6.2.3. Твердые тела

При исследовании [164, 201, 258] твердых диэлектриков с малыми потерями в области частот от миллиметровых [50] до [100, 153] оказался удобным круговой резонатор [133] колебаний вида Эти материалы являются обычно неполярными, и их свойства близки к статическим значениям; средние результаты для типичных веществ приведены в табл. 6.12.

Таблица 6.12 Свойства твердых тел прн температуре 20° С

В материалах, содержащих атомы более чем одного вида, поляризация в некоторых случаях может быть настолько сильной, что подавляет диэлектрические свойства: это особенно верно для ионных кристаллов [117, 177], таких как кварц, в котором узлы решетки заняты противоположно заряженными ионами. Лед исследовался [161, 163] на частотах Измерения на первой частоте с круговым резонатором колебаний вида не дали изменения значения с изменением температуры, увеличивался от при температуре - 50 °С до

при температуре - 20 °С и до при температуре 0° С. Нет доказательств существования дисперсии, отличной от дисперсии на частоте Табл. 6.13 дает диэлектрические свойства некоторых хорошо известных кристаллов. Характеристические частоты колебаний атомов находятся в основном в инфракрасной области; смещения следуют за высокочастотным полем без заметного отставания по фазе, и, следовательно, остается небольшим.

Таблица 6.13 Свойства кристаллических твердых тел при температуре 20° С

Помещение измеряемой структуры СВЧ в тепловую камеру дает возможность изучить свойства твердых тел при различных температурах. Обычно изменение температуры слабо влияет на свойства, однако изучение диполярных твердых тел на частотах [114, 237] при температуре от —150° С до + 100° С обнаруживает сложное изменение их свойств. Вообще дают соответственно дисперсную кривую и широкий пик; они очень похожи на кривую и пик, которые обнаруживаются при детальных исследованиях [121] температурных колебаний на более низких частотах. Значения времени релаксации, полученные экспериментально, например для молекул с различной длиной цепочек, дают информацию о динамике структуры.

Диэлектрические свойства большинства твердых тел не зависят от приложенного поля вплоть до величины 1 Мв/см. В ферроэлектрических материалах поляризация нелинейна, и для ее полного описания требуется сложная последовательность петель гистерезиса; она возвращается к нормальному виду при критической температуре или точке Кюри, где наблюдается характерный острый пик диэлектрической проницаемости. Это явление связано со спонтанным выравниванием из-за взаимодействия друг с другом диполей, составляющих поляризованный материал, и похоже на магнитную поляризацию ферромагнитных материалов.

Ферроэлектрические материалы характеризуются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости, измерение [14, 172, 266, 267, 268] которых на сверхвысоких частотах представляет известные трудности. В этом случае коэффициент передачи мощности пластины длиной определяется [214] формулой

Из формулы видно, что по мере изменения длины волны проходит через максимум и минимум. Ширина пиков на уровне половинной мощности составляет

апопртлаитто

Наблюдение этих пиков дает средство измерения высоких значений диэлектрической проницаемости; в типичном эксперименте на частоте точно подогнанная пластина помещалась в волновод с сечением дюйма). Сильные отражения на поверхности раздела для можно уменьшить с помощью промежуточных слоев длиной Коэффициент затухания этих материалов высок, что делает практичным метод, в котором измеряется сопротивление на единственной границе раздела.

Измерения характеристик титанатов проводились [21, 79, 131, 137 , 214 , 269, 270, 277, 348] вплоть до диапазона СВЧ. Типичные результаты приведены в табл. 6.14. Из таблицы видно, что титанат

Таблица 6.14 Свойства материалов с высокой диэлектрической проницаемостью при на различных частотах

бария является единственным в своем роде среди остальных материалов в том отношении, что при подходе к сверхвысоким частотам он дает значительное уменьшение и большое увеличение Эти изменения сведены дальше [184] в табл. 6.15; совокупность результатов показывает, что для этого материала частота релаксации при комнатной температуре порядка Измерения [214] на частоте при различных температурах дают при температуре 120° С резкое увеличение от 1 500 до 5 000

и пик для показывая тем самым, что кристаллографическое изменение 1141] в точке Кюри эффективно в области СВЧ. Добавление 50% титаната стронция уменьшает дисперсию. На частоте 24 Ггц для одного домена титаната бария были получены результаты, подтверждающие это общее поведение и дающие при приложении постоянного поля увеличение примерно на 50. Применения [229, 280] этих материалов с высокой диэлектрической проницаемостью в волноводных системах делает возможным линейное уменьшение размеров Порядка и выполнение граничных условий, приближающихся к условиям бесконечного волнового сопротивления [325]. Например, резонаторы с диаметром дюйм) резонируют в области однако к недостаткам таких материалов относятся шумы доменов и высокий температурный коэффициент.

Таблица 6.15 Свойства при температуре

Характеристики материалов, занимающих промежуточное положение между диэлектриками и металлами, можно удобно измерить методами сверхвысоких частот. Например, если в круговой резонатор с колебаниями вида ввести [134] осевой столбик с низкой проводимостью, то частота понизится; это произойдет вследствие наличия связанных электронов, увеличивающих поляризацию образца. Однако по мере увеличения проводимости электроны проводимости увеличивают резонансную частоту. Противоположные влияния связанных электронов и электронов проводимости, очевидно, компенсируют друг друга, и частотный сдвиг, отнесенный к пустому резонатору, становится равным нулю. Дальнейшее увеличение проводимости вызывает более резкое увеличение частоты, которая асимптотически приближается к частоте коаксиального резонатора. В течение этого процесса изменение добротности материала отражает два противоположных влияния, причем на этот раз оба приписываются электронам проводимости. Введение этих электронов в высокочастотное поле вызывает омические потери, а также экранирует внутреннюю область столбика. Сначала преобладает диссипативное действие электронов, и добротность падает до минимального значения; затем преобладающим становится экранирующее действие, и увеличивается до большого значения. Если то эти превращения происходят при что на частоте соответствует проводимости 0,018 — 15,6 мо/см. В другом экспериментальном устройстве [174, 265] маленький шар радиусом помещается в однородное высокочастотное магнитное поле в центре круглого резонатора с колебаниями вида , радиусом и длиной Если

добротность резонатора с образцом, то проводимость будет приблизительно равна

где

Техника сверхвысоких частот оказалась пригодной для измерения характеристик полупроводников, так как здесь обычно не нужен прямой контакт с образцом. При этом следует удостовериться, что свойства материалов не изменились. Введение энергии СВЧ может вызвать умножение носителей [232], в то время как их подвижность в присутствии сильных высокочастотных полей [233] изменится. Более того, поверхностный эффект [94] вообще означает, что могут использоваться только тонкие слои образцов. Прежде чем снимать количественные результаты, может потребоваться калибровка оборудования с целью определения его характеристик.

Для измерения характеристик кремния на частоте применялся [174, 347] метод маленького шара; в этом случае проводимость можно легко определить [246, 271]. Исследования германия включали измерение его диэлектрической проницаемости [18, 96] и проводимости [151, 313]. Измерения [99] характеристик некристаллического селена в волноводе на частоте и при температуре 18° С дали значения 5,97 для и для Более точное исследование в резонаторе с колебаниями вида показало, однако, что на частотах имеет приблизительно значение 6,38, которое хорошо совпадает со значением на низких частотах. А так как в широкой инфракрасной области равняется примерно 6,0, то оказывается, что в области применяемых частот существует дисперсия, связанная с поглощением.

Для определения продолжительности жизни неосновных носителей в германии применялась [142, 167,216] техника поглощения. Образец был помещен поперек прямоугольного волновода, и избыточные носители вводились с помощью электрических или световых импульсов. Если эксперимент проводится при надлежащих условиях, то коэффициент затухания является линейной функцией проводимости. Спад проводимости, соответствующий продолжительности жизни носителей, можно определять непосредственно по величине постоянной времени уменьшения поглощаемой мощности. Полученная таким образом продолжительность жизни обычно составляет 50—200 мксек и хорошо согласуется с результатами, полученными обычными методами постоянного тока.

В присутствии приложенного магнитного поля носители свободных зарядов в полупроводнике перемещаются по круговым траекториям; одним из проявлений этого вращения является э. д. с. Холла [185, 257, 318]. Если электромагнитная волна

распространиется вдоль направления поля, то ее плоскость поляризации испытывает фарадеевское вращение [115, 150, 249, 3001. Такие явления наблюдались в на инфракрасных частотах [6,253], а в германии — на сверхвысоких частотах [217, 274}. Показатель преломления намагниченных полупроводников [6,245] имеет разные значения для каждого из двух направлений излучения, поляризованного по кругу, которые составляют падающую волну. Общий характер явления с частотой различается в зависимости от того, будет ли сост больше или меньше единицы. Такое явление вращения может вызвать необратимые процессы [326], аналоги которых для других гиромагнитных сред описаны в гл. 8.