Подписано к печати 3.02.86 г. Л - 66II6

Экспериментальные данные по температурной и частотной зависимостям диэлектрических потерь в монокристаллах-диолектри-ках [l,2,3] •tri£(,T,^) позволили качественно подтвердить создал-ную В.Л.1Уревичем [4,5"1 теорию диэлектрической релаксации з идеальных кристаллах. Согласно этой теории, тангенс утла потерь при низких температурах доляен описываться степенной функцией температуры и частоты: ^ „т^.

о< = 5, & = I. В работе [з"^ сообщается, что в диапазоне 60 - 200 К для YAQ (кубическая решетка) t&S ~ т³'⁶¹*⁰'⁴³, для сапфира (гексагональная реаетка) TuS~ •^.SStO,^ измерения проводились на частотах 9 ГГц и 36 ГГц . При Т < 60 К било обнаружено отклонение от степенных зависимостей, которое, по-пи-димому, было обусдовлено остаточной дефектной структурой использованных образцов, вызывающей дополнитсдьте иесобствснние потери. В настоя111ей работе приводятся новые результату измерений диэлектрических потерь в лейкосапфире на частотах 9-72 ГГц, которые подтверждают вывод о наличии собствоишх и несобственных потерь в монокристаллах-диэлектриках; талже обсужденя возмояние применеющ созданных высокодобротных ( Ci^IO⁹ ) диэлектретескшс резонаторов СВЧ из совершешшх монокристаллов.

Для измерещш малых диэлектрических потерь использовался метод диэлектрического кольцевого резонатора [б], позволяющий измерять ta S = 10 + 10~~ в широком диапазоне теглператур. Результата измерений 1чй лейкосилфира на частотах 9-72 ГГц в интервале температур 3,5 - 300 К представлены па рис.1 ( по обеим ося" лоприфмичесшгй масштаб ). Кривая I на рис.! представляет температурную завнсщлость обратной добротности дискового резонатора из лейкосапфира диаметром 11,75 мм и высотой 2,5 мм на частоте около 72 ГГц. При малых излучательных потерях [б] обратная величина добротности слуяит прямой оценкой тангенса угла потерь. В интервале 45 - 160 К кривая хорошо аппроксимируется степенной функцией температуры taS~T* . Показатель степени, оцененный с помо1№Ю линейной регрессии, составляет с*. = 4,62 ± 0,42 (доверительные границы по уровню 0,9), что согласуется с предсказанием теории [4,5] для идеальных гексагональных кристаллов. Характерным является отклонение от степенной зависимости "toiS ^T"* при низких температурах.

Две шсшио кривые 2 и 3 на рис.1, каадая из которых ь низкотемпературной области Т < 50 К разделяется на две отдельные ветви, изобрадант температурную зависимость 0^ (Т) для двух пар лейдосапфировых резонаторов диапазона 36 ГГц (кривая 2) и 9 ГГц (кривая 3), изготовленных из монокристалдических образцов лейкосапфира различной степени совершенства. В области температур 6J - 300 К результаты, полученные для двух образцов, совпадает в пределах экспериментальной погрешности, что сдуаит дополнительным подтверндением собственного характера потерь при

Дефектная структура использованных образцов лейкосапфира исследовалась методом Берга - Барретта [?]. Оба исследованных образца показали отсутствие выраженной блочной структуры, практически не разрешались и малоугдовые границы (угол разориентации не превышает единиц минут). Совершенство монокристаллов сапфира, выраженных методом горизонтальной направленной кристаллизации в вакууме, растет с уменьшением скорости фронта кристаллизации в процессе роста. Нижним ветвям кривых 2 и 3 на рис.1 соответствуют образцы, выращенные при скорости около 4 мм/час, верхним - около

Для уточнения вопроса о влиянии дефектной структуры на уровень несобственных потерь были проведены измерения tc\ .с для образца лейкосапфира, выраженного при больших скоростя-'. кристаллизации. Исследование по методу Берга - Барретта показало хорошо разрешаемую блочную структуру с углом разориентации свыше 1°. Уровень несобственных потерь возрос примерно на два порядка:

icl? г 2,5 . IO"⁷ при л < 100 К (частота около 9 ГГц).

1й ? С ^} при фиксированной температуре можно аппроксимировать степенной функцией иор' .где ^ не зависит от температуры в области 60 - 150 К . Методом наименьших квадратов подучена следующая оценка показателя & в температурном интервале собственных потерь;

Такое отклонение частотной зависимости собственных потерь от предсказаний теории, по нашему мнению, не опровергает их фундаментальный характер, в первую очередь потому, что сапфирo^-A^Og

не обладает строго гексагональпой симметрией. В связи с отим правильное применение результатов теории [4,5] к лейкосапфиру требует дополнительного анализа колебательных спектров этого, строго говоря, ромбоэдрического кристалла. Здесь необходимо отметить также малое, но систематическое отклонение "температурного" показателя от целочисленного значения с< = 5 для. идеального гскса-г^надьного кристалла [4,5"]. Оно наблюдалось для всех образцов га трех частотах. Более тщательное измерение температурной зависимости ta S( Т ) на частоте около 9 ГГц показало значимый характер этого отклонения: новая оценка величины ot. составляет

4,75 t 0,10 (доверительные граници по уровни 0,9 ).

Оценка ноказатепя степенной функции ^ при Т = 300 К дает величину ft = 1,06 ± 0,09 (уровень доверия 0,7 ), то есть при комнатной температуре зависимость 1й S{^} близка к линейной. Это мохно объяснить тем, что при увеличении параметра Т/Т^ ( Тд - температура Дебая; для сапфира Тд = 1047 К [Q~\ ) диэлектрические потери начинают соответствовать низкочастотному квази-дебаовскому приблияешпо [4,5"1.

0~ для трех резонаторов, изготовленных из одного образца дейко-сапфира (кривая I и верхние ветви кривых 2 и 3). Полученная приближенно линейная зависимо .ъ иизкотемпературнах потерь позволяет предположить их связь с механизмом "прямых" несобственннх потерь на двумерных дефектах, для которого tuo~(J^ T° ( Eanaiypos, Зайцев [9 Ч ). Такими дефектами, как отмечено в [9"i , могут быть границы кристаллических блоков. Последнее предположение согласуется с экспериментально обнаруженным значительным снижением уровня несобственных потерь в кристаллах без выраженной блочной структуры.

Тчким образом, можно считать экспериментально доказанным существование собственных (решеточных) и несобственных (дефектных) диэлектрических потерь в блочных монокристаллах и подтвердить прогноз [2,3] о возможной реализации весьма малых уровней диссипации ( 1ч5 •--ТП-¹² при Т = 4,2 К, частота ТО ГГц) при устранении остаточной блочной структуры выращиваемых монокристаллов.

Использование жМвкта полного внутреннего отражения позволяет применить высокодобпотные диэлектрические кольцевые резонаторы из лейкосапфира для бесконтактного измерения поверхностного сопротивления тонких проводящих пленок. Расчет показал, что изменение добротности резонатора при наличии на его поверхности такс? пленки можно выразить следующим образом:

Здесь 0. - добротность резонатора с пленкой, Qg - исходим добротность, R. - поверхностное сопротивление пленки в Омах , 'i Г -- форм-фактор, составляющий от 5 до 10 Ом в зависимости от

типа колебаний при нанесении пленки на боковую поверхность. Нетруд. Q ^

Авторами бмл проведен модельный эксперимент с применением тонких (--1000 8 ) высокоомных полупроводниковых пленок b>U)g сопротивлением •~10 Ом, который показал справедливость приведенной выше инженерн Я оценки.

ю iod зоо т, к