет энергии дрейфующих электронов.

Диспеременные линии задержки в которых время задержки изменяется с изменением частоты позволили создать линии сжатия и расширения сигналов со степенью сжатия до 10_-4.

Жидкие кристаллы.

Это жидкости, обладающие в определенном темпом интервале упорядочностью в расположении молекул и, как правило, они обладают рядом анизотропических свойств, характерным твердым кристаллом.

Все жидкие кристаллы состоят из молекул удлиненной формулы, упорядочное расположение которых обеспечивается относительно слабыми дасожедействующими силами.

Поскольку межмолекулярные силы довольно малы, структура жидких кристаллов в значительной степени зависит от воздействия внешних факторов (температура, ультразвук, механические деформации).Реакция жидкого кристалла на эти воздействия в основном проявляется в изменении их оптических свойств. Поэтому жидкие кристаллы могут применятся для управления световым измерением, для приема информации.

Ж. к. состояние характеризуют как мезоморфное, то есть промежуточное, оно подчеркиваются теми жидкокристаллическими свойства большинства веществ проявляются в определенном температурном диапазоне, ниже которого эти тела являются обычными кристаллами.

В интервале … пьезофазы сохраняется упорядочность в взаимной ориентации молекул в отличии изотропной жидкости. Важной особенностью жидкокристаллических веществ является в их составе молекул полярных групп и = > есть суммарный дип момент.

Именно это объясняет их высокую чувствительность к действию магнитного и электронного полей, которые приводят к выстраиванию молекул вдоль линии полей, а преобразование структуры сопровождается появлением различных оптических эффектов.

В зависимости от способа получения различают два типа жидких кристаллов:

1. меотропные

2. термотропные

Меотропные ж. к. образуются при растворении некоторых твердых кристаллов в определенных растворителях.

Термотропные ж.к. образуются в результате нагревания твердого вещества.

Три основных типа ж.к.:

– нематические (нжк)

– смектические (сжк)

– холистирические (хжк)

Наиболее близкими к твердым телам является смектические ж.к. Это обусловлено наличием у таких кристаллов ориентационного и одномерного пространственного порядка.

Распределение молекул в смектическом кристалле:

Распределение молекул в нематическом кристалле:

Распределение молекул в холистирическом кристалле:

Для холистирических ж.к. характерно с одной стороны наличие ориентированного порядка в пределах одного слоя, с другой стороны сдвиг ориентации в соседних слоях. Особенности различных ж.к. обуславливают специфику их применения. Хжк используются для контроля тепловых полей в микробазах диагностики в медицине. Наиболее широкое практическое использование ж.к. связано с созданием различных электрооптических устройств и чаще всего на нжк. В основе лежит способность молекул в ж.к. легко выстраивается под действием внешних сил, образуя однородный слой, характеризуется высокой чувствительностью к изменению этих сил. Для большинства ……… однородноориентированные ………Например в устройствах отображения информации исходное однородное ориентирование ……… является необходимым высокого контраста и качества изображения.

Ориентирование молекул на поверхности характеризуется следующими параметрами:

- средний угол молекул с плоскостью поверхности γ;

- энергия сцепления Es.

В зависимости от угла различают:

планарную ориентацию γ=0;

гомотронную γ=π/2;

наклонная ориентация 0<γ< π/2.

Различаются случаи:

жесткого сцепления Ес→∞;

слабое сцепление Ес имеет конечное значение не на много больше нуля.

Для улучшения ориентации молекул электродом и жидким кристаллом может создаваться промежуточный слой (ориентированная пленка или поверхность). Создание ориентированной поверхности для жидких кристаллов (создается механическим натиранием), осуществляется различными способами: фотолитография.

К ориентированным поверхностям предъявляются следующие требования:

- прозрачность в видимой области спектра;

- высокие диэлектрические свойства;

- химическая инертность;

- термическая стабильность.

Существует широкий круг веществ, пригодных для покрытия ………, … графит, оксид кремния SiO2. Покрытия на основе SiO2 предотвращают появление ионов … металлов. Пленка SiO2 наносится термически.

Электрооптические эффекты в жидких кристаллах - это изменение оптических свойств тонкого слоя жидких кристаллов из-за переориентации в внешнем электрическом поле. Эти эффекты наблюдаются в тонком (от 5 мкм до 20 мкм) ориентированном слое жидких кристаллов, заключенными между прозрачными электродами.

Электрооптические эффекты:

- электрогидродинамические эффекты, они возникают при прохождении ионного тока через слой жидкого кристалла, при этом происходит турболизация жидкого кристалла и возникает … рассеивания света.

К этим эффектам относятся эффекты динамического рассеивания света, характерный для … жидких кристаллов, эффекты памяти в х ж кр и см ж кр.

- ориентационные эффекты, они наблюдаются в поляризованном свете. В этом случае переориентация жидкого кристалла возникает при взаимодействии электрического поля с жидким кристаллом, это взаимодействие имеет место благодаря наличию анизотропии диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость … жидких кристаллов:

Еа=Епарал.+Еперпенд.

Епарал.+Еперпенд.- значение диэлектрической проницаемости в направлениях соответственно параллельном и перпендикулярном вектору- директору.

Директор- это вектор единичной длины, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул.

Вводят эту величину для характеристики ориентационного порядка в жидких кристаллах.

К ним относят эффект управляемого поля, твист эффект двух лучей преломления.

- электротермооптические эффекты, они заключаются в образовании … (…) рассеивающий свет текстуры в зависимости от величины электрического поля в процессе охлаждения жидкого кристалла из изотропного состояния.

Рассмотрим электрооптический эффект динамического рассеивания.

Динамическое рассеивание возникает … жидких кристаллах с отрицательной анизотропией, т.е. Еперпенд. преобладает, и проводимость этих кристаллов от до Ом/см-1.Такая проводимость обеспечивается дозированным введением примеси в чистое вещество. Рассеивание света оценивается контрастностью. Для характеристики контраста имеют разную зависимость от … напряжения.

Твист эффект.

Рассмотрим электрооптический эффект взаимно … поляризации (твист эффект) используется нжкр c положительной диэлектрической анизотропией.

При этом эффекте технологически образованная закрученная структура осуществляет управляемый электрическим полем поворот плоскости поляризации света. Закрученная структура может быть реализована с помощью ориентированных поверхностей. … … ориентируя оси молекул в взаимноперепендикулярном направлении. Молекулы жидкого кристалла у поверхности ориентируются гомогенно, а в глубине- закручиваются. Ячейка с такой структурой помещается между поляризатором. Приложенное электрическое поле вызывает поворот осей молекул параллельно вектору электрического поля, вокруг их центра. Ячейка теряет оптическую активность. В скрещенных поляризаторах возбужденная ячейка становится непрозрачной, а в параллельных- прозрачной. Эффект вращения плоскости поляризации позволяет получать высокий контраст.

Электрооптический эффект (гость-хозяин).

Эффект наблюдается в нематических жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией. В состав жидкого кристалла введены небольшие примеси специального красителя. В этих смесях … НЖК- хозяин, взаимодействует с молекулами красителя- гости. Тонкий слой жидкого кристалла … поглощения световой энергии при отсутствии электромагнитного поля … краску, характерную для красителя. А при действии электрического поля становится бесцветным. При отсутствии электрического поля в тонком слое жидкого кристалла молекулы нематического вещества и кристалла ориентируются параллельно электродам ячейки. Молекулы красителя имеют стержневидную форму и высокую поляризационную способность. Спектр поглощения этих молекул … функции их ориентации относительно направления поляризации падающего света. Если направления поляризации падающего света совпадают с ориентацией красителя. молекулы поглощают свет в определенной области спектра.

В электрическом поле молекулы изменяют начальную ориентацию, причем с увеличением напряженности поля, длинные оси молекул стремятся ориентироваться вдоль поля. При напряженности поля более 1 В/мм молекулы нематического вещества ориентируются параллельно полю. Молекулы красителя становятся ориентированны перпендикулярно направлению поляризации падающего света. В результате этого поглощение света ослабевает и смесь становится бесцветной. Окраска слоя может быть любой и определяется выбором красителя. Пороговое напряжение при котором начинается переориентация молекул от 1 до 3 В, меняется цвет жидкого кристалла- максимум 10 В. Время обесцвечивания от 50 до 300 млсек, зависит от температуры кристалла и от значения управляющего напряжения.

Рассмотрим конструкции жидкокристаллических индикаторных устройств.

Конструкция индикатора на жидких кристаллах состоит из двух стеклянных пластин, покрытых с внутренней стороны слоем электродного материала и расположенного между ними жидкого кристалла.

Жидкий кристалл на просвет.

1,3- стеклянные пластинки, между ними есть склеивающее соединение (2),

4- задний электрод, может быть отражающий или прозрачный,

5- передний прозрачный электрод,

6- жидкий кристалл.

Для обеспечения однородной четкости изображения ЖКИ может содержать инертные покрытия, наносимые на поверхность подложки с проводящим слоем.

Чаще всего в работе ЖКИ используется эффект динамического рассеивания и полевой эффект. В индикаторах с динамическим рассеиваниемпри пропускании поля кристалл становится мутным. В индикаторах с полевым твист эффектом в зависимости от наличия или отсутствия напряжения происходит или не происходит вращение плоскости поляризации и свет проходит или не происходит через кристалл.

Жидкие кристаллы бывают: мозаичные, матричные, матовые.

Мозаичный - две стеклянных пластинки, герметичноскрепленных по периметру, между которыми имеется зазор от 5 до 20 мкм … жидкий кристалл. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды ориентирующие покрытия. Вид отображаемой информации определяется формой электродов, т.е. это сегменты цифровых или … буквенных …

Запоминающие устройства: на основе жидких кристаллов, обладающие эффектом памяти, могут быть построены устройства для хранения изображения, которые в отличии от экранов … приборов, не нуждаются в непрерывном потреблении энергии.

Устройство состоит из двух плоскопараллельных пластин с прозрачными электродами, между которыми … … … с удельным сопротивлением ρ= Ом/см, толщина диэлектрика порядка 50 нм. Далее есть слой фотопроводника: CdS, CdSe, с ρ порядка Ом/см, толщиной от 2 до 12 мкм. Далее имеется слой нематического и … жидкого кристалла.

1- стеклянные пластинки,

2- электроды;

3- слой диэлектрика ZnS;

4- фотопроводник CdS;

5- ЖК.

Освещение устройства производится в свете с длиной волны меньше длины волны граничного фотоэффекта.

Вследствие фотоэффекта в жидкокристаллической смеси возникает распределение напряжения и соответствующее изменение структуры, воспроизводящее распределение интенсивности на поверхности полупроводника.

Это распределение сохраняется после выключения постоянного напряжения, может храниться несколько дней.

Дата добавления: 2014-01-06