近日，俄羅斯科學(xué)家采用數(shù)學(xué)建模的方法,對金剛石結(jié)構(gòu)的微型高敏傳感器進(jìn)行了研究，并在Applied Physics Letters上發(fā)表了研究成果。研究人員對人造金剛石諧振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行了有用性選擇測試和研究，同時還研究了蘭姆波的激發(fā)。
       科學(xué)家們提出了一種數(shù)學(xué)模型，旨在對壓電層狀結(jié)構(gòu)中的聲波進(jìn)行實驗研究，并描述了這些聲波的散射；同時,他們還提出了一系列降低噪聲的辦法。在未來，金剛石晶體結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于高敏傳感器設(shè)備，用來探測壓力、加速、溫度和超薄薄膜等技術(shù)領(lǐng)域。
       論文作者Boris Sorokin介紹道：我們在人造金剛石壓電層狀結(jié)構(gòu)方面取得的研究成果在當(dāng)今世界上尚屬領(lǐng)先水平;研發(fā)的微型諧振器可以捕獲高達(dá)20GHz的微波高頻共振。而金剛石作為諧振器核心的一些性能特征又是十分顯著的；我認(rèn)為金剛石在聲學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠挖掘出更多驚人發(fā)現(xiàn)。
       品質(zhì)因數(shù)（Q因素）是一個振蕩系統(tǒng)的性能特征，它表述了一個系統(tǒng)中振動是如何快速衰減的；品質(zhì)因數(shù)越大，能量損耗就越小。
       一個壓電層狀結(jié)構(gòu)就像是一塊由不同材料做成，具有壓電效應(yīng)的“三明治”。它描述了在壓力或張拉力的作用下，材料周圍產(chǎn)生的電場；當(dāng)施以電壓時，材料自身就會發(fā)生形態(tài)改變。日常生活中的打火機(jī)所用的壓電陶瓷元件就是利用壓電效應(yīng)來提供足夠高的電壓從而產(chǎn)生火花。壓電效應(yīng)還用于麥克風(fēng)、高精顯微操縱器、壓力/濕度/溫度傳感器等。此外，壓電效應(yīng)的一個重要應(yīng)用就是高穩(wěn)定性壓電晶體諧振器，用于石英表的準(zhǔn)確計時和計算機(jī)的穩(wěn)定有序運行。
       以氮化鋁薄膜為例，電場對壓電材料的作用可以使薄膜發(fā)生形變并產(chǎn)生彈性波，彈性波傳到襯底上。同樣，落入壓電薄膜的彈性波又會產(chǎn)生電場。傳至襯底的彈性波在材料層之間來回反射，進(jìn)而產(chǎn)生若干振動。這種效應(yīng)就類似在隧道或?qū)掗煹墓艿纼?nèi)大喊時會聽到音波回音。
       金剛石和聲波
       選擇金剛石作為襯底材料并非偶然。壓電晶體材料由于其聲吸收較低、機(jī)電耦合系數(shù)高、聲速傳播快而用作理想的傳感器襯底材料。金剛石均能滿足以上性能要求，但唯獨沒有壓電效應(yīng)；因此就需要輔助以氮化鋁薄膜。隨著人造金剛石的大量生產(chǎn)，成本價格也不再是主要考慮因素。而且人造金剛石的性能要比天然金剛石更加優(yōu)越，特別是雜質(zhì)分布和可再生性方面。本研究的作者認(rèn)為人造金剛石單晶是研制聲電設(shè)備的理想材料。
       層狀結(jié)構(gòu)上被激發(fā)的大量聲波發(fā)生振動，從而產(chǎn)生基本類型和其他類型的振蕩。在襯底和壓電薄膜上除了會產(chǎn)生有用的縱向振蕩外，特定條件下還會產(chǎn)生蘭姆波。這些波譜位于不同的分支，且相速度受頻率的影響。
       蘭姆波是發(fā)生在彈性介質(zhì)薄膜層上的一系列復(fù)雜的彈性振蕩，由英國物理學(xué)家Horace Lamb首次提出。有趣的是，這些聲波中的質(zhì)點做橢圓軌跡運動；分對稱型和非對稱型兩種蘭姆波。相速度是指一個質(zhì)點從已知相位，如波峰開始移動的速度。特定介質(zhì)中波的相速度通常取決于波頻率，這種效應(yīng)叫做彌散。
       研究者利用數(shù)學(xué)建模和聲位移可視化處理技術(shù)對金剛石結(jié)構(gòu)中不同的聲模頻譜進(jìn)行詳細(xì)的研究；特別是層狀“三明治”結(jié)構(gòu)的自然振蕩頻率的整個頻譜所引起的共振。以最簡單情形為例，這種自然振蕩頻率相當(dāng)于在不受外界影響的情況下彈性系統(tǒng)發(fā)生振蕩的頻率。撥動鐘擺使其以自然頻率擺動，以這樣的自然頻率所施加的力對于鐘擺的搖擺就是最有效的。當(dāng)激發(fā)頻率和自然頻率達(dá)到一致時，振蕩幅度迅速增大，由此產(chǎn)生共振。
       自然頻率取決于材料的屬性和結(jié)構(gòu)的幾何形狀。因此，即便是單個的細(xì)菌和傳感器表面接觸時，也能被探測到；因為細(xì)菌改變了整個系統(tǒng)的質(zhì)量，使共振頻率發(fā)生了變化。
       該研究的一個重要成果是對不同類型的聲波能夠進(jìn)行識別和篩選，并總結(jié)出離散規(guī)律，這對于未來聲電設(shè)備的研發(fā)有重要作用。