развитие электроники в последней четверти двадцатого века характеризуется все более ускоряющимся процессом миниатюризации рабочих элементов. в этом плане заметное значение стали приобретать твердотельные периодические структуры. ранее наибольшее внимание было обращено на полупроводниковые сверхрешетки, которые можно рассматривать как системы квантовых ям, разделенных барьерными слоями с туннельным типом проводимости. однако не меньший интерес, как с точки зрения необычности физических СВОЙСТВ, так И прикладных целей, представляют периодические структуры С изменяющимся от слоя к СЛОЮ набором электрических, магнитных, оптических, упругих или пьезоэлектрических характеристик, сформированные в металлических или диэлектрических материалах. наиболее изученными к настоящему времени и нашедшими уже ряд применений являются периодические доменные структуры в электро- или магнитоупорядоченных кристаллах.

результаты многочисленных исследований по индуцированным доменам и их возможным применениям позволяют говорить о возникновении нового направления, вобравшего в себя совокупность разнообразных свойств электро- и магнитоупорядоченных веществ, используемых в нелинейной оптике и акустике. необходимость монографии определяется как непрерывным ростом числа исследований, посвященных новым способам формирования периодических доменных структур И прикладного их использования, так и малым количеством обобщающих работ.

целью ЭТОЙ КНИГИ является детальное и упорядоченное изложение ОСНОВНЫХ вопросов, связанных с принципами формирования периодических доменных структур в электро- и магнитоупорядоченных материалах, их применением для генерации и преобразования электромагнитных И упругих волн в широком частотном диапазоне.

поскольку использование периодических доменных структур в нелинейной оптике уже нашло отражение в ряде научных изданий и обзоров, наибольшее внимание было обращено авторами на возможности применения доменных структур в акустических исследованиях И, в частности, для генерации ультра- и гиперзвуковых объемных и поверхностных волн, их нелинейного преобразования.

монография во многом является обобщением научных исследований, выполненных в казанском государственном энергетическом университете И казанском физико-техническом институте им. е.к. за-войского кнц ран. в связи с этим авторы выражают глубокую благодарность и.п1. ахмадуллину, п.л. батановой, х.г. богдановой, ю.в. владимирцеву, м.и. куркину и с.а. мигачеву, принимавшим активное участие в выполнении ряда экспериментальных и теоретических исследований, которые представлены в этой книге.

Введение

С самого начала становления электроники, а затем и квантовой электроники, акусто- и оптоэлектроники различные диэлектрические, полупроводниковые, магнитные кристаллы стали основой больгаинства приборов и устройств. На первых порах основными требованиями к таким материалам были монокристалличность, отсутствие каких-либо заряженных дефектов, а для электро- и магнитоупорядоченных сред - монодоменность. В связи с этим были разработаны разнообразные способы мо-подоменизации сегнетоэлектриков, а исследования магнетиков, как правило, проводились в таких магнитных нолях, где устанавливалась однородная магнитная структура.

В диэлектрических и магнитных кристаллах одним из наиболее важных физических процессов является возбуждение и распространение классических волн - электромагнитных и упругих. Особое внимание всегда обрагцалось на возможности управления этими процессами. Поскольку ранее были практически исчерпаны возможности известных монокристаллов, а поиск новых материалов приносил не всегда ожидаемые результаты, то егце в гаестидесятые годы двадцатого века возник интерес к протяженным структурам с периодически изменяюгцимися значениями оптических, упругих и других физических параметров. В первую очередь, это было связано с возможностями их применения для генерации или преобразования частоты оптического или акустического излучения [1, 2]. Важным этапом в этом направлении было обнаружение кристаллических фаз в сплавах А1-Мп [3] и формирование квазипериодических полупроводниковых структур посредством молекулярно-лучевой эпитаксии [4]. Указанные эксперименты положили начало более глубоким исследованиям физических свойств структур, получивгаих название квазикристаллических структур, или квазикристаллов [5, 6]. Было обнаружено, что периодические и квазипериодические структуры обладают рядом необычных физических свойств и, в частности, локализацией электронных состояний, оптических и упругих свойств [7-10]. В первую очередь, это обстоятельство касается особенностей спектра электромагнитных и упругих колебаний, распространяюгцихся через периодическую структуру, поскольку для обычных однородных прозрачных диэлектрических кристаллов характерен снлоганой спектр подобных колебаний. При этом кристаллическую структуру можно также отнести к периодической структуре с микроскопическим периодом, равным межатомному расстоянию. В таком же рассмотрении периодические структуры можно характеризовать как структуры с макроскопическим порядком, во много раз превосходягцим период кристаллической регаетки.

Поскольку особое внимание в исследованиях было обращено на оптические свойства, то впоследствии такой класс диэлектрических материалов с одно-, двух- или трехмерными периодическими структурами получили название фотонных кристаллов {photonic crystals) [11]. Одной из главных их особенностей является зависимость коэффициентов пропускания или отражения электромагнитных волн от параметров периодической структуры. Частотные интервалы полного пропускания или отражения электромагнитных или акустических волн определяются, как будет показано ниже, кратностью периода структуры длине соответствующей волны. Присутствие в спектральной характеристике ЗОИ, для которых коэффициент пропускания практически равен нулю, даже стало одной из основных характеристик фотонных кристаллов и получило название «фотонная щель» {photonic band gap). В свою очередь, кристаллы с периодической структурой, состоящей из чередующихся областей с различными значениями модулей упругости или пьезоэлектрических модулей, получили название фононных кристаллов. Другое название периодических структур - оптические и акустические сверхрегаетки [12, 13]. Позднее, по аналогии с диэлектрическими фотонными кристаллами, магнитные кристаллы, обладающие периодическими магнитными структурами, стали называться магнонными кристаллами {magnonic crystals) [14, 15].

Следует отметить, что первые теоретические работы по периодическим (слоистым) структурам с различными диэлектрическими или упругими свойствами и распространению в них электромагнитных или акустических волн были выполнены еще в середине XX века СМ. Рытовым [16, 17] и Л.М. Бреховских [18].

До последнего времени главное внимание в теоретических и пока малочисленных экспериментальных исследованиях фотонных кристаллов [19, 20] обращалось на особенности раснространения электромагнитных и упругих волн и в основном касалось чисто «геометрических» аспектов: различий в форме и размерах периодических фрагментов структуры, различий в пространственной симметрии, различий в наборе дефектных центров. В этом плане в расчетах предполагалось, что композитные периодические структуры состоят из набора фрагментов, отличающихся показателями преломления, причем сами фрагменты но своим физическим свойствам предполагались изотропными.

Поскольку фотонные кристаллы обладают щелью для раснространения электромагнитных волн, одним из ключевых был вопрос о возможности влияния внеганих электрического или магнитного полей на распространение электромагнитных волн соответственно в электро- или магнитоупорядоченных фотоп-