1tom - 0446.htm
50
о
X X
о
ш
О
и
раст╦т с увеличением частоты УЗ и поэтому эффективно на высоких частотах в неиолярных полупроводниках (Go, Si и др.) и полуметаллах (висмут и др.).
В полупроводниках без центра симметрии наблюдается пьезоэлектрич. взаимодействие, при к-ром деформация сопровождается появлением электрич. поля и, наоборот, злектрич. поле вызывает деформацию кристалла. На электрон в звуковой волне действует сила
F =
56
пропорциональная деформации (е ≈ заряд электрона, Р ≈ пьсзоиодулъ, е0 ≈ дшлектрич, проницаемость реш╦тки). Объ╦мная сила, действующая на реш╦тку, пропорциональна градиенту электрич. поля £~т индуцированного УЗ-волной: f≈$dE~idx,
Сильная анизотропия пьезоэффекта приводит к зависимости АЭВ от направления распространения и поляризации УЗ-волны. Пьезоэлектрич. взаимодействие ≈ основной механизм АЭВ в пьезополупроводни-ках (CdS, ZnO, GaAs, InSb, Те и др.) вплоть до частот порядка 10 ≈ 100 ГГц, выше к-рых взаимодействие через дсформац. потенциал становится преобладающим. В ряде цеытросимметрич. кристаллов ≈ сегнетозлектриков (SbSI, ВаТЮ3и др.) за сч╦т эффекта электрострикции и больших внутр, электрич. полей £вн возникает АЭВ, к-рое формально сводится к пьезоэлектрическому. При этом эфф. пьезоконстанта рэфф~ й^вн> где л ≈ константа электрострикции.
В металлах из-за большой концентрации электронов они наряду с ионной реш╦ткой определяют упругие свойства материала. АЭВ возникает как результат действия на электроны и ионы реш╦тки самосогласованного эл.-магн. поля, вызванного движением ионов. Для продольного звука это поле имеет электро-статич. характер; в случае поперечного звука на электроны к ионы действует вихревое электрич. поле. Наряду с силами, определяемыми макроскопич. эл.-магн. полем звуковой волны, на электроны действуют также силы, обусловленные локальным изменением электронного закона дисперсии при деформации кристалла. Поскольку со звуковой волной эффективно взаимодействует лить небольшое число электронов, принадлежащих ферми-поверхности^ то такое взаимодействие определяется потенциалом деформации, описывающим локальное возмущение поверхности Ферми. Нередко, особенно при квантовомеханич. описании АЭВ в металлах, вс╦ взаимодействие описывается в терминах эфф. деформац. потенциала. Эл.-магн, механизм взаимодействия помимо металлов проявляется в полуметаллах и полупроводниках с реш╦ткой, содержащей большое число эаряж. примесей.
В кристаллах с выраженным эффектом магнитострик-ции возможно АЭВ, обусловленное переменным магн. полем, пропорциональным деформации. Оно характерно для ферромагн. металлов (никель, кобальт) и сплавов, а также др. магн. материалов и зависит от спонтанной намагниченности и напряж╦нности внеш. магн. поля.
Экранирование* Эффективность АЭВ определяется не только величиной сил, действующих на электроны, но и характером перестройки электронной подсистемы под действием этих сил. В результате экранирования эффекты АЭВ зависят от высокочастотной электронной проводимости ≈ отклика электронов на переменное и неоднородное электрич. поле, индуцированное УЗ. Зависимость проводимости от частоты, внеш. электрич, и магн, полей, темп-ры проявляется в акустич. характеристиках проводника.
Экранирование приводит к сложной частотной зависимости АЭВ. Е╦ характер определяется соотношением между длиной акустич. волны Я, и длиной свободного пробега электрона 1е. В случае, если электрон на длине волны испытывает большое число соударений (kl┬≈
≈ 2п/(?/Х<1), акустич. волна взаимодействует с электронными сгустками ≈ возмущениями электронной плотности. Поведение электронного газа в этом случае хорошо описывается ур-ниями гидродинамики. Именно в этом диапазоне частот проявляется релаксац. характер процесса экранирования: степень экранирования зависит от соотношения между периодом колебаний и временем электронной релаксации тм ≈е0/ст0 (ст0 ≈ ста-тич. проводимость). При о)Тм<1 внеш. сила экранируется почти полностью. С ростом частоты степень экранирования уменьшается, но одновременно уменьшается и длина волны ≈ характерное расстояние, на к-ром действует внеш. сила. Поэтому на высоких частотах, когда Остановится меньше пространств, масштаба экранирования ≈ радиуса Дебая ≈ Хюккеля гд=
==К е0к|/4лепп (ие≈ тепловая скорость электрона, п0 ≈ плотность электронов), степень экранирования вновь велика. Минин, экранирование возникает при йгд = 1.
Когда Длина свободного пробега велика (А/е>1), акустич. волна взаимодействует с отд. электронами. Осн. вклад в АЭВ вносит небольшая группа движущихся в фазе с волной электронов, проекция скорости v к-рьтх на направление распространения волны близка к скорости звука (&г~со). Для остальных электронов взаимодействие с волной малоэффективно, поскольку на длине свободного пробега действующая на них сила много раз меняет знак.
Эффекты акустоэлек тронного взаимодействия. На опыте АЭВ проявляется либо непосредственно как эффект увлечения носителей заряда акустич. волной, либо в виде зависимости параметров акустич. волны (е╦ скорости, коэф. поглощения и др.) от концентрации носителей проводимости, величины внеш. электрич. и магн. полей. АЭВ ≈ одна из причин дисперсии звука в тв╦рдых телах. Получая в процессе АЭБ энергию, электроны рассеивают е╦ при столкновениях с дефектами и тепловыми фононами, обусловливая электронное поглощение УЗ. Зависимость коэф. поглощения от частоты при этом может отличаться от квадратичной, предсказываемой классич. теорией (см. Поглощение звука). В полупроводниках в сильном электрич, поле поглощение звука сменяется его усилением. Усиление электрич. полем НЧ-фононов (акустич. шумов) приводит к развитию электрич. неустойчивости в полупроводниках и возникновению акустоэлектрических доменов. АЭВ является источником электронной акустич. нелинейности, к-рая обусловливает зависимость от электронных параметров амплитуд акустич. волн, возникающих в результате нелинейного взаимодействия, эффекты электроакустического эха в полупроводниках и др.
Электронное поглощение УЗ в металлах является основным при низких темп-рах, В длинноволновой области (&/<!) электронное поглощение обусловлено вязкостью электронного газа; коэф. поглощения а. при атом пропорционален времени Т менаду соударениями электронов и квадрату частоты;
ТО)2,
где £f ≈- энергия Ферми, р ≈ плотность металла, vs ≈ скорость звука, А ≈ числовой коэф. Температурная зависимость электронного поглощения определяется зависимостью т (Т). С понижением темп-ры время между соударениями увеличивается, а вместе с ним раст╦т и электронное поглощение. В области коротких волн (fc£>l) коэф. поглощения линейно увеличивается с ростом частоты
а = А
а>
где и? ≈ фермиовская скорость электрона, т ≈ его масса, А' ≈числовой коэффициент. Коэф. поглощения ос не содержит зависимости от т> а следопа-
")
}
