Acoustic properties of piezoactive heterostructures made of thin lithium niobate plates

Valery V. Kalinchuk, Irina B. Mikhailova, Artem S. Turchin, Vladimir B. Shirokov

Author details

Valery V. Kalinchuk
Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation
Irina B. Mikhailova
Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation
Artem S. Turchin
Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation
Vladimir B. Shirokov
Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.4.07

A mathematical model of excitation of surface acoustic waves (SAW) on the surface of a piezoelectric heterostructure "lithium niobate W-cut plate – silicon substrate" has been developed and investigated, where W is a cut, the normal to the surface of which has the directions of the most common industrial cuts Z, X, Y, 41Y, 64Y, 128Y. Along with the cut orientation, the model takes into account the direction of wave propagation and the plate thickness in relation to the wavelength, which allows choosing crystallographic and geometric parameters for efficient excitation of SAWs. A study of the phase velocity of Rayleigh and Love waves on the heterostructure surface was carried out for two cases: when its surface is free and when it is metallized and grounded. This made it possible to calculate the electromechanical coupling coefficient (EMCC), which characterizes the excitation efficiency of both Rayleigh and horizontally polarized shear SAWs in the heterostructure. The study showed that on lithium niobate plates of all types of cuts, the Love waves EMCC reaches higher values compared to the Rayleigh waves KEMS. Of all the industrial types of lithium niobate plate cuts on this heterostructure, the most effective for exciting Love waves are the X-, Y- and 128Y-cuts, on which the EMCC reaches values of 0.4, 0.38 and 0.39, respectively. An additional study revealed the 160Y cut, on which the EMCC reaches an absolute maximum. The obtained results provide an opportunity to significantly simplify the process of designing SAW devices and devices by selecting the optimal geometric parameters of the heterostructure with a lithium niobate plate of a given cut.

Keywords

heterostructurelithium niobatethin plates(XYZβY)-cutsurface acoustic wave (SAW)electromechanical coupling coefficient (EMCC)

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЬЕЗОАКТИВНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ТОНКИХ ПЛАСТИН НИОБАТА ЛИТИЯ

Разработана и исследована математическая модель возбуждения поверхностных акустических волн (ПАВ) на поверхности пьезоактивной гетероструктуры «пластинка W-среза ниобата лития – подложка кремния», где W – срез, нормаль к поверхности которого имеет направления наиболее распространенных промышленных срезов Z, X, Y, 41Y, 64Y, 128Y. Наряду с ориентацией среза модель учитывает направление распространения волны и толщину пластинки по отношению к длине волны, что позволяет осуществлять выбор кристаллографических и геометрических параметров для эффективного возбуждения ПАВ. Проведено исследование фазовой скорости распространения волн Рэлея и Лява на поверхности гетероструктуры для двух случаев: когда ее поверхность свободна и когда она металлизирована и заземлена. Это позволило вычислить коэффициент электромеханической связи (КЭМС), характеризующий эффективность возбуждения в гетероструктуре как релеевских, так и горизонтально поляризованных сдвиговых ПАВ. Исследование показало, что на пластинках ниобата лития всех типов срезов КЭМС волны Лява достигает более высоких значений по сравнению с КЭМС релеевских волн. Из всех промышленных типов срезов пластинок ниобата лития на данной гетероструктуре наиболее эффективными для возбуждения волн Лява оказываются X-, Y- и 128Y-срез, на которых КЭМС достигает значений 0,4, 0,38 и 0,39 соответственно. Дополнительное исследование позволило обнаружить срез 160Y, на котором КЭМС достигает абсолютного максимума. Полученные результаты предоставляют возможность существенно упростить процесс проектирования приборов и устройств на ПАВ за счет выбора оптимальных геометрических параметров гетероструктуры с пластиной ниобата лития заданного среза.

Ключевые слова

гетероструктураниобат литиятонкие пластины(XYZβY) – срезповерхностная акустическая волна (ПАВ)коэффициент электромеханической связи (КЭМС)

Bibliography

1.Matthews H. Surface wave filters: design, construction and use. 1977. New York: Wiley. 521 p. Scholar
2.Morgan D. Surface Acoustic Wave Filters (With Applications to Electronic Communications and Signal Proceeding). Second Edition. Elsevier, 2007. – 429 p. Scholar
3.Orlov V.S., Bondarenko V.S. Filters on surface acoustic waves. – Moskow: Radio and Communications, 1984. – 272 p. Scholar
4.Mandal D., Banerjee S. Surface Acoustic Wave (SAW) Sensors: Physics, Materials, and Applications // Sensors (Basel) – 2022 – Jan 21. – V. 22, No. 3: pp. 820. doi: 10.3390/s22030820 Scholar
5.Yasuhiko Nakagawa, Kazuhiko Yamanouchi, Kimio Shibayama Third-order elastic constants of lithium niobate // J. App. Phys., 1973, 44, N 9, p. 3969-3974. Scholar
6.Zajcev B.D., Kuznecova I.E. Vliyanie vneshnego odnorodnogo e'lektricheskogo polya na svojstva PAV Re'leya v niobate litiya // Akust. zhurnal, 1997, t.43, №1, S.116-118. Scholar
7.Zajcev B.D., Kalinin V.Yu., Kuznecova I.E. Nelinejnoe akusticheskoe vzaimodejstvie uprugix voln v plastinax niobata litiya // Akust. zhurnal, 1999, t.45, №2, S.229-234. Scholar
8.Chen G., Li N., Ng J.D., Lin H.-L., Zhou Y., Fu Y.H., Ting Lee L.Y., Yu Y., Liu A.-Q., Danner A.J. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives // Advanced photonics. – 2022. –Vol. 4, Issue 3. – p. 034003(1-43). doi: 10.1117/1.AP.4.3.034003 Scholar
9.Shirokov V.B., Kalinchuk V.V., Timoshenko P.E. Efficiency of generation of surface acoustic waves in barium strontium titanate thin films // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2022. T. 69. № 5. C. 1815-1820. Scholar
10.Shirokov V.B., Timoshenko P.E., Kalinchuk V.V. Generacia PAV segnetoe' elektricheskoj plenkoj BST pri dejstvii odnoso-noj nagruzki // PNRPU Mechanics Bulletin, 2023. No. 1. pp. 173–178. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.16 Scholar
11.Murakami S., Watanabe K., Takigawa R. Investigation of the interface between LiNbO3 and Si fabricated via roomtempera-ture bonding method using activated Si nano layer // Japanese Jour-nal of Applied Physics. – 2023. – 62, SG1041. – pp. 1–5. doi: 10.35848/1347-4065/acc2cb Scholar
12.Jia L. Wang, Chen F. Ion-cut lithium niobate on insulator technology: Recent advances and perspectives // Appl. Phys. Rev. 2021.8: pp. 011307. doi: 10.1063/5.0037771 Scholar
13.Pastureaud Th., Solal M., Biasse B., Aspar B., Briot J.-b, Daniau W., Steichen W., Lardat R., Laude V., Laens A., Friedt J.-m., Ballandras S. High-Frequency Surface Acoustic Waves Excited on Thin-Oriented LiNbO3 Single-Crystal Layers Transferred Onto Silicon // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. – 2007. – 54, I. 4. – p. 870–876(). doi: 10.1109/TUFFC.2007.321 Scholar
14.Solal M., Pastureaud T., Ballandras S., Aspar B., Biasse B., Daniau W., Hodé J.M., Calisti S., Laude V. Oriented lithium niobate layers transferred on 4” (100) silicon wafer for RF SAW devices // IEEE Ultrasonics Symposium, 2002. Proceedings., Munich, Germany. – 2002. – V.1. – pp. 131–134. doi: 10.1109/ULTSYM.2002.1193369 Scholar
15.Hsu T.-H., Tseng K.-J., Li M.-H. Large Coupling Acoustic Wave Resonators Based on LiNbO3/SiO2/Si Functional Substrate // IEEE Electron Device Letters. – 2020. – V. 41, No. 12. – pp. 1825–1828. doi: 10.1109/LED.2020.3030797 Scholar
16.Zhang S., Lu R., Zhou H., Link S., Yang Y., Li Z., Huang K., Ou X., Gong S. Surface Acoustic Wave Devices Using Lithium Niobate on Silicon Carbide // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2020. – V. 68, No. 9. – pp. 3653–3666. doi: 10.1109/TMTT.2020.3006294 Scholar
17.Wu S., Wu Z., Qian H., Bao F., Xu F., Zou J., Tang G. A High-Performance NS-SAW Resonator Using 30° YX-Lithium Niobate // Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), Paris, France. – 2022. – pp. 1–4. doi: 10.1109/EFTF/IFCS5460.2022.9850557 Scholar
18.Warner A.W., Onoe M., and Coquin G.A. Determination of Elastic and Piezoelectric Constants for Crystals in Class (3m) // J. Acoust. Soc. Am. – 1967. – V. 42. – pp. 1223–1231. doi: 10.1121/1.1910709 Scholar
19.Shirokov V.B., Pimenov M.S., Mixajlova I.B., Turchin A.S., Kalinchuk V.V. Osobennosti vozbzudheniya akusticheskix voln na poverxnosti geterostruktury' LiNbO3/Si // Nauka Yuga Rossii. 2024. V. 20, No 3. pp. 7–15. DOI: 10.7868/S25000640240302. Scholar
20.Shaskol'skaya M.P. Kristallografiya. Moscow: Vy'sshaya shkola. 1984. 376 p. Scholar
21.Landau L., Pitaevskii L., Kosevich A., and Lifshitz E. Theory of Elasticity: Volume 7. Elsevier Science, 2012. [Online]. Available: https://books.google.ru/books? id=NXRaWJb4HdkC. Scholar
22.Viktorov I.A. Sound surface waves in solids. Moscow: Nauka, 1981. 288 p. Scholar
23.Lur'e A.I. Nelinejnaya teoriya uprugosti / Moskow: Nauka. 1980. 512 p. Scholar
24.Physical acoustics. Edited by W.P. Mason. vol. 1A. Methods and Devices. Academic Press. New York and London, 1964. 515 p. Scholar
25.Acoustic Crystals. Edited by Shaskol'skaya M.P. Moscow: Nauka, 1982. 632 p. Scholar
26.Novatsky V. Electromagnetic Effects in Solids. Moscow: Mir, 1986. 160 p. Scholar
27.Royer D., Dieulesaint E. Elastic waves in solids. Springer. Berlin-Heidelberg-New York-Barselona-Hong Kong-London-Milan-Paris-Singapore-Tokyo. 1996. 374 p. Scholar
28.Collet B., Destrade M., Maugin G.A. Bleustein-Gulyaev waves in some functionally graded materials European // Journal of Mechanics – A/Solids. 2006. V. 25, No 5, pp. 695–706. Scholar
29.Campbell J.J., Jones W.R. Propagation of Piezoelectric Surface Waves on Cubic and Hexagonal Crystals // J. Appl. Phys. 1970. V.41, pp. 2796–2801 https://doi.org/ 10.1063/1.1659317 Scholar
30.Acoustic surface waves. Edited by A.A. Oliner. Springer Verlag. Berlin-Heidelberg-New York. 1978. 331 p. Scholar
31.Belyankova T.I., Vorovich E.I., Kalinchuk V.V. Osobennosti rasprostraneniya sh-voln v dvuxslojnoj strukture iz neodnorodnyh p'ezoe'lektricheskogo i die'lektricheskogo sloev // PNRPU Mechanics Bulletin. 2023. №2. pp. 98-109. doi: 10.15593/perm.mech/2023.2.09 Scholar
32.Belyankova T.I., Kalinchuk V.V. Rayleigh Waves in an Electroelastic Medium with Prestressed Inhomogeneous Coating // Vestnik St. Petersburg University, Mathematics. 2023. V. 56, No. 4. pp. 424–434. doi: 10.1134/S1063454123040040 Scholar
33.Belyankova T.I., Vorovich E.I., Kalinchuk V.V., Tukodova O.M. Specific features of SH-waves propagation in structures with prestressed inhomogeneous coating made of piezoceramics based on LiNbO3 // Journal of Advanced Dielectrics. 2021. V. 11, No. 4-5. pp. 2160007. doi: 10.1142/S2010135X21600079 Scholar

1.Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология и применение): пер. с англ. / под ред. Г. Мэттьюза. – М.: Радио и связь, 1981, – 472 с. Scholar
2.Морган, Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: пер. с англ. / Д. Морган. – М.: Радио и Связь, 1990. – 416 с. Scholar
3.Орлов, В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах / В.С. Орлов, В.С. Бондаренко. – М.: Радио и Связь, 1984. – 272 с. Scholar
4.Mandal, D. Surface Acoustic Wave (SAW) Sensors: Physics, Materials, and Applications / D. Mandal, S. Banerjee // Sensors (Basel) – 2022. – Vol. 22, no. 3. – P. 820. DOI: 10.3390/s22030820 Scholar
5.Yasuhiko Nakagawa Third-order elastic constants of litium niobate / Yasuhiko Nakagawa, Kazuhiko Yamanouchi, Kimio Shibayama // Journal of Applied Physics. – 1973. – Vol. 44, no. 9. – P. 3969–3974. Scholar
6.Зайцев, Б.Д. Влияние внешнего однородного электрического поля на свойства ПАВ Рэлея в ниобате лития / Б.Д. Зайцев, И.Е. Кузнецова // Акустический журнал. – 1997. – Т. 43, № 1. – С. 116–118. Scholar
7.Зайцев, Б.Д. Нелинейное акустическое взаимодействие упругих волн в пластинах ниобата лития / Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, И.Е. Кузнецова // Акустический журнал. – 1999. – Т. 45, № 2. – С. 229–234. Scholar
8.Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives / G. Chen, N. Li, J.D. Ng, H.-L. Lin, Y. Zhou, Y.H. Fu, L.Y. Ting Lee, Y. Yu, A.-Q. Liu, A.J. Danner // Advanced photonics. – 2022. – Vol. 4, no. 3. – 034003 (pp. 1–43). DOI: 10.1117/1.AP.4.3.034003 Scholar
9.Shirokov, V.B. Efficiency of generation of surface acoustic waves in barium strontium titanate thin films / V.B. Shirokov, V.V. Kalinchuk, P.E. Timoshenko // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. – 2022. – Vol. 69, no. 5. – P. 1815–1820. Scholar
10.Широков, В.Б. Генерация ПАВ сегнетоэлектрической пленкой BST при действии одноосной нагрузки / В.Б. Широков, П.Е. Тимошенко, В.В. Калинчук // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 173–178. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.16 Scholar
11.Murakami, S. Investigation of the interface between LiNbO3 and Si fabricated via room temperature bonding method using activated Si nano layer / S. Murakami, K. Watanabe, R. Takigawa // Japanese Journal of Applied Physics. – 2023. – Vol. 62. – P. 1–5. DOI: 10.35848/1347-4065/acc2cb Scholar
12.Jia L. Wang. Ion-cut lithium niobate on insulator technology: Recent advances and perspectives / Jia L. Wang, F. Chen // Appl. Phys. Rev. – 2021. – Vol. 8. – P. 011307. DOI: 10.1063/5.0037771 Scholar
13.High-Frequency Surface Acoustic Waves Excited on Thin-Oriented LiNbO3 Single-Crystal Layers Transferred Onto Silicon / Th. Pastureaud, M. Solal, B. Biasse, B. Aspar, J.-b. Briot, W. Daniau, W. Steichen, R. Lardat, V. Laude, A. Laens, J.-m. Friedt, S. Ballandras // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. – 2007. – Vol. 54, no. 4. – P. 870–876. DOI: 10.1109/TUFFC.2007.321 Scholar
14.Oriented lithium niobate layers transferred on 4” (100) silicon wafer for RF SAW devices / M. Solal, T. Pastureaud, S. Ballandras, B. Aspar, B. Biasse, W. Daniau, J.M. Hodé, S. Calisti, V. Laude // IEEE Ultrasonics Symposium 2002. Proceedings. Munich, Germany. – 2002. – Vol. 1. – P. 131–134. DOI: 10.1109/ULTSYM.2002.1193369 Scholar
15.Hsu, T.-H. Large Coupling Acoustic Wave Resonators Based on LiNbO3/SiO2/Si Functional Substrate / T.-H. Hsu, K.-J. Tseng, M.-H. Li // IEEE Electron Device Letters. – 2020. – Vol. 41, no. 12. – P. 1825–1828. DOI: 10.1109/LED.2020.3030797 Scholar
16.Surface Acoustic Wave Devices Using Lithium Niobate on Silicon Carbide / S. Zhang, R. Lu, H. Zhou, S. Link, Y. Yang, Z. Li, K. Huang, Ou X., S. Gong // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2020. – Vol. 68, no. 9. – P. 3653–3666. DOI: 10.1109/TMTT.2020.3006294 Scholar
17.A High-Performance NS-SAW Resonator Using 30° YX-Lithium Niobate / S. Wu, Z. Wu, H. Qian, F. Bao, F. Xu, J. Zou, G. Tang // Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), Paris, France. – 2022. – P. 1–4. DOI: 10.1109/EFTF/IFCS54560.2022.9850557 Scholar
18.Warner, A.W. Determination of Elastic and Piezoelectric Constants for Crystals in Class (3m) / A.W. Warner, M. Onoe, G.A. Coquin // J. Acoust. Soc. Am. – 1967. – Vol. 42. – P. 1223–1231. DOI: 10.1121/1.1910709 Scholar
19.Особенности возбуждения акустических волн на поверхности гетероструктуры LiNbO3/Si / В.Б. Широков, М.С. Пименов, И.Б. Михайлова, А.С. Турчин, В.В. Калинчук // Наука Юга России. – 2024. – Т. 20, № 3. – С. 7–15. DOI: 10.7868/S25000640240302 Scholar
20.Шаскольская, М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. – М.: Высш.школа, 1984. – 376 с. Scholar
21.Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Т.VII. Теория упругости / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1987. – 248 с. Scholar
22.Викторов, И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах / И.А. Викторов. – М.: Наука, 1981. – 288 с. Scholar
23.Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. – М.: Мир, 1966. – Т.1, Ч. А. – 592 с. Scholar
24.Лурье, А.И. Нелинейная теория упругости / А.И. Лурье. – М.: Наука, 1980. – 512 с. Scholar
25.Акустические кристаллы / под ред. М.П. Шаскольской. – М.: Наука, 1982. – 632 с. Scholar
26.Новацкий, В. Электромагнитные эффекты в твердых телах / В. Новацкий. – М.: Мир, 1986. – 160 с. Scholar
27.Royer, D. Elastic waves in solids / D. Royer, E. Dieulesaint. – Springer. Berlin-Heidelberg-New York-Barselona-Hong Kong-London-Milan-Paris-Singapore-Tokyo. – 1996. – 374 p. Scholar
28.Collet, B. Bleustein–Gulyaev waves in some functionally graded materials European / B. Collet, M. Destrade, G.A. Maugin // Journal of Mechanics – A/Solids. – 2006. – Vol. 25, no. 5. – P. 695–706. Scholar
29.Campbell, J.J. Propagation of Piezoelectric Surface Waves on Cubic and Hexagonal Crystals / J.J. Campbell, W.R. Jones // J. Appl. Phys. – 1970. – Vol. 41. – P. 2796–2801. DOI: 10.1063/1.1659317 Scholar
30.Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера. – М.: Мир, 1981. – 390 с. Scholar
31.Белянкова, Т.И. Особенности распространения SH-волн в двухслойной структуре из неоднородных пьезоэлектрического и диэлектрического слоев / Т.И. Белянкова, Е.И. Ворович, В.В. Калинчук // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 2. – С. 98–109. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.09 Scholar
32.Белянкова, Т.И. Волны Рэлея в электроупругой среде с преднапряженным неоднородным покрытием / Т.И. Белянкова, Е.И. Ворович, В.В. Калинчук // Вестник СПбГУ. Математика. Механика. Астрономия. – 2023. – Т. 10, № 4. – С. 600–615. DOI: 10.21638/spbu01.2023.402 Scholar
33.Specific features of SH-waves propagation in structures with prestressed inhomogeneous coating made of piezoceramics based on LiNbO3 / T.I. Belyankova, E.I. Vorovich, V.V. Kalinchuk, O.M. Tukodova // Journal of Advanced Dielectrics. – 2021. – Vol. 11, no. 4–5. – P. 2160007. DOI: 10.1142/S2010135X21600079 Scholar

Article information

Published: 8 December 2025
Issue date: 8 December 2025
Issue: No. 4 (2025)