不同温度的掺杂KTP类晶体声表面波特性理论研究

发布时间：2020-05-15 02:02

【摘要】：KTP晶体是一种居里温度高、热稳定性好、光学性质优异的压电晶体材料,有望在高温高压极端环境中得到广泛应用。但由于高温环境压电参量测量实验难度较大,而理论研究及第一性原理计算大多仅适用于0 K绝对温度下的结构及力学量的预测,因此从常温到高温环境下KTP晶体压电性能的实验及理论研究一直没有大的进展。本论文采用密度泛函理论和准谐近似方法,较系统地计算了KTP晶体在不同温度条件下的晶格结构、热膨胀系数、弹性常数;采用声表面波理论计算了该晶体在不同温度条件下的声表面波速度、机电耦合系数以及能流角等参量,分析讨论了铁掺杂对KTP压电性能的影响;最后设计了一种可用于高温环境条件下声表面波滤波器。主要研究内容及结果如下:第一,对KTP晶体进行结构几何优化,计算了该晶体基态的能带结构,在0 K时KTP晶体的禁带宽度为3.206 eV。采用准谐振近似理论计算了800℃温度时的禁带宽度为3.207 eV,发现禁带宽度随温度变化无显著变化。第二,通过准谐振近似和密度泛函理论相结合的方法研究计算了KTP晶体在温度为0 K、273 K、673 K、1073 K下的晶格常数及弹性常数,发现KTP晶体在晶轴a、b方向膨胀较大,在c方向膨胀较小;弹性常数在0 K到1073 K温度范围内变化量约为12%以下。第三,运用声表面波(SAW)理论结合不同温度的材料常数,计算了Z切型KTP晶体的SAW速度,分析研究了20℃和800℃下的声表面波性质,我们发现KTP晶体机电耦合系数k~2在传播角为90~o时最大,达到了0.72%,温度对机电耦合系数的影响较小。第四,设计了一种以KTP晶体为基片的单电极滤波器,并模拟了其滤波性能,结果表明当温度为25℃时,响应中心频率为398 MHz,插入损耗为4.8 dB;当温度为800℃时,其中心响应频率为393 MHz,插入损耗为5.8 dB,具有中心频率高、温度漂移小等优势。
【图文】：

基本结构,滤波器,压电材料

在声表面波进行传播的途径中，可以随意件的制造可采用与集成电路相似的光刻技术理论研究领域的广泛关注，与此同时，采用有高可靠性、体积小型化[1]等优良性能，已广泛线、卷积器、滤波器和振荡器以及谐振器广-7]。压电材料，顾名思义就是这类材料具有压种是正压电效应，，另一种是逆压电效应。正料上时能够产生电荷的效应，而逆压电效应材料发生形变。压电材料通常具备优良的声光能，目前常用的压电材料主要有石英、铌酸ZT 陶瓷和 ZnO 薄膜等[8]。声表面波器件通常和反射耦合器等构成，输入端的 IDT（输入换压电基片以声表面波（SAW）形式传播，再将声信号转化为电信号。其结构如图 1.1 所示

声表面波速度,机电耦合系数,KTP晶体

图 1.2 Z 切 KTP 晶体声表面波速度（a）和机电耦合系数(b)Fig. 1.2 Surface wave velocity (a) and electromechanical coupling coefficient (b) of Z cutKTP crystal1.2.2 高温条件下晶体物理参量的计算方法运用量子力学理论可以从微观分子角度对材料的物理化学性质进行理论计算称之为第一性原理（First Principle）计算，也可以叫做从头计算（ab initio）。量子力学可以将宏观物质的物理性质以微观形式进行阐述或者计算，因此它是一种在微观水平解释物质的内部规律，揭示其本质的一种理论。这也是为什么它被称之为从头计算。从 20 世纪初，理论研究者们开始广泛认可第一性原理并提出了一系列的理论假设，诸如普朗克的量子假说、卢瑟福建立起来的原子量子轨道理论、爱因斯坦的光量子概念的引进、波粒二象性等一系列的基础理论[35,36]。1925 年，海森堡提出矩阵力学并与玻恩和约尔丹完善了矩阵力学，通过观察原子辐射出的光的强度、频率和偏振化等提出了电子在原子中的轨道模型[37]；1926
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O735

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