利用声子晶体能带工程，实现声表面波慢波器件- 大数跨境

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利用声子晶体能带工程，实现声表面波慢波器件

两江科技评论

2020-12-14

导读：近期，南京大学卢明辉，陈延峰教授课题组的研究人员，在铌酸锂基底表面，利用声子晶体能带工程，巧妙地设计了一种通过晶格形变，实现的即具有较低声表面波声速（最多降低至200米/秒以下），同时又依然保持较可观

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撰稿| 由课题组供稿

导读

近期，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、现代工程与应用科学学院的卢明辉，陈延峰教授课题组的研究人员，在铌酸锂（LiNbO₃）基底表面，利用声子晶体能带工程，巧妙地设计了一种通过晶格形变，实现的即具有较低声表面波声速（最多降低至200米/秒以下），同时又依然保持较可观传输能量（传输线相对插入损耗小于-10dB）的声表面波传输器件。相关工作以Slow Surface Acoustic Waves via Lattice Optimization of a Phononic Crystal on a Chip 为题发表于Physical Review Applied杂志。

研究背景

将声（或光）的传播速度极大降低，直至其在介质（或真空）速度的数分之一乃至数千万分之一，是科学及产业界的长久目标。极慢的声（或光）具有一些显著的应用优势：首先，声（或光）作为一种能量流，在其发射/激发功率不变时，降低其传播的速度意味着能够提高单位传输空间中的能量密度。仅这一点就存在诸多的应用场景，例如增加波与物质的相互作用、增强多种线性或非线性效应等；其次，光/声是常见的信号载体，如在通讯行业中广泛使用的电磁波及声表面波。因此，降低它们的传播的速度就意味着提高单位传输空间中的信息容量，使得信号缓冲（buffering）或是时域分析的有效性得到增强，可被利用于一些信号处理器件，例如延时器、卷积器等。

创新研究

南京大学的研究团队在声学人工微结构物理与材料领域具有长期的研究积累。在这一研究中，该团队在常见的、基于铌酸锂（LiNbO₃）基底的声表面波系统中，系统地分析了由“微型谐振子阵列”构成的声表面波声子晶体在几种常见高对称性下的能带特征，如图1所示。

图1，（a）研究对象为：基于传统声表面波延时线中的声子晶体。（b）（c）分别为四方晶格声子晶体沿Γ-X及Γ-M方向的能带结构。（d）（e）分别为三角晶格声子晶体延Γ-M及Γ-K方向的能带结构。在这四种情况下，LR模式均无色散且频率不变；而S₀模式展现有色散，且在最后一种情况下尤为特殊。

这种声表面波声子晶体将支持两类模式：（一）类似Rayleigh波的表面波对称（S₀）模式，能量主要集中于基底，部分存在于表面“微型谐振子”内部；以及（二）局域共振（Local Resonant, LR）模式，能量绝大多数集中于表面“微型谐振子”内部。如图2所示。

图2，声表面波声子晶体中LR模式及S 模式的场分布。（a）（b）分别为四方晶格声子晶体沿Γ-X及Γ-M方向的模式。（c）（d）分别为三角晶格声子晶体沿Γ-M及Γ-K方向的模式。

对于LR模式而言，只要“微型谐振子”本身不发生改变，任意晶格对称性甚至周期都不影响声子晶体中LR模式的色散及出现频率。而对于S₀模式而言，在不同对称性下，S₀模式的色散及出现频率将有较大区别。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——此时，能带的第一个周期（可激发波矢范围）将超出第一布里渊区，且色散曲线在Γ点到K点间为正值，在K点处为零，而在这之后为负值。

图3，（a）晶格压缩示意图。（b）（c）分别为未压缩时与压缩过程中的能带结构

对比其它高对称性方向，三角晶格Γ-K方向的色散显然有着更宽的可激发波矢的取值范围。也意味着，假设在维持某一确定色散值（∂ f / ∂k）的情况下，三角晶格Γ-K方向的色散曲线将可以具有更大的频率区间（Δf），这将有利于实现慢波器件所需的高“延时-带宽积（delay-bandwidth product）”。

深入研究发现，在声表面波沿三角晶格声子晶体Γ-K方向传输的情况下，如果将声子晶体在垂直于声表面波传输方向上进行压缩，S₀模式的色散曲线将会发生显著的规律性变化——色散曲线由原先的“先上升，再逐渐放缓至零，后下降”，逐渐提升、变得扁平，直至可以“始终上升，慢慢放缓至零”。展现出一种简单而又巧妙的声表面波声子晶体的能带设计手段，如图3所示。

图4，（a）根据实际制备“微型谐振子”几何及弹性参数，计算得到的晶格压缩-S₀能带变化规律。（b）（c）分别为集成声表面波声子晶体的声表面波传输线示意及实际器件照片。（d）实际制备的“微型谐振子”——微米尺度的镍（Ni）圆柱。

图5，实验样品及网络分析仪测试结果。（a）（c）（e）（g）（h）为对照样品，其声子晶体未压缩。（b）（d）（f）（h）（j）为测试样品，其声子晶体压缩。（c）（d）为两种样品声子晶体S₀模式色散曲线。（e）（f）为声表面波传输线透过率。（g）（h）为声表面波传输线延时，可见测试样品在声表面波带边附近的延时被极大增加了。（i）（j）为由延时得到的群折射率，即声表面波被放慢的倍数。

图6，示波器采集的1MHz带宽脉冲的延时结果。（a）（c）（e）为无声子晶体样品，（b）（d）（f）为有声子晶体样品。（a）（b）测试频率为68MHz，此时声子晶体色散值较小，延时不显著；（c）（d）测试频率为77.6MHz，产生显著延时，且波形几乎无失真；（e）（f）测试频率为78.4MHz，延时更为显著但波形开始失真。

实验测试结果非常优异，且与理论设计展现了高度的一致性，如图5、图6所示。在包含经过优化设计（晶格压缩）的声表面波声子晶体的传输线中，声表面波的声速由3488米/秒下降到了（最低测量值）不到200米/秒，下降率高达94%。以实际延时情况来看，在仅增加数百微米器件长度（用于放置声子晶体）的情况下，实现了接近1微秒的器件延时。且由声子晶体导致的传输损耗降低始终未超过10dB，这在传统声表面波延时器中是完全可接受的。

总结

该工作展现了将声子晶体用于实际提升声表面波器件性能的可行性，为后续实现宽频、无色散且具有更大“延时-带宽积”的声表面波延时器提供了材料及设计基础。同时，其通过晶格压缩实现能带工程的设计方案也可以被推广到其它经典波体系，尤其是一些具有应用优势的二维平面体系，为基于经典波模拟信号处理、传感、探测等实际应用提供新的思路。该研究得到了科技部国家重点研发计划及国家自然科学基金委相关项目的支持，研究论文参见DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.064008。