МЕТОД СВЧ АКУСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

  • Boris P. Sorokin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Nikita O. Asafiev Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Danila A. Ovsyannikov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Gennady M. Kvashnin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Mikhail Yu. Popov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Nikolay V. Luparev Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Anton V. Golovanov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Victor V. Aksenenkov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Vladimir D. Blank Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226511.4y
Ключевые слова: интегрированная измерительная система, монокристаллический алмаз, нитрид алюминия-скандия, многообертонный акустический резонатор, микроволновый диапазон, высокое давление, акустические свойства, молибден, пластическая деформация, релаксация

Аннотация

В статье рассмотрено устройство новой интегрированной измерительной системы (ИИС) "Mногообертонный СВЧ ОАВ-резонатор + камера высокого давления на алмазных наковальнях" и ее применение для исследования изменений акустических свойств образцов бумаги и поликристаллического молибдена под действием высокого давления. При создании ИИС для синтеза пьезоэлектрических пленок нитрида алюминия-скандия использовали метод магнетронного осаждения. Контроль качества и толщины пленок осуществляли методами рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии. Впервые показано, что ОАВ-резонатор в составе ИИС имеет хорошие операционные характеристики в области СВЧ вплоть до 8,8 ГГц при воздействии на образцы высокого давления. Уменьшение добротности ОАВ-резонатора как чувствительного элемента с ростом давления до 16 ГПа происходило до значений ~2500 – 3000, что вполне достаточно для точных измерений частот акустических обертонов. Продемонстрированы возможности применения ИИС для исследований особенностей поведения твердых тел при высоких давлениях и регистрации пластических деформаций в металлах. Было получено, что зависимость относительного сдвига частот обертонов от давления при сжатии образца бумаги имеет линейный характер. Благодаря этому выполнена калибровка камеры высокого давления на алмазных наковальнях, используя метод комбинационного рассеяния света. Получено, что сдвиг частот обертонов позволяет более точно определять напряжения в алмазной наковальне до 5 ГПа. При сжатии образца поликристаллического молибдена обнаружены явления пластической деформации и ползучести, а также сквозного прохождения акустической волны через образец, начиная с давления 3 ГПа. Полученные результаты будут полезны для исследователей, студентов и аспирантов в области физики высоких давлений и физической акустики.

Для цитирования:

Сорокин Б.П., Асафьев Н.О., Овсянников Д.А., Квашнин Г.М., Лупарев Н.В., Голованов А.В., Попов М.Ю., Аксененков В.В., Бланк В.Д. Метод СВЧ акустического исследования материалов под высоким давлением. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 11. С. 49-58. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.4y.

Литература

Syassen K. Ruby under pressure. High Pressure Res. 2008. V. 28. N 2. P. 75–126. DOI: 10.1080/08957950802235640.

Popov M. Pressure measurements from Raman spectra of stressed diamond anvils. J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 5509-5514. DOI: 10.1063/1.1712018.

Spetzler H.A., Chen G., Whitehead S., Getting I.C. A new ultrasonic interferometer for the determination of equa-tion of state parameters of submillimeter single crystals. Pure Appl. Geophys. 1993. V. 141. P. 341-377. DOI: 10.1007/978-3-0348-5108-4_8.

Li B., Liebermann R.C. Study of the Earth’s interior using measurements of sound velocities in minerals by ultrasonic interferometry. Phys. Earth Planet Inter. 2014. V. 233. P. 135-153. DOI: 10.1016/j.pepi.2014.05.006.

Spetzler H.A., Chen A., Chen G., Herrmannsdoerfer G., Schulze H., Weigel R. Ultrasonic measurements in a diamond anvil cell. Phys. Earth Planet Inter. 1996. V. 98. P. 93-99. DOI: 10.1016/S0031-9201(96)03171-8.

Bassett W.A., Reichmann H.J., Angel R.J., Spetzler H., Smyth J.R. New diamond anvil cells for gigahertz ultrasonic interferometry and X-ray diffraction. Am. Mineral. 2000. V. 85. P. 283–287. DOI: 10.2138/am-2000-2-303.

Reichmann H.J., Angel R.J., Spetzler H., Bassett W.A. Ultrasonic interferometry and X-ray measurements on MgO in a new diamond anvil cell. Am. Mineral. 1998. V. 83. P. 1357–1360. DOI: 10.2138/am-1998-11-1226.

Jacobsen S.J., Reichmann H.J., Kantor A., Spetzler H.A. In: Advances in High-Pressure Technology for Geophysical Applications. Elsevier. 2005. P. 25–48. DOI: 10.1016/B978-044451979-5.50004-1.

Angel R.J., Bujak M., Zhao J., Gatta D., Jacobsen S.D. Effective hydrostatic limits of pressure media for high-pressure crystallographic studies. J. Appl. Crystallogr. 2007. V. 40. P. 26–32. DOI: 10.1107/S0021889806045523.

Chigarev N., Zinin P., Ming Li-Chung, Amulele G., Bulou A., Gusev V. Laser generation and detection of longitudinal and shear acoustic waves in a diamond anvil cell. Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 181905. DOI: 10.1063/1.3013587.

Cai N., Chen T., Qi X., Li B. Elastic anomalies across phase transitions of praseodymium to 12 GPa. J. Appl. Phys. 2018. V. 124. P. 185901. DOI: 10.1063/1.5046311.

Zou Y., Li Y., Chen H., Welch D., Zhao Y., Li B. Thermoelasticity and anomalies in the pressure dependence of phonon velocities in niobium. Appl. Phys. Lett. 2018. V. 112. P. 011901. DOI: 10.1063/1.5009617.

Qi X., Cai N., Wang S., Li B. Thermoelastic properties of tungsten at simultaneous high pressure and temperature. J. Appl. Phys. 2020. V. 128. P. 105105. DOI: 10.1063/5.0022536.

Hu Q., Li B., Gao X., Bi Y., Su L., Mao Ho-kwang. Ultrasound elasticity of diamond at gigapascal pressures. PNAS. 2021. V. 118. P. 2118490118. DOI: 10.1073/pnas.2118490118.

Luparev N.V., Sorokin B.P., Aksenenkov V.V. Synthesis and research of aluminum-scandium nitride thin films as a part of piezoelectric layered structures based on the synthetic diamond single crystalline substrates. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 77-84 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.6312.

Akiyama M., Kamohara T., Kano K., Teshigahara A., Takeuchi Y., Kawahara N. Enhancement of piezoelectric response in scandium aluminum nitride alloy thin films prepared by dual reactive cosputtering. Adv. Mater. 2009. V. 21. P. 593-596. DOI: 10.1002/adma.200802611.

Sorokin B.P., Asafiev N.O., Kvashnin G.M., Scherbakov D.A., Terentiev S.A., Blank V.D. Toward 40 GHz excita-tion of diamond-based HBAR. Appl. Phys. Lett. 2021. V. 118. P. 083501. DOI: 10.1063/5.0038867.

Golovanov A.V., Luparev N.V., Sorokin B.P. Modification of diamond surface during photolithography, plasma-chemical cleaning, and magnetron deposition. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 11. P. 49-56 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206311.6232.

Shvyd’ko Yu., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near-100% Bragg reflectivity of X-rays. Nature Photonics. 2011. V. 5. P. 539–542. DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.197.

Blank V., Popov M., Buga S. Is C60 fullerite harder than diamond? Phys. Lett. A. 1994. V. 188. P. 281-286. DOI: 10.1016/0375-9601(94)90451-0.

Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Gordeev G.I., Burkov S.I., Blank V.D. Study of high-overtone bulk acoustic resonators based on the Me1/AlN/Me2/(100) diamond piezoelectric layered structure. Acoust. Phys. 2015. V. 61. P. 422-433. DOI: 10.1134/S106377101503015X.

Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Kuznetsov M.S., Telichko A.V., Burkov S.I. Experimental investigation of the linear and nonlinear elastic properties of synthetic diamond single crystal. J. Siber. Fed. Univ. Math. Phys. 2013. V. 6. N 1. P. 120–126.

Опубликован
2022-10-20
Как цитировать
Sorokin, B. P., Asafiev, N. O., Ovsyannikov, D. A., Kvashnin, G. M., Popov, M. Y., Luparev, N. V., Golovanov, A. V., Aksenenkov, V. V., & Blank, V. D. (2022). МЕТОД СВЧ АКУСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 65(11), 49-58. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226511.4y
Выпуск
Том 65 № 11 (2022)
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>