Анотація до роботи:

Козаченко В.В. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п’єзоелектрик. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Запропоновано теоретичну модель фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п’єзоелектрик для найбільш загального випадку – без обмежень на оптичні і теплові властивості твердого тіла. Проаналізовано фототермоакустичний ефект для випадків твердих тіл з суттєво різними тепловими та оптичними властивостями.

Для уникнення впливу фотоопромінювання напівпровідника при фототермоакустичних дослідженнях на термопружні параметри зразка, запропоновано, в відповідній шаруватій структурі, фототермоакустичні коливання збуджувати опроміненням п’єзоелектрика.

Показано, що в вільній п’єзоелектричній пластині ФТА ефект визначається тільки первинним піроелектричним ефектом.

На базі запропонованої моделі ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п’єзоелектрик створено методи визначення деяких пружних, теплових та електричних параметрів твердих тіл.

Ключові слова. Фототермоакустичний ефект, п’єзоелектрик, шарувата структура тверде тіло-п’єзоелектрик.

Більшість методів дослідження твердих тіл, що базуються на фототермоакустичному ефекті з п’єзоелектричною реєстрацією, носять якісний характер, а саме: в ФТА мікроскопії досліджуються зміни контрасту амплітудних і фазових зображень, в ФТА спектроскопії – зміни амплітуди та фази ФТА сигналу. Кількісний аналіз ФТА ефекту в твердому тілі з п’єзоелектричною реєстрацією зроблений тільки для деяких окремих випадків.

В дисертації ФТА ефект в шаруватій структурі тверде тіло-п’єзоелектрик проаналізовано кількісно для найбільш загального випадку. Достовірність отриманих результатів ґрунтується на застосуванні комплексу апробованих експериментальних і теоретичних методів, проведенні досліджень у широкому інтервалі зміни фізичних параметрів речовин та масиві експериментальних даних, отриманих в роботі. Результати роботи можуть бути використані для побудови ФТА методів дослідження твердих тіл, процесів, що в них протікають, а також для визначення їх пружних та теплових параметрів.

1. Запропоновано теоретичну модель ФТА ефекту в твердому тілі при п’єзоелектричній реєстрації теплових хвиль. Розглядається структура у вигляді шаруватої пластини тверде тіло – п’єзоелектрик для найбільш загального випадку – без обмежень на оптичні і теплові властивості твердого тіла. Показано, що електрична напруга, яка знімається з довільного шару п’єзоелектрика складним чином залежить від багатьох фізичних і геометричних параметрів структури та від частоти модуляції світлового потоку і складається з двох частин: одна визначається термопружними коливаннями структури (п’єзоелектрична складова); друга – нагрівом п’єзоелектрика (піроелектрична складова).

2. На прикладі оптично непрозорих речовин теоретично і експериментально показано, що при певних фізичних і геометричних параметрах досліджуваної структури п’єзоелектрична складова інформативного сигналу може дорівнювати нулеві. Цю особливість запропоновано використовувати для визначення зведеного модуля Юнга досліджуваної речовини.

3. Показано, що при використанні двошарового п’єзодатчика в оптично непрозорих речовинах відношення амплітуд () і тангенса різниці фаз (tg()) електричних сигналів, що знімаються з окремих шарів п’єзодатчика при відносно високих частотах залежать від оберненого кореня квадратного від частоти () лінійно. На базі цієї особливості амплітудно-частотних і фазово-частотних залежностей фототермоакустичних сигналів запропоновано новий метод визначення деяких пружних і теплових параметрів твердих тіл, який експериментально перевірений на зразках Cu та Zn.

4. Розглянуто теорію фототермоакустичного ефекту в шаруватій пластині напівпровідник-п’єзоелектрик. Показано, що фотогенерація нерівноважних електронно-діркових пар і їх дифузія не впливають на характер частотної залежності інформативного сигналу, а в області лінійної залежності від впливає на її кутовий коефіцієнт. Це пов’язується з тим, що властивості теплових хвиль і хвиль нерівноважних електронно-діркових пар подібні.

5. Для уникнення впливу фотоопромінювання напівпровідника при ФТА дослідженнях на термопружні параметри зразка запропоновано, в відповідній шаруватій пластині, ФТА коливання збуджувати опроміненням п’єзоелектрика. Такий ФТА спосіб дослідження напівпровідника експериментально апробовано в кремнії.

6. Вперше теоретично показано і експериментально підтверджено, що в вільній п’єзоелектричній пластині ФТА ефект визначається тільки первинним піроелектричним ефектом.

7. Показано, що ФТА ефект в шаруватій пластині тверде тіло-п’єзоелектрик, на відносно низьких частотах, може бути використаний для дослідження деяких пружних і теплових властивостей полімерних плівок і композитів на їх основі.

Публікації автора:

1. В.В.Козаченко, И.Я.Кучеров. Фототермоакустические колебания в слоистой структуре твердое тело-пьезоэлектрик // Акустический журнал. – 2004. - т.50, №2. - С. 231-237.

2. P.V.Burliy, V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov, T.P.Tansyura. Photothermoacoustic effect in layered polymer films-piezoelectric structures // Ukr. J. Phys. – 2004. - V.49, N3. - Р.248-253.

3. V.V.Kozachenko, I.Ya. Kucherov, S.L. Revo. Study of elastic and thermal parameters of a composite material fluoroplastic-thermoexfoliated graphite by photothermoacoustic method // Functional Materials. – 2003. - V.10, N3. - Р. 514-517.

4. Бурлій П.В., Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі напівпровідник-пєзоелектрик // Фотоэлектроника. - 2003. - №12, - С.7-9.

5. Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в структурі тверде тіло-п’єзоелектрик // Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки. – 2001. - №3. - С. 430-440.

6. Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в піроелектричній пластині // Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки. - 2002. - №3. - С. 408-411.

7. D.A.Andrusenko, O.V. Gerasimchuk, V.V.Kozachenko, I.Y. Kucherov. The Solid State Evaluation With Photoacoustic Method // Proc. International Forum on Wave Electronics and Its Applications. - St.Petersburg(Russia). - 2000. - P.282-285.

8. V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov. Photothermoacoustic Effect in The Solid Body-Piezoelectric Structure // Abstracts of IV International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems”. - St.Petersburg(Russia). – 2001. - P.28-29.

9. V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov. An Investigation of The Photothermoacoustic Effect For The Solid-Pyroelectric Sensor Structure // Abstracts of International Conference “Problem of Interaction of Radiation with Matter”. - Gomel(Byelorussia). – 2001. - P.116.

10. Козаченко В.В., Пазульська О.В. Дослідження фототермоакустичного ефекту в напівпровідниках з п’єзоелектричною реєстрацією // Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2002”. - Львів. – 2002. - С.51-52.

11. Бурлій П.В., Козаченко В.В., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в шаруватій структурі напівпровідник-пєзоелектрик // Тези доповідей 1-ої Української наукової конференції з фізики напівпровідників “УНКФН-1”. – Одеса. – 2002. - С.75.

12. П.В.Бурлий, В.В.Козаченко, И.Я.Кучеров, Т.П.Танцюра. Определение тепловых и упругих параметров полимерных плёнок фототермоакустическим методом // Материалы Международной научно-технической конференции “Тонкие плёнки и слоистые структуры”. – Москва(Россия). – 2002. - С.253-256.

13. П.Бурлій, В.Козаченко, А.Колосюк, І.Кучеров. Залежність фототермоакустичного ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п’єзоелектрик від товщини зразка // Тези Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2003”. – Львів. – 2003. - С.31.

14. В. Козаченко, А. Колосюк. Дослідження фототермоакустичного ефекту в шаруватій пластині оптично прозоре тверде тіло-п’єзоелектрик // Тези Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка-2004”. – Львів. – 2004. - С. 149-150.

15. P.V.Burliy, V.V.Kozachenko, I.Ya.Kucherov, S.L.Revo,T.P.Tansyura. Using the photothermoacoustic effect with piezoelectric detection for examinationof solid bodies and determination of their some elastic and thermal parameters // Abstracts International scientific and practical conference “Spectroscopy in spеtial application”. – Kyiv. – 2003. - P. 264.