利用聲子晶體能帶工程,實現聲表面波慢波器件

2021-01-15 兩江科技評論


撰稿| 由課題組供稿



近期，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、現代工程與應用科學學院的盧明輝，陳延峰教授課題組的研究人員，在鈮酸鋰（LiNbO3）基底表面，利用聲子晶體能帶工程，巧妙地設計了一種通過晶格形變，實現的即具有較低聲表面波聲速（最多降低至200米/秒以下），同時又依然保持較可觀傳輸能量（傳輸線相對插入損耗小於-10dB）的聲表面波傳輸器件。相關工作以Slow Surface Acoustic Waves via Lattice Optimization of a Phononic Crystal on a Chip 為題發表於Physical Review Applied雜誌。

將聲（或光）的傳播速度極大降低，直至其在介質（或真空）速度的數分之一乃至數千萬分之一，是科學及產業界的長久目標。極慢的聲（或光）具有一些顯著的應用優勢：首先，聲（或光）作為一種能量流，在其發射/激發功率不變時，降低其傳播的速度意味著能夠提高單位傳輸空間中的能量密度。僅這一點就存在諸多的應用場景，例如增加波與物質的相互作用、增強多種線性或非線性效應等； 其次，光/聲是常見的信號載體，如在通訊行業中廣泛使用的電磁波及聲表面波。因此，降低它們的傳播的速度就意味著提高單位傳輸空間中的信息容量，使得信號緩衝（buffering）或是時域分析的有效性得到增強，可被利用於一些信號處理器件，例如延時器、卷積器等。

南京大學的研究團隊在聲學人工微結構物理與材料領域具有長期的研究積累。在這一研究中，該團隊在常見的、基於鈮酸鋰（LiNbO3）基底的聲表面波系統中，系統地分析了由「微型諧振子陣列」構成的聲表面波聲子晶體在幾種常見高對稱性下的能帶特徵，如圖1所示。


圖1，（a）研究對象為：基於傳統聲表面波延時線中的聲子晶體。（b）（c）分別為四方晶格聲子晶體沿Γ-X及Γ-M方向的能帶結構。（d）（e）分別為三角晶格聲子晶體延Γ-M及Γ-K方向的能帶結構。在這四種情況下，LR模式均無色散且頻率不變；而S0模式展現有色散，且在最後一種情況下尤為特殊。


這種聲表面波聲子晶體將支持兩類模式：（一）類似Rayleigh波的表面波對稱（S0）模式，能量主要集中於基底，部分存在於表面「微型諧振子」內部；以及（二）局域共振（Local Resonant, LR）模式，能量絕大多數集中於表面「微型諧振子」內部。如圖2所示。


圖2，聲表面波聲子晶體中LR模式及S 模式的場分布。（a）（b）分別為四方晶格聲子晶體沿Γ-X及Γ-M方向的模式。（c）（d）分別為三角晶格聲子晶體沿Γ-M及Γ-K方向的模式。


對於LR模式而言，只要「微型諧振子」本身不發生改變，任意晶格對稱性甚至周期都不影響聲子晶體中LR模式的色散及出現頻率。而對於S0模式而言，在不同對稱性下，S0模式的色散及出現頻率將有較大區別。尤其值得注意的是三角晶格中延Γ-K方向的S0模式的色散——此時，能帶的第一個周期（可激發波矢範圍）將超出第一布裡淵區，且色散曲線在Γ點到K點間為正值，在K點處為零，而在這之後為負值。


圖3，（a）晶格壓縮示意圖。（b）（c）分別為未壓縮時與壓縮過程中的能帶結構


對比其它高對稱性方向，三角晶格Γ-K方向的色散顯然有著更寬的可激發波矢的取值範圍。也意味著，假設在維持某一確定色散值（∂ f / ∂k）的情況下，三角晶格Γ-K方向的色散曲線將可以具有更大的頻率區間（Δf），這將有利於實現慢波器件所需的高「延時-帶寬積（delay-bandwidth product）」。

深入研究發現，在聲表面波沿三角晶格聲子晶體Γ-K方向傳輸的情況下，如果將聲子晶體在垂直於聲表面波傳輸方向上進行壓縮，S0模式的色散曲線將會發生顯著的規律性變化——色散曲線由原先的「先上升，再逐漸放緩至零，後下降」，逐漸提升、變得扁平，直至可以「始終上升，慢慢放緩至零」。展現出一種簡單而又巧妙的聲表面波聲子晶體的能帶設計手段，如圖3所示。


圖4，（a）根據實際製備「微型諧振子」幾何及彈性參數，計算得到的晶格壓縮-S0能帶變化規律。（b）（c）分別為集成聲表面波聲子晶體的聲表面波傳輸線示意及實際器件照片。（d）實際製備的「微型諧振子」——微米尺度的鎳（Ni）圓柱。



圖5，實驗樣品及網絡分析儀測試結果。（a）（c）（e）（g）（h）為對照樣品，其聲子晶體未壓縮。（b）（d）（f）（h）（j）為測試樣品，其聲子晶體壓縮。（c）（d）為兩種樣品聲子晶體S0模式色散曲線。（e）（f）為聲表面波傳輸線透過率。（g）（h）為聲表面波傳輸線延時，可見測試樣品在聲表面波帶邊附近的延時被極大增加了。（i）（j）為由延時得到的群折射率，即聲表面波被放慢的倍數。

 


圖6，示波器採集的1MHz帶寬脈衝的延時結果。（a）（c）（e）為無聲子晶體樣品，（b）（d）（f）為有聲子晶體樣品。（a）（b）測試頻率為68MHz，此時聲子晶體色散值較小，延時不顯著；（c）（d）測試頻率為77.6MHz，產生顯著延時，且波形幾乎無失真；（e）（f）測試頻率為78.4MHz，延時更為顯著但波形開始失真。


實驗測試結果非常優異，且與理論設計展現了高度的一致性，如圖5、圖6所示。在包含經過優化設計（晶格壓縮）的聲表面波聲子晶體的傳輸線中，聲表面波的聲速由3488米/秒下降到了（最低測量值）不到200米/秒，下降率高達94%。以實際延時情況來看，在僅增加數百微米器件長度（用於放置聲子晶體）的情況下，實現了接近1微秒的器件延時。且由聲子晶體導致的傳輸損耗降低始終未超過10dB，這在傳統聲表面波延時器中是完全可接受的。

該工作展現了將聲子晶體用於實際提升聲表面波器件性能的可行性，為後續實現寬頻、無色散且具有更大「延時-帶寬積」的聲表面波延時器提供了材料及設計基礎。同時，其通過晶格壓縮實現能帶工程的設計方案也可以被推廣到其它經典波體系，尤其是一些具有應用優勢的二維平面體系，為基於經典波模擬信號處理、傳感、探測等實際應用提供新的思路。該研究得到了科技部國家重點研發計劃及國家自然科學基金委相關項目的支持，研究論文參見DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.064008。


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https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.14.064008

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