声子晶体
椭圆柱三维简立方排列声子晶体的带隙结构
椭圆柱三维简立方排列声子晶体的带隙结构
椭圆柱三维简立方排列声子晶体,是基于声子晶体衍射加工技术而发
展起来的新型光功能材料。
它具有众多独特的性质,如光学耦合效应,低损耗衍射散射,卓越的可塑性和独立性等。
当然,最重要的是它的
带隙结构。
1、带隙结构
椭圆柱三维简立方排列声子晶体的带隙结构是它的主要特征,简单地说,带隙就是由重复出现的长度元件组成的排列状况,从而形成与其
他相关材料不同的电磁场的分布。
也就是说,椭圆柱三维简立方排列
声子晶体的带隙结构吸纳更多的光子,并表现出差分布的电磁场特性
模式,使椭圆柱三维简立方排列声子晶体具有更佳的独立性能以及光
学耦合效应。
2、低损耗衍射散射
椭圆柱三维简立方排列声子晶体具有突出的特性,例如低损耗衍射散射。
其带隙结构可以有效地减少散射信号传播子件之间的耦合,从而
使散射信号保持清晰且不呈现失真,同时降低损耗。
3、卓越的可塑性
椭圆柱三维简立方排列声子晶体具有卓越的可塑性,它可以通过精密
的带隙排列形式和复杂的衍射结构,来实现集中的控制性能的优化。
这些控制性能可以进一步扩展,使它具有更丰富的功能性能,从而满足应用需求。
4、独立性
椭圆柱三维简立方排列声子晶体具有出色的独立性,这是由于其低损耗衍射散射效果和可塑性来实现的。
利用独立性特性,可以在光学领域生产各种精确的设计。
总的来说,椭圆柱三维简立方排列声子晶体的带隙结构具有一系列独特的性能,如低损耗衍射散射,卓越的可塑性和独立性,使其成为当今光功能材料中的重要材料,广泛应用于光学,电子等方面。
声子晶体中的拓扑声学:探索声子晶体中的拓扑相与声波调控
声子晶体中的拓扑声学:探索声子晶体中的拓扑相与声波调控摘要拓扑声学是凝聚态物理学和声学交叉领域的新兴方向,研究声子晶体中的拓扑相及其对声波传播的调控。
本文深入探讨了拓扑声学的概念、原理、实验进展及其潜在应用。
通过对声子晶体中拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑角态等拓扑相的介绍,阐述了拓扑声学在声波操控、新型声学器件设计等方面的独特优势。
引言拓扑声学(Topological Acoustics)是近年来兴起的跨学科领域,将拓扑物理的概念引入声学系统,研究声子晶体中受拓扑保护的声波传播现象。
声子晶体(Phononic Crystals)是由不同材料周期性排列而成的人工结构,其能带结构中存在带隙,可以禁止特定频率范围的声波传播。
拓扑声学通过引入拓扑不变量来描述声子晶体的能带结构,发现了许多受拓扑保护的声学现象,如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑角态等。
这些拓扑相具有独特的声波传播特性,为声波操控和新型声学器件设计提供了新的思路。
拓扑声学的原理拓扑声学的核心概念是拓扑不变量。
拓扑不变量是描述系统整体性质的物理量,不随系统的连续形变而改变。
在拓扑声学中,拓扑不变量可以用来表征声子晶体的能带结构。
当声子晶体的拓扑不变量发生变化时,其能带结构也会发生突变,出现新的拓扑相。
拓扑声学中的拓扑相主要包括:1. 拓扑绝缘体:拓扑绝缘体在体内是绝缘体,但在边界或界面上存在受拓扑保护的导电态。
拓扑声学绝缘体在体带隙中禁止声波传播,但在边界上存在受拓扑保护的声表面波或声边缘态。
这些拓扑态具有单向传播、背散射抑制等特性,可用于设计新型声波导、声隔离器等。
2. 拓扑半金属:拓扑半金属在能带结构中存在能带交叉点,称为Weyl点或Dirac点。
拓扑声学半金属具有类似的能带交叉点,其附近的声子具有线性色散关系。
拓扑声学半金属中的声波传播具有手性反常、负折射等特性,可用于设计新型声学透镜、声学天线等。
3. 拓扑角态:拓扑角态是存在于拓扑绝缘体拐角处的一种受拓扑保护的局域态。
一维声子晶体
一维声子晶体一维声子晶体是指在一维结构中存在声子的空间周期性排列现象。
声子是晶体中的一种元激发,表现为晶格中原子或离子的振动。
一维声子晶体的研究有助于我们更好地理解声子的传播和控制声波的性质。
一维声子晶体的形成是通过周期性重复的单元结构,其中每个单元都包含了相同的声子离散能级。
这种周期性结构可以由交错排列的不同材料的多层薄膜构成,也可以是周期性重复的晶格结构。
在一维结构中,声子的传播受到晶格的限制,只能在特定的频率范围内传播。
一维声子晶体的研究主要集中在声子的禁带特性和声子局域化效应。
禁带是指在一维结构中存在某些频率范围内声子无法传播的区域。
这种禁带的形成是由于周期性结构的干涉效应导致的。
当声子频率位于禁带内时,声子会被禁止传播,从而发生局域化现象。
这种局域化现象在一维声子晶体中可以被用来控制和调控声波的传播。
一维声子晶体在声学器件中有着广泛的应用。
通过调控一维声子晶体的结构参数,比如周期、层数和材料的选择等,可以实现声波的频率选择性传播和滤波功能。
这在声学通信、声学传感和声学隔离等领域具有重要的应用价值。
此外,一维声子晶体还可以用于研究声子的量子效应和拓扑性质,为声子学的进一步发展提供了重要的实验平台。
除了一维声子晶体,还存在二维和三维声子晶体。
二维声子晶体是指在二维结构中存在声子的周期性排列现象,三维声子晶体则是指在三维结构中存在声子的周期性排列现象。
二维和三维声子晶体的研究也具有重要的科学意义和应用价值,可以用于实现更复杂的声学器件和研究更多样化的声子行为。
一维声子晶体作为声学材料的一种特殊形态,具有独特的声子传播特性和应用潜力。
通过对一维声子晶体的研究,可以深入理解声子的行为和声波的传播规律,为声学器件的设计和应用提供新的思路和方法。
随着声子学的进一步发展,一维声子晶体的研究将在更多领域展示出其重要性和应用前景。
声子晶体带结构研究
第二章,基于弹性波波动方程,介绍了计算声子晶体带结构最常用的 方法——平面波展开法,简述研究二维和三维声子晶体的理论模型。
第三章,计算了二维固态-固态声子晶体中不同散射体按正方形排列 时的带结构,计算结果表明:(1)当散射体的填充率取不同值时,频率最 低的带隙的最大值所对应的散射体截面形状不同;(2)当散射体的截面为 长方形时, 截面的长宽比为 1.2 时 XY 模的带隙最宽,长宽比为 1 时 Z 模 的带隙最宽;(3)当散射体横截面是正方形并旋转角 θ 时,当 θ=45o时 最有利于带隙的产生。
In chapter 2, based on the elastic wave equation, we introduce the traditional method for the calculation of band structure, namely the method of plane wave expansion. In addition, theoretic models to study 2D and 3D phononic crystals are presented.
Finally, a summary of our works and outlook for future works on the investigation of phononic crystals are presented in chapter 5.
Key words: Phononic crystals; Energy band structure; Phononic band gaps; Plane wave expansion method.
声子——精选推荐
声子晶体概述XXX院(系):理学院专业:应用化学学号:********** 指导教师:韩喜江2013年3月题目声子晶体专业应用化学学号*********X 学生XXX指导教师韩喜江摘要声子晶体就是弹性常数在空间呈周期性排列的人工晶体。
声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。
通过类比光子晶体,人们发现弹性波在周期弹性复合介质中传播时,也会产生类似于光子带隙的弹性波带隙,从而提出了声子晶体的概念。
由于声子晶体具有禁带、缺陷态等特性使得它在减振、降噪、声学器件等方面有着潜在的应用前景。
关键词:声子;声子晶体;减振;降噪。
一、声子概念的提出◆1883年,Floquet关于一维Mathieus方程的研究,首次考虑了周期结构中波的传播。
◆1887年,Rayleigh率先研究了连续周期结构中波的传播特性,指出结构中存在无波传播的频带。
◆1953年,Brillouin对波在周期介质中的传播特性进行了系统深入的研究。
◆1992年,M.MSigalas,E.N.Econnmou首次从理论上证实了三维周期点阵结构中弹性波带隙的存在性。
◆1993年,M.S.Kushwaha研究二维周期介质时首次明确提出声子晶体的概念。
◆2000年9月,Science刊登了刘正猷提出的声子晶体的局域共振带隙机理。
二、声子晶体的特性由于声子晶体具有弹性波带隙,它具有这样的性质:、减缓波速效应、声聚焦、弹性波定向、超准直、沿缺陷传播、声吸收、等效的负刚度、负密度、负折射率、和光子的相互作用、声致热导率减小、反常多普勒效应等特性。
因此声子晶体多用于减振、降噪、声学器件方面。
声子晶体和我们平时接触的晶体是不一样的,声子晶体是多种弹性介电材料组成的周期性结构,研究对象是弹性波在晶体中的传播,波动是一种弹性波(电磁波),声子晶体的晶格是0.1到1um,它的特征是弹性波(光子)带隙和缺陷表面态;而平时我们接触的晶体多为电子晶体,是一种结晶体,其研究对象是其电子的运输行为,波动为德布罗意波,晶格为0.1到0.5nm,其特征是电子带隙、缺陷态和表面态。
声子晶体六角晶格
声子晶体六角晶格
声子晶体,又称为弹性波晶体或声波晶体,是一种具有周期性结构的人工复合材料,其内部结构设计用于调控弹性波(包括声波)的传播。
六角晶格声子晶体是声子晶体的一种常见结构,其晶格排列类似于蜂窝状结构,具有较高的对称性和空间效率。
六角晶格声子晶体的独特之处在于其能带结构,这种结构可以影响声波在其中传播的方式。
通过精确控制材料的组成、形状和排列,研究人员可以设计出声波带隙,即在特定频率范围内阻止声波传播的区域。
这种特性使得六角晶格声子晶体在隔音、振动控制和声波聚焦等领域具有广泛的应用前景。
在六角晶格声子晶体中,声波的传播受到晶格周期性结构的影响,类似于电子在晶体中的行为。
当声波的频率与晶体的某个固有频率相接近时,声波的传播会受到强烈的散射和反射,从而导致声波的传播受到阻碍。
这种散射和反射的效果可以通过调整晶格的大小、形状和材料的属性来进一步控制。
除了基本的隔音功能外,六角晶格声子晶体还可以用于设计高效的声波聚焦器件。
通过精确控制晶格的结构和参数,研究人员可以创造出能够将声波聚焦到特定点的器件,这对于声波成像、声波通信和声波操控等领域具有重要意义。
总的来说,六角晶格声子晶体是一种具有独特结构和功能的人工材料,其在声波调控和操控方面展现出巨大的潜力。
随着研究的深入和技术的不断发展,六角晶格声子晶体有望在未来的声波科技领域发挥更加重要的作用。
21世纪最具潜力的新型带隙材料_声子晶体_塔金星
21世纪最具潜力的新型带隙材料 声子晶体塔金星半导体发展中遇到的极大障碍,使许多研究人员开始研究光子晶体。
然而,声子晶体比光子晶体具有更丰富的物理内涵,它是一种新型声学功能带隙材料。
研究声子晶体的重要意义在于其广阔的应用前景,而且在研究过程中,还可能发现新现象和新规律,进而促进物理学的发展。
一、什么是声子晶体声子晶体的概念诞生于20世纪90年代,是仿照光子晶体的概念而命名的。
我们都知道,具有光子禁带的周期性电介质结构功能材料称为光子晶体,光子能量落在光子禁带中的光波将被禁止,不能在光子晶体中传播。
通过对光子晶体周期结构及其缺陷进行设计,可以人为地调控光子的流动。
与之类似,具有声子禁带的周期性弹性介质结构的功能材料,称为声子晶体。
在声子晶体内部,材料组分(或称为组元)的弹性常数、质量密度等参数呈周期性变化。
随着材料组分填充比、周期结构形式及尺寸的不同,声子晶体的弹性波禁带特性也不同。
禁带的产生主要取决于各个单散射体本身的结构与弹性波的相互作用。
一般说来,非网络型晶格结构形式比网络型晶格结构形式更易于产生禁带。
复合结构中组分的弹性常数差异越大,越易于产生禁带。
在特定频率弹性波的激励下,单个散射体产生共振,并与入射波相互作用,使其不能继续传播。
声子晶体具有理想的周期性结构,对这种理想周期性结构的破坏一般称之为缺陷。
缺陷按其维数可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
当声子晶体中存在某种缺陷时,在其带隙范围内会产生所谓的缺陷态,缺陷态对声子晶体的禁带特性有着重大影响,因此对声子晶体缺陷态特性的研究具有重大意义。
利用点缺陷,可以把声波俘获在某一特定位置,使其无法向外传播,这相当于微腔。
在声子晶体中引入某种线缺陷(如L型线缺陷),可以使处于禁带频率范围内的声波沿该通道进行传播,即所谓声波导。
当弹性波频率落在声子禁带范围内时,弹性波将被禁止传播。
通过对声子晶体周期结构及其缺陷的人工设计,可以人为调控弹性波的流动(如图1)。
声子晶体研究概述_温激鸿
随后 , 人们发现当弹性波在周期性弹性复合介质中 传播时 , 也会产生类 似的弹性波 禁带 , 于是提 出了声 子晶体概 念 。 声子 晶体具有丰富的物理内涵及潜在的广阔应用前景 。 声子晶体的 研究引起了各国研究机构的高度关注[ 6 ~ 39] 。
表 1 3 类晶体波带结构特性比较 T able 1 Band-structure-related properties of three crystals
(电子)晶体
光子晶体
声子晶体
属性
由 两 种(或 以 上) 由两种(或以上)
结晶体
介 电 材 料构 成 的 弹性材料构成的
(自然的或生长的)
功能材料
1992 年 , M .M .Sigalas 和 E.N .Economou 第 1 次 在理 论上 证实球形散射体埋入某一基体材料中形成三维周期性点阵结构 具有弹性波 禁带特性[ 6] 。 1993 年 , M .S .Kushw aha 等人第 1 次 明确提出了声子晶体(P hononic Cry stals)概念 , 并 对镍柱 在铝合 金基体中形成的复合介质采用平面波方法计算获得了在剪切极 化方向上的弹性波禁带[ 7] 。 1995 年 , R .M artinez-Sala 等人在对 西班牙马德里的一座 200 多年前制作的雕塑“流动的旋律” 进行 声学特性研 究 时 , 第 1 次从 实 验角 度 证 实了 弹 性波 禁 带 的存 在[ 12] 。 从此声子晶体的研究引起了极大关注 。
2022-2023学年高二物理竞赛课件:声子晶体
▫ 1995年Sanehez等人在对西班牙马德里的一座200 多年前 制作的雕塑“流动的旋律”进行声学特性研究时,第一次 从实验角度证实了弹性波禁带的存在,从此声子晶体的研 究引起了极大关注。
4
▫ 声子晶体同光子晶体有着相似的基本特征:当弹性波频 率落在禁带范围内时,弹性波被禁止传播,当存在点缺 陷或线缺陷时,弹性波会被局域在点缺陷处,或只能沿 线缺陷传播。同样,通过对声子晶体周期结构及其缺陷 的设计,可以人为地调控弹性波的流动。
▫ 弹性波是由纵波和横波耦合的全矢量波,在每个组元中 具有3个独立的弹性参数,即质量密度ρ、纵波波速Ci和 横波波速Ct (在流体介质中Ct = 0)。光波是一种标量波, 在每个组元中只有一个独立的弹性参数即介电常数。
10
另一种是光子带隙光纤,其周期性的包层产生光子带隙, 频率处于带隙中的光不能在包层中传播。 图3研究用粘弹性软材料橡胶包覆后的铅球(10毫米直径)组成简 单立方晶格结构埋在环氧树脂中形成的三维声子晶体时发现,该声子晶体禁 带所对应的波长远远大于晶格的尺寸,突破了布拉格散射机理的限制,而且 在散射体并非严格周期分布、甚至随机分布时,复合结构同样具有禁带,由 此提出了弹性波禁带的局域共振机理。
声子晶体
2
声子晶体
• 声子晶体的概念及基本特征
▫ 声子晶体(phononic crystal)是具有弹性波禁带的周期性结构功能材料。 在声子晶体内部材料组分或组元的弹性常数、质量、密度等参数周期 性变化。随着材料组分搭配的不同,周期结构形式的不同,声子晶体 的弹性波禁带特性也就不同。
声子晶体的导热机理
声子晶体的导热机理
声子晶体的导热机理
声子晶体的导热机理
声子晶体是一种由晶格振动产生的噪声波构成的结构,它们在导热中发挥着重要作用。
声子晶体的导热机理可以分为两个方面:一是声子的散射,二是声子的传播。
声子的散射包括弹性散射和非弹性散射两种形式。
其中,弹性散射是指声子在晶格中发生反射、偏转或散射的过程;非弹性散射是指声子在与其相互作用的对象中失去或获得能量的过程。
声子的传播则是指在声子晶体中,声子在晶格中的相对位置和相对运动状态的变化。
这些变化则会影响声子的频率和传播速度,进而影响声子的导热性能。
通过深入研究声子晶体的导热机理,可以为材料科学和工程技术的发展提供重要的理论基础。
- 1 -。
声子晶体文档
声子晶体什么是声子晶体声子晶体是一种周期性结构,其中声波的传播受到晶格周期性振动模式的限制。
它代表了固体中声子的一种集体性质,类似于电子在晶体中的集体运动所产生的电子能带。
声子晶体的研究对于理解固体的热传导、声学与光学性质等具有重要意义。
声子晶体的形成声子晶体的形成基于晶格中的周期性振动模式。
晶格中原子的振动能量可被看作是声子能带的集体表达。
晶格周期性结构的存在导致振动能量在能谱中形成“禁带”,从而限制了声波的传播。
一般来说,声子晶体是由两种或多种不同材料的周期性结构所构成。
声子晶体的特性声子晶体具有许多独特的性质和应用。
以下是一些常见的声子晶体特性:1.声学带隙:声子晶体中存在禁带,即一定范围内的声波传播被禁止。
这种禁带的存在使得声子晶体在控制声波传播和过滤器设计方面具有潜力。
2.波导效应:声子晶体中的禁带可以导致声波的波导效应,使声波只能沿特定的方向传播。
这个特性可以用于开发声子晶体光学器件和声子逻辑电路。
3.声子局域化:在声子晶体中,声子的能量被限制在局部区域内,而不是整个晶体中。
这种局域化效应可以用于设计高效的热障设计和声子晶体传感器等应用。
4.声子光学:声子晶体中的声波与光学结构相互作用,并表现出声子光学效应。
这种效应可以用于设计新型光学器件,如声子晶体光纤和声子光调制器等。
声子晶体的应用声子晶体的独特性质使其在许多研究和技术领域中得到应用。
以下是一些常见的声子晶体应用:1.声子晶体光学器件:声子晶体可以用于制造光学器件,如光隔离器、激光键和立体声光调制器等。
声子晶体的波导效应和声子光学效应可以用于控制光波传播和调制。
2.声子晶体传感器:声子晶体可以用于制造传感器,如沉浸式声子晶体用于测量温度、压力和振动等物理量。
3.热管理:声子晶体的局域化效应可以用于设计高效的热障层,用于阻止热量的传导。
这一特性在热管理和热障设计领域具有潜在应用。
4.声子晶体光纤:声子晶体光纤是一种利用声子晶体的波导效应传输光信号的光纤。
新型功能材料—声子晶体研究进展与应用前景
新型功能材料—声子晶体研究进展与应用前景随着社会科技的进步,新型功能材料在各个领域中得到了广泛的应用。
声子晶体作为一种新型的功能材料,具有独特的结构和性质,在声子学、光子学、能源转化等领域中有着广泛的研究前景和应用价值。
本文将从声子晶体的概念、结构和性质、研究进展以及应用前景等方面进行探讨。
声子晶体是一种具有周期性结构的材料,由宏观结构单元和微观结构单元组成。
宏观结构单元是由微观结构单元构建而成的,而微观结构单元则是由原子、离子或中性分子等构成的。
根据声子晶体中微观结构单元的布局和排列方式不同,可以划分为一维、二维和三维声子晶体。
声子晶体的性质主要受声子特性的调控。
声子是晶体中固有的振动模式,其频率和动量决定了声子的性质。
声子晶体具有带隙结构,即在一定频率范围内,声子无法传播,这种特性类似于光子晶体对光的调控。
此外,声子晶体还具有声学透射、能量传输等独特的声波传播特性。
这些特性使得声子晶体在声子学和光子学中有着广泛的应用。
在声子晶体的研究进展方面,近年来取得了一系列重要的突破。
一方面,研究者通过设计不同的微观结构单元和排列方式,实现了声子晶体对声音和光的调控。
例如,通过调节声子晶体中微观结构单元的尺寸和形状,可以实现声子带隙的调控,从而控制声波的传播和吸收。
另一方面,研究者还开发了各种制备声子晶体的方法,如光子晶体模板法、溶胶凝胶法等。
这些方法的发展为声子晶体的制备提供了更多的选择和可能性。
声子晶体具有广阔的应用前景。
首先,在声子学中,声子晶体可以用于声子带隙材料的制备。
这些材料可以用于制造声子滤波器,实现对特定频率声音的过滤和隔离。
此外,声子晶体还可以用于声波传感器和超声治疗等领域,实现对声波的精确控制和应用。
其次,在光子学中,声子晶体可以用于制备光子带隙材料。
这些材料可以用于制造光子晶体光纤和光子带隙导波器等光学器件,实现对特定频率光的传输和调控。
此外,声子晶体还可以用于制备高效的太阳能电池和光催化剂等能源转化和环境治理领域。
声子晶体简介
●声子晶体的概念
晶体(crystals)
●声子晶体的概念
声子晶体(phononic crystals)
●声子晶体的概念
声子晶体(phononic crystals)
●声子晶体的概念
◆1883年,Floquet关于一维Mathieus方程的研究,首次考虑了周期 结构中波的传播 ◆1887年,Rayleigh率先研究了连续周期结构中波的传播特性,指出 结构中存在无波传播的频带 ◆1953年,Brillouin对波在周期介质中的传播特性进行了系统深入的 研究 ◆1992年,M.MSigalas,E.N.Econnmou首次从理论上证实了三维周期 点阵结构中弹性波带隙的存在性 ◆1993年,M.S.Kushwaha研究二维周期介质 时首次明确提出声子晶体的概念 ◆2000年9月,Science刊登了刘正猷提出的 声子晶体的局域共振带隙机理
●声子晶体的概念 ●声子晶体的一些特性 ●声子晶体的带隙
●声子晶体的概念
声子晶体(phononic, acoustic, sonic crystal)
●声子晶体的概念
结构 对象 晶格 波动 偏振 特征
尺度 电子晶体 结晶体 电子输运行为 0.1-0.5nm 德布罗意波 自旋↑↓ 电子带隙,缺 陷态,表面态 原子尺寸 声子(光子)晶体 多种弹性(介电)材料组成的周期结构 弹性波(电磁波)在晶体中的传播 微观或宏观(0.1-1um) 弹性波(电磁波) 纵-横波耦合(横拨) 弹性波(光子)带隙,缺陷处的局域模式, 表面态 弹性波(电磁波)波长
●声子晶体的一些特性
◆弹性波带隙 ◆减缓波速效应 ◆声聚焦 ◆弹性波定向 ◆超准直 ◆沿缺陷传播 ◆声吸收 ◆等效的负刚度、负密度、负折射率 ◆和光子的相互作用 ◆声致热导率减小 ◆反常多普勒效应
声子晶体PPT
新型声学功能材料
Content
1 2
定义与分类
研究方法
3
4
由来与特征
用途与发展方向
简介
Add Your Text 近年来,具有一定周期结构的复合材料的能带特性的研究越 来越受到人们的关注。声子晶体就是其中的一种。当前,研 究声子晶体的主要目的和意义是:1丰富物理学;2发掘工程 应用。
定义
特征与由来
text
它的基本特征是:具有声
text
M.S.Kushwaha等人率先明 确提出了声子晶体的概念, 并采用镍柱在铝合金基体中 形成的复合材料计算获得声 波带隙,对其理论的研究还 在进一步的发展之中。
ห้องสมุดไป่ตู้
子带隙,而处于禁带内的 声波不能够在声子晶体内 传播。当周期结构中存在
text
text text
体和球形等。 示意图为:
体。
声子晶体研究方法
转移矩阵法:转移矩阵法直接从弹性波波动方程出发, 并注意到方程的线性特征,导出一维声子晶体在一个周期内的转移矩阵, 然后借助边界条件把相邻两层的参数联系起来。适用于一维声子晶体的研究
时域有限差分法
研究声子晶体的另一种较常用的方法是时域有限差分法, 该方法的基本思想是将原始的波动方程直接在时问域和空问域离散, 把微分方程化为差分方程,然后从某个初始场开始,让物理量.. (比如,速度和应力)随时间演 过傅里叶变换,可以得到无限系统的带结构,也可计算有限大声子晶体.. (板状)的透射系数和 该方法是一种求解二维或三维声子晶体禁带的数值方法。
分类
当周期复合材料的周期尺度与声波或弹 性波波长在一个数量级时,声波或弹性
根据散射体不同的周期排列形式, 声子晶体可分为:一维声子晶体, 二维声子晶体,三维声子晶体,相 应的散射体形态依次是:层状板.柱
新型功能材料—声子晶体研究进展与应用前景
新型功能材料—声子晶体研究进展与应用前景摘要:声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材科,这种周期性结构所具有的声波带隙特性可以认为具有某种过滤效应,即当多种频率的振动或声波通过此类晶体时,由于布拉格散射,便会分裂为导带和禁带,处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播,而处于导带频率范围内的振动或声波则能顺利通过声子晶体。
通过求解声波在晶体中的波动方程可以设计所需要的声子禁带和导带。
文中对声子晶体的概念和基本特征、研究进展、理论方法、潜存应用等方面进行了阐述,并对声子晶体的研究工作进行了展望。
关键词:声子晶体周期性结构声子禁带1、引言物理学中的许多进步和成果始于对周期性结构中波的传播情况的研究,如电子的能带结构,Bloch振荡器和全息术。
随着研究的逐渐深入,人们已经制备出了许多新型功能材料。
并应用于各个领域。
以硅晶体为代表的半导体材料的出现引发的电子工业革命,使我们进入了信息时代。
半导体的理论依据是固体电子的能带理论[1]。
即电子(波)在周期性势场的作用下会形成禁带和导带,带与带之间有间隙。
近年来,人们突破了以现有原材料为研究对象的限制。
进入了通过能带设计来模拟天然晶格以获得新型功能材料和器件的新阶段。
1987年,Yablonvithch和John分别发现了光波通过周期性电介质结构后的色散曲线成带状,即产生了带隙,于是各自提出了光子晶体(photonic crystal)[2,3]这一新概念,推进了材料科学的发展,并由此掀起了专门研究光子晶体的热潮。
既然光波通过光子晶体能产生带隙,那么有没有一种材料当弹性波通过时也能产生带隙呢?答案是肯定的,1992年,Sigalas .和Economou .在理论上证实球形材料埋入某一基体材料中形成周期性点阵结构具有带隙特性的重要结论。
随后,Kushwaha .等人明确提出了声子晶体(phononic crystal)[4]的概念,近十几年来相关的理论和实验研究也已经证明了这一点,通过求解声波在晶体中的波动方程可以设计所需要的声子禁带和导带。
物理学中的声子晶体
物理学中的声子晶体物理学是研究自然界最基本规律和物质运动的一门科学。
声子晶体是物理学中一个重要的研究领域,它可以用来制造更先进的材料和设备。
本文将先介绍声子晶体的概念和基本理论,接着探讨其在材料科学、电子学、光学等领域的应用和发展前景。
一、声子晶体的概念和基本理论声子是固体中传播声波的粒子,晶体是由周期性排列的原子或分子组成的物体。
声子晶体是指固体中周期性分布的声子的状态。
它是一种新型的物质,可以用来制造超材料、声波滤波器等设备。
声子晶体的概念最早由苏联科学家扎波罗托夫提出,但是直到近年来才引起了广泛的研究。
声子晶体的理论基础主要建立在固体物理学的基础之上。
在固体中,原子或分子通过化学键和其它相邻的原子或分子相互作用。
当固体受到外界扰动时,原子或分子会沿着其自身的位置振动,并将能量传递给相邻的原子或分子。
这种振动被称为声子,它可以具有不同的频率和波长。
在某些材料中,声子的分布会呈现出周期性的结构。
当声子的波长与该结构的周期相等时,声子与材料的周期结构之间会发生共振现象,从而形成声子晶体。
这种共振现象可以使声波的能量在固体内部传递时受到限制,从而对声波的传播产生影响。
二、声子晶体的应用和发展前景声子晶体在材料科学、电子学、光学等领域都有广泛的应用。
其中,最为常见的应用场景是声波滤波器。
声波滤波器可以将不同频率的声波分离开来,从而实现对声波的控制。
声子晶体作为一种新型的滤波器材料,具有更高的分离效率和更广泛的频率范围,可以应用于声学通讯、声学传感等领域。
除了声波滤波器,声子晶体还有很多其它的应用。
例如,声子晶体可以用来制造超材料,这是一种非常重要的材料,在光学和电子学中都有广泛的应用。
超材料的特殊结构使其能够具有许多独特的性质,如负折射率、超导等。
这些性质可以用来制造光学透镜、天线、微波器件等电子器件。
此外,声子晶体还可以用来控制光的传播和发射。
近年来,随着人们对光子晶体的研究深入,声子晶体也开始进入人们的视野。
《声子晶体与光纤声发射检测技术》教学大纲
声子晶体与光纤声发射检测技术16学时/I学分(一)声子晶体局部英文译名:Phononic Crystal应用领域:隔声、降噪等工程应用领域任课教师:赵言诚教授教学目的:了解声子晶体一这一新型人工结构功能材料的概念;了解声子晶体的国内外研究开展的最新进展;了解声子晶体的禁带机理及其特性。
教学方式及学时分配:课堂讲授6学时;讨论课2学时。
教学内容:一、声子晶体概念及其研究动态1、声子晶体的概念2、声子晶体的研究动态二、声子晶体的带隙理论1、声子晶体的结构2、声子晶体带隙理论简介三、声子晶体的特性1、声子晶体的禁带特性2、声子晶体的缺陷态及声波导特性学生的知识储藏:固体物理,声学基础。
内容摘要:近年来,声波在周期性复合材料中传播的研究及其活跃,自1992年,M. M. Sigalas和E. N. Economou在理论上首次证实金(铅)球在铝(硅)基体中形成的复合材料存在声波禁带后,M. S. Kushwaha等人就明确提出了声子晶体的概念。
十多年来,人们通过材料弹性常数的特定分布和设计,对一维、二维和三维声子晶体进行了大量研究,同时对于如何利用声子晶体缺陷结构控制声的传播—形成声波导也进行了一些理论与实验的研究。
声子晶体的这些性质为噪声和振动的有效控制提供了崭新的思路和方法,如设计高性能的滤波器及新型的声学换能器等。
围绕着二维声子晶体带隙形成机理以及它的波导和局域特性,利用平面波展开法、平面波展开法结合超原胞法,讲授如下内容;1、声子晶体概念及其国内外研究动态2、声子晶体模型的晶体学结构及带隙理论简介3、从理想弹性介质的弹性波波动方程出发,介绍平面波展开法的理论和算法,介绍二维声子晶体带隙结构特性;缺陷态及点缺陷间的耦合特性;位错缺陷的界面传导模特性;异质结构的声波导特性。
考核方式:文献综述主要参考书目:1、《光子/声子晶体理论与技术》温熙森等编著科学出版社2、《声学基础》杜功焕等著南京大学出版社3、齐共金,杨盛良,白书欣等.基于平面波算法的二维声子晶体带结构的研究[J].物理学报,2003, 52 (3): 668-671.4、赵芳,苑立波.二维复式格子声子晶体带隙结构特性[J].物理学报.2005, 54(10): 4511-4516.(二)声发射光学检测技术英文译名:Optic Acoustic Emission Detection Technology应用领域:无损检测技术任课教师:梁艺军教授教学目的:拓宽学生对于光纤检测技术的应用思路;了解声发射的机理;了解光纤声发射检测技术在无损检测中的应用;了解光纤声发射检测技术的国内外研究开展的最新进展。
固体物理学基础晶体的声学性质与声子谱
固体物理学基础晶体的声学性质与声子谱晶体是由原子、离子或分子排列有序而成的固体材料,是固体物理学的研究对象之一。
在固体物理学中,声学性质是研究晶体中声波的传播和振动特性的重要内容。
声子谱则是描述晶体中声子的能量和动量关系的表示。
本文将介绍固体物理学基础中的晶体的声学性质以及声子谱的相关知识。
一、晶体的声学性质在固体中,声波是一种分子振动的形式,因此可以通过研究晶体中的原子或离子的振动来了解声学性质。
晶体的声学性质可以通过研究其机械性质来描述,其中包括弹性模量、声速、声阻抗等。
1. 弹性模量晶体的弹性模量描述了晶体在受力时的物理反应。
晶体的弹性模量与其晶格结构以及原子或离子之间的相互作用有关。
其中,最常见的弹性模量包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。
2. 声速晶体中的声速是声波在晶体中传播的速度,它与晶体的密度和弹性模量有关。
晶体中存在纵声波和横声波两种形式的声波,它们的传播速度不同。
纵声波的传播速度大于横声波的传播速度。
3. 声阻抗晶体中的声阻抗是指声波从一个介质传播到另一个介质时,两个介质之间的阻碍程度。
声阻抗与介质的密度和声速有关,不同的晶体对声音的传播和反射有不同的影响。
二、声子谱声子谱是描述晶体中声子(晶格振动)能量和动量关系的表示。
声子是晶体中的一种元激发,它与晶体的原子或离子的振动相对应。
声子谱可以通过布里渊区中的声速和频率来表示。
1. 布里渊区布里渊区是描述固体中电子、声子等元激发的特殊空间,在声子谱中起到重要作用。
布里渊区的形状和大小与晶体的晶格结构有关。
2. 声子色散关系声子色散关系是声子能量和动量之间的关系,它描述了晶体中不同类型的声子的行为。
声子色散关系可以通过实验或理论计算得到,它是理解晶体中声子行为的重要工具。
3. 禁带结构和声子晶体禁带结构是固体中电子能量和动量之间的关系,在声子谱中也有类似的现象。
声子禁带结构是指声子能量和动量之间的限制,它与晶体的原子排列和振动方式有关。
浅谈声子晶体的应用研究
浅谈声子晶体的应用研究发布时间:2023-02-20T06:00:12.270Z 来源:《建筑实践》2022年10月19期作者:雷柏青[导读] 声子晶体是一种具有带隙特性的周期性复合材料雷柏青广州大学土木工程学院广东省,510006摘要:声子晶体是一种具有带隙特性的周期性复合材料,具有减振降噪,滤波聚能等重要应用价值。
本文简述了有关声子晶体的概念和研究方法,主要介绍了声子晶体在减振消能、隔声、减振防浪、以及定向波导和声聚焦等方面的应用,对声子晶体有关应用研究方面有一定的启示。
关键词:声子晶体;带隙特性;应用研究0引言:声子晶体的概念最早于1993年由Kushwaha提出[1],用于研究进行弹性波传播或抑制弹性波传播的周期性介质,然而,关于声子晶体的研究却早已在1979年便由Narayanamurti等人完成了,当时他们研究了高频声波在GaAs/AlGaAs超晶格中的传播,而该超晶格可被视为一维声子晶体[2]。
弹性波在传播过程中与周期性结构相互作用,只有一定频率范围内的弹性波可以顺利通过周期结构进而传播出去,而其他频率范围内的弹性波则被阻挡无法传播,表现在频散关系上即为存在弹性波带隙。
因而对于具有弹性波带隙的周期性介质,声子晶体被认为是弹性波传输的载体,被纳入了弹性波传输研究领域。
由于声子晶体概念的提出至今只有近三十年,目前尚无比较成熟的应用,因而关于实际应用方面的研究仍属于现今声子晶体研究领域的重要课题。
1研究方法:带隙特性是声子晶体的主要研究对象,常用能带结构和传递特性两种方式表述。
能带结构表示声子晶体中弹性波的频散关系,研究者可以通过分析能带结构确定结构是否存在抑制弹性波传播的全通带隙和局域抑制的方向带隙,进而设计制造出所需要的设备。
另外由于实际设备不具有无限周期,弹性波在设备上的传播能力需要以传递特性来描述。
实验结果证明,有限周期声子晶体即使只拥有很少的周期数,但描述的带隙范围却与无限周期声子晶体描述的带隙范围一致,只是随着周期数量的增加,带隙范围内的弹性波衰减程度开始逐渐增大。
压电声子晶体
压电声子晶体压电声子晶体是一种具有特殊结构的材料,它能够将机械能转化为电能。
在压电声子晶体中,声子是起主导作用的粒子,它们的振动可以产生电荷分布的变化,从而产生电势差。
压电效应是指在一些晶体材料中,当受到外界力或压力时,会产生电荷分布的变化,从而产生电势差。
这种电势差可以用来驱动外部电路,实现能量的转换和传递。
压电效应的研究源于19世纪,当时科学家发现某些晶体材料在受力或压力作用下会产生电荷分布的变化。
随着科学技术的发展,人们对压电效应的研究越来越深入,压电材料的应用也越来越广泛。
压电声子晶体是一种特殊的压电材料,它的晶格结构具有周期性的特点。
晶格是指晶体中原子或分子的排列方式,而周期性则是指晶格结构中存在重复的单元。
在晶体中,声子是晶格振动的基本单位,它们的振动方式和频率与晶体的结构密切相关。
压电声子晶体的制备需要精密的工艺和控制技术。
首先,需要选择适合的晶体材料,如石英、硼酸盐等。
然后,通过化学方法或物理方法将晶体材料制备成所需的形状和尺寸。
制备好的晶体样品需要经过精细的加工和处理,以保证其结构的完整性和稳定性。
压电声子晶体的应用领域非常广泛。
首先,它可以用于制造压电器件,如压电传感器、压电马达等。
这些器件可以将机械能转化为电能,实现能量的转换和传递。
其次,压电声子晶体还可以用于制造压电陶瓷、压电电容器等电子器件,用于存储和传输电能。
此外,压电声子晶体还可以应用于声波滤波器、声波放大器等声学设备中,用于控制和调节声音的传播和放大。
在压电声子晶体的研究中,科学家们面临着许多挑战和问题。
首先,如何选择合适的晶体材料和制备工艺,以获得高效的压电效应。
其次,如何控制和调节压电声子晶体的结构和性能,以满足不同应用的需求。
最后,如何将压电声子晶体与其他材料和器件相结合,形成集成化的系统,实现更高效的能量转换和传递。
总的来说,压电声子晶体是一种具有特殊结构和性能的材料,它能够将机械能转化为电能。
它的应用领域非常广泛,包括压电器件、电子器件和声学设备等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Waveguiding in two-dimensional piezoelectric phononic crystal platesJ. O. Vasseur, A.-C. Hladky-Hennion, B. Djafari-Rouhani, F. Duval, B. Dubus, Y. Pennec, and P. A. DeymierCitation: Journal of Applied Physics 101, 114904 (2007); doi: 10.1063/1.2740352View online: /10.1063/1.2740352View Table of Contents: /content/aip/journal/jap/101/11?ver=pdfcovPublished by the AIP PublishingArticles you may be interested inVibration band gaps in double-vibrator pillared phononic crystal plateJ. Appl. Phys. 119, 014903 (2016); 10.1063/1.4939484Acoustic beam splitting in two-dimensional phononic crystals using self-collimation effectJ. Appl. Phys. 118, 144903 (2015); 10.1063/1.4932138Surface acoustic wave band gaps in a diamond-based two-dimensional locally resonant phononic crystal for high frequency applicationsJ. Appl. Phys. 111, 014504 (2012); 10.1063/1.3673874Propagation of acoustic waves and waveguiding in a two-dimensional locally resonant phononic crystal plate Appl. Phys. Lett. 97, 193503 (2010); 10.1063/1.3513218Lamb waves in plates covered by a two-dimensional phononic filmAppl. Phys. Lett. 90, 021909 (2007); 10.1063/1.2431569Waveguiding in two-dimensional piezoelectric phononic crystal plates J.O.Vasseur,a͒A.-C.Hladky-Hennion,B.Djafari-Rouhani,F.Duval,B.Dubus,andY.PennecInstitut d’Electronique,de Micro-électronique et de Nanotechnologie,UMR CNRS8520,CitéScientifique,59652Villeneuve d’Ascq Cedex,FranceP.A.DeymierDepartment of Materials Science and Engineering,University of Arizona,Tucson,Arizona85721͑Received27February2007;accepted12April2007;published online5June2007͒We investigate the possibility of designing phononic crystal-based devices for telecommunicationapplications using materials commonly employed in microfabrication.We focus our attention on aphononic crystal made of a square array of cylindrical holes drilled in an active piezoelectric PZT5Amatrix.Two different structures are considered,namely,a freestanding phononic crystal plate and aplate deposited on a silicon substrate.The geometrical characteristics of the phononic crystal plates͑lattice parameter and thickness͒were chosen to ensure the existence of an absolute band gap around1.5GHz;a common frequency in radio frequency putations of thedispersion curves of these active structures were conducted with the help of thefinite elementmethod.We demonstrate the existence of absolute band gaps in the band structure of the phononiccrystal plates and,then,the possibility of guided modes inside a linear defect created by removingone row of air holes in the phononic crystal.In the case of the supported phononic crystal plates,weshow the existence of an absolute forbidden band in the plate modes when the thickness of thesubstrate significantly exceeds the plate thickness.We discuss the conditions to realize waveguidingthrough a linear defect inside the supported plate.The present work provides evidences thatphononic crystal properties can be integrated with existing silicon based microdevice technology.©2007American Institute of Physics.͓DOI:10.1063/1.2740352͔I.INTRODUCTIONThe propagation of elastic waves in periodic composite media,such as phononic crystals,has been the object of many researchers’interest in the past decade.1–3Phononic crystals are created by a two-dimensional or three-dimensional periodic arrangement of inclusions in a matrix. Phononic crystals may exhibit absolute band gaps where the propagation of elastic waves is forbidden in all directions. These band gaps arise under certain conditions of contrast in density and elastic properties,composition,geometry of the array of inclusions,and inclusion shape.When the periodic-ity of a phononic crystal is broken,it is possible to create highly localized defects within the acoustic bang gap,which are analogous to localized modes in photonic crystals and to localized impurity states in semiconductors.Extended de-fects such as rows of different inclusions in the phononic lattice have been shown to guide elastic waves within the crystal band gap.Defect modes can then lead to functional-ities such asfiltering and multiplexing.4–8In addition to bulk phononic crystals,e.g.,composite media of infinite extent along the three spatial directions, semi-infinite phononic crystals with a free surface have been shown to support surface acoustic waves͑SAWs͒.The peri-odicity of the crystal in the plane of the surface may open gaps in the SAW branches.For instance,the existence of SAW localized at the free surface of a semi-infinite two-dimensional phononic crystal has been proven theoretically.9–12For this geometry,the parallel inclusions are of cylindrical shape and the considered surface is perpen-dicular to their axis.Various arrays of inclusions,9,10crystal-lographic symmetries of the component materials,11and also the piezoelectricity of one of the constituents12were taken into account.On the experimental side,Wu et al.13observed high frequency SAW with a pair of interdigitated transducers placed on both sides of a thick silicon plate in which a square array of holes was drilled.Similar experiments were con-ducted by Benchabane et al.on a two-dimensional square lattice piezoelectric phononic crystal etched in lithium niobate.14These studies suggest that integration of phononic crystals with radio frequency SAW devices may lead to a significant enhancement of the telecommunication device’s functionality.Slabs of phononic crystals also possess the characteristic properties of their bulk and semi-infinite counterparts.Gaps form in the symmetric Lamb mode band structure of two-dimensional phononic crystal plates composed of triangular arrays of W cylinders in a Si background.15Zhang et al.16 have shown the existence of gaps for acoustic waves propa-gating in an air/aluminium two-dimensional͑2D͒phononic crystal plate through laser ultrasonic measurements.Absolute band gaps appear in the band structure of phononic crystal plate composed of passive17,18or piezoelectric materials.19 The existence of these absolute gaps depends strongly on the ratio of the plate thickness to the crystal periodicity with the largest gap occurring when this ratio is around1.To obtaina͒Author to whom correspondence should be addressed;electronic mail:jerome.vasseur@univ-lille1.frJOURNAL OF APPLIED PHYSICS101,114904͑2007͒0021-8979/2007/101͑11͒/114904/6/$23.00©2007American Institute of Physics101,114904-1gaps at telecommunication frequencies of the order of giga-hertz,the thickness of the plate should be of the order of micrometers.On the other hand,the realization of telecom-munication devices requires,in general,the phononic crystal plates to be supported by a substrate.In this paper,we report on the properties of piezoelectric phononic crystal freestanding plates and a plate supported on a silicon substrate.We focus on acoustic wave propagation in these structures and unravel the conditions under which ab-solute band gaps form for the plate modes.We also consider freestanding and supported phononic crystal plates contain-ing rectilinear defects and we demonstrate the ability of the defect to guide acoustic waves with frequencies falling in-side the forbidden band of the parent phononic crystal plate.The paper is organized as follows.In Sec.II,we present the models of bulk phononic crystals,of phononic crystal plates,and of plates deposited on a substrate together with thefinite element method used for calculating their band structures.In Sec.III,we discuss the behavior of the band structures with respect to the geometrical and physical pa-rameters.Finally,some conclusions are drawn concerning the applicability of these structures to functional telecommu-nication devices.II.MODELS AND METHOD OF CALCULATION The basic phononic crystal used throughout this paper is composed of a square array of parallel cylindrical air inclu-sions͑holes͒of radius R drilled in a PZT5A piezoelectric matrix.The cylindrical air inclusions are assumed parallel to the z axis of the Cartesian coordinates system͑O,x,y,z͒. Thefilling factorof inclusions is defined as=R2/a2 and taken to be0.7to ensure the existence of an absolute band gap in the band structure of the bulk phononic crystal.17 We choose the lattice parameter a of the periodic array equal to0.77m in order to locate the band gap around1.5GHz, a common frequency in telecommunications.The phononic crystal plates are cut perpendicular to the z axis.The thick-ness of the plate is denoted by h.Optimal conditions for gap formation in the plate modes are obtained for h of the same order as a.17In the case of supported plates,the substrate is constituted by silicon,an ubiquitous material in microdevice manufacturing.In the numerical calculations,silicon was as-sumed of cubic crystallographic symmetry.The thickness of the substrate is variable and defined as d͑see Fig.1͒.The physical characteristics of PZT5A and Si are reported in Tables I and II.The band structures were computed using thefinite ele-ment method.20According to the Bloch-Floquet relations,21 only the mesh of one unit cell is required.Dispersion curves of the bulk phononic crystal were calculated using a three-dimensional͑3D͒unit cell:the structure is supposed to be infinite and uniform along the z direction,infinite but peri-odic in the two other directions x and y.This structure is named a3D structure and,following the Bloch-Floquet theo-rem,a phase relation is applied on the six faces of the mesh. For the two other structures͑plate,plate deposited onto a substrate͒,a3D mesh is considered too but the structure is supposed to be offinite size along the thickness of the plate, periodic and infinite in the two other directions.Thus,it is named a2D periodic structure and a phase relation is applied on only four faces of the mesh.The unit cell is meshed and divided into elements connected by nodes.Within this cell,a phase relation is applied on nodes separated by one period, defining boundary conditions between adjacent cells.The phase relation is related to the wave number of the incident wave in the periodic material.In this study,isoparametric elements are used,with20nodes for each element͑hexahe-dron with one node at each corner and one node at the TABLE I.Physical characteristics of PZT5A:is the density,͑s E͒is the constant electricfield elastic tensor,͑d͒is the piezoelectric tensor,and͑S͒is the constant strain dielectric permittivity tensor.PZT5A is a hexagonal crystal,with6mm class symmetry.Constant Unit Valuekg/m37750s11E m2/N 1.640ϫ10−11s12E−5.740ϫ10−12s13E−7.220ϫ10−12s33E 1.880ϫ10−11s44E 4.750ϫ10−11d31C/N−1.710ϫ10−10d33 3.740ϫ10−10d15 5.840ϫ10−1011S1036033S9390FIG.1.͑a͒Freestanding phononic crystal plate of thickness h and͑b͒phononic crystal plate of thickness h deposited onto a homogeneous sub-strate of thickness d.The basic phononic crystal is composed of a squarearray of parallel cylindrical air inclusions͑holes͒of radius R drilled in apiezoelectric matrix.The lattice parameter is a.The cylindrical air inclu-sions are assumed parallel to the z axis of the Cartesian coordinates system͑O,x,y,z͒.TABLE II.Physical characteristics of silicon:is the density,C11,C12,andC44are the three independent elastic moduli of cubic silicon.Constant Unit Valuekg/m32331C11N/m216.57ϫ1010C12 6.39ϫ1010C447.962ϫ1010middle of each edge ͒,and a quadratic interpolation along element sides is considered,thanks to the three nodes per edge of the element.The band structures are rendered in terms of a frequency,function of the modulus of the wave vector,and are plotted along the principal directions of propagation of the 2D irreducible Brillouin zone ͑⌫XM ͒.III.RESULTS AND DISCUSSIONA.Freestanding PZT/air phononic crystal plate 1.Bulk phononic crystal and phononic crystal plateFigure 2͑a ͒gives the band structure of the infinite phononic crystal,where only propagation perpendicular to the cylinders is taken into account.One can notice the exis-tence of a band gap in the frequency range from 1.0596to 1.4460GHz.However,the band gap will be to-tally filled when taking into account the out-of-plane propa-gation.On the contrary,we have shown recently 17that a slab of a phononic crystal can display an absolute band gap pro-vided its thickness h is of the order of the in-plane lattice parameter a .This comes from the confinement of the modes in the slab that imposes limitations on the allowed values of the wave vector along the z axis.Figure 2͑b ͒gives the dis-persion curves of such a slab when h =a ;it shows an absoluteband gap ranging from 1.1808to 1.3072GHz.The three lowest branches in the band structure,starting at the ⌫point,are quite similar to those of a homogeneous slab.They,re-spectively,correspond to the antisymmetric A 0Lamb mode,the shear horizontal mode,and the symmetric S 0Lamb mode.2.Waveguide in the freestanding plateWe consider now the case of a rectilinear waveguide created inside the lead zirconate titanate ͑PZT ͒/air phononic crystal plate.A supercell containing seven unit cells in the y direction is considered in the finite element calculations.The lattice parameter a and the thickness of the plate h are the same as for the perfect plate.Two systems are investigated.In the first system,the seven unit cells contain an air hole.In the second system,the hole in the fourth unit cell is filled with PZT5A,thus constituting a linear waveguide in the x direction.Figures 3͑a ͒and 3͑b ͒show the band structure of the phononic crystal plate and the plate with a waveguide,respectively.We limit ourselves to the ⌫X path of the Bril-louin zone that corresponds to the direction of propagation of the elastic waves inside the waveguide.Figure 3͑a ͒exhibitsFIG.2.Elastic band structures calculated with the finite element method for ͑a ͒the bulk 2D phononic crystal ͑structure of infinite extent along the three spatial directions ͒and ͑b ͒the freestanding phononic crystal plate of thick-ness h =a =0.77m made of a square array of holes drilled in a PZT 5A piezoelectric matrix with =0.7.The inset represents the first Brillouin zone ͑⌫XM ͒of the square array.The components of the wave vector at the ⌫,M ,and M points are ͑0,0͒,͑/a ,0͒,and ͑/a ,/a ͒,respectively,with /a =4.08m −1.FIG.3.Band structure along the ⌫X direction calculated with a supercell containing 1ϫ7unit cell,for ͑a ͒the perfect phononic crystal plate and ͑b ͒the phononic crystal plate containing a waveguide formed by filling the hole in the fourth unit cell.The inset depicts the 1ϫ7supercell considered in each case.The two straight lines indicate the location of the guided mode analyzed in Fig.4.numerous additional branches with respect to those in Fig.2͑a ͒as the result of the folding of the bands in the y direction due to the seven unit-cell periodicity in that direction.The band structure still shows the same forbidden band as the one displayed in Fig.2͑b ͒.When a waveguide is introduced in the structure,guiding modes appear inside the band gap of the perfect phononic crystal plate,as illustrated in Fig.3͑b ͒.More specifically,we illustrate in Fig.4,the modulus of the displacement field for the waveguide mode having a fre-quency f =1.221GHz and a wave vector equal to 3.468m −1.Figure 4corresponds to a top view and a three-quarter view of the three-dimensional displacement field in the xy plane.It clearly shows that the acoustic displacement is concentrated within and in the close vicinity of the wave-guide.The displacement field is very weak in the rest of the phononic crystal since the mode considered lies within the forbidden band of the phononic crystal plate.B.PZT/air phononic crystal plate on a silicon substrate1.Perfect phononic crystal plate on silicon substrateIn the previous section,we considered a freestanding phononic crystal plate made of a square array of holes drilled in a PZT5A matrix.The geometrical characteristics of the plate,i.e.,the thickness h ,the lattice parameter a ,and the radius of the holes R were of the order of micrometers and were chosen in the aim of observing an absolute band gap around a frequency of 1.5GHz.A micrometer thick plate cannot be used effectively in device structures.The physical realization of a practical structure would then require that the thin plate of phononic crystal be deposited onto a thick sub-strate for support.In consequence,we investigate here the influence of a substrate on the absolute band gap of thephononic crystal plate.We consider a substrate of finite thickness d made of silicon.Figure 5shows the finite ele-ment band structure of the plate deposited on the substrate for d =2h =2a .The thick solid straight lines represent the dispersion curves of the slower elastic waves propagating in an infinite,homogeneous medium composed of silicon,i.e.,the waves of transverse polarization.One first observes that the substrate vibrational modes strongly interact with those of the phononic crystal plate,leading to very different dis-persion curves with respect to those of a freestanding plate ͓see Fig.2͑b ͔͒.Moreover,only modes below the dispersion curves of the transverse waves in silicon are confined inside the phononic crystal plate.With this restriction,the band structure of Fig.5appears to exhibit forbidden bands,in particular,along the XM direction of propagation.In the other directions of the Brillouin zone,the plate modes cross-over in the vicinity of the C t line of the substrate around 1.5GHz,for example,and appear below the C t line.In Fig.6,we present the same band structure but for a thicker sub-strate,i.e.,for d =5h =5a .In that case,one observes that,in the same range of frequency,some plate modes still appear below the C t line of the substrate but occur very closely to this line.This results in the existence of an absolute forbid-den band centered around f =1.5GHz.Our finiteelementFIG.4.͑Color online ͒Maps of the modulus of the elastic displacement field for the waveguide mode with f =1.221GHz and a wave vector of modulus 3.468m −1;͑a ͒top view and ͑b ͒three-quarter view.The red color corre-sponds to the maximum displacement,whereas the blue color corresponds to theminimum.FIG.5.Elastic band structures for the air/PZT phononic crystal plate of thickness h =a deposited onto a silicon substrate of thickness d =2h =2a .The thick solid lines represent the dispersion curves of the slower elastic waves propagating in an infinite,homogeneous medium composed of sili-con,i.e.,the waves of transversepolarization.FIG.6.Same as Fig.5but for a substrate thickness d =5h =5a .method ͑FEM ͒results also show that for much thicker sub-strate,the dispersion curves below C t remains the same.Our study shows also that the existence of such an absolute for-bidden band requires very constraining conditions on the na-ture of the materials constituting the phononic crystal and the substrate.2.Waveguide in the plate deposited on a silicon substrateWe investigate now the propagation of elastic waves through a rectilinear waveguide created inside the phononic crystal plate deposited on the silicon substrate.The rectilin-ear waveguide is created as in Sec.III A 2,and the finite element calculations are conducted in the same way.Never-theless,in that case the computations were done considering a 1ϫ5supercell.This allows one to reduce the computation time but does not affect significantly the numerical results.The band structures are calculated along the ⌫X path of the irreducible Brillouin zone ͓Fig.7͑b ͔͒.As a matter of com-parison,we present also in Fig.7͑a ͒the band structure of the perfect plate deposited on the substrate computed with a 1ϫ5supercell.The thickness of the plate and of the substrate are h =a and d =5h =5a ,respectively.Figure 7͑b ͒shows that some new modes occur in the forbidden band of Fig.7͑a ͒.To show the confinement of such modes inside the waveguide,we focus our attention on the mode with frequency f =1.4657GHz at the X point of the Brillouin zone ͓indicated by an arrow in Fig.7͑b ͔͒.The modulus of the displacement field associated with this mode is displayed on the map of Fig.8.This map unequivocally shows the localized nature of this mode indicating that it corresponds to a guided mode of the plate.The three-dimensional representation of the dis-placement field demonstrates that this guided mode is con-fined in the plate and does not leak out into the substrate.IV.CONCLUSIONSThe purpose of this paper was to investigate the possi-bility of designing phononic crystal-based devices for tele-communication applications using commonly employed ma-terials in microfabrication.We focused our attention on active piezoelectric PZT5A material and silicon.We demon-strated that absolute band gaps for the propagation of plate modes exist in PZT/air hole phononic crystal plates.Inciden-tally,we also show that plate modes can be guided inside a linear defect created by removing one row of holes.How-ever,practical devices would require that the phononic crys-tal plate be supported by a substrate.We therefore calculated the band structure of a PZT/air phononic crystal plate on a silicon substrate.Absolute forbidden band in the plate modes forms when the substrate thickness exceeds significantly that of the plate.This gap includes the ubiquitous telecommuni-cation frequency of 1.5GHz.We prove also that a linear defect in such a structure can guide plate mode.The present work provides evidences that phononic crystal properties can be integrated with existing silicon based microdevice tech-nology.This study also suggests that other structural defects such as point defects,cavities,and various channels inserted inside the phononic crystal plate could also lead to the exis-tence of vibrational modes inside the absolute stop bands.These defect modes could then be used to realize functional acoustic devices such as specific filters or demultiplexers.ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by Le Fond Européen de Développement Régional ͑FEDER ͒and by Le Conseil Ré-gional Nord—Pas de Calais.We acknowledge the assistance of M.Deymier with some of the graphic arts.We also thank P.Mosbah ͑ISEN,Lille ͒for his help with the finite element numerical computations.1J.O.Vasseur,B.Djafari-Rouhani,L.Dobrzynski,and P.A.Deymier,J.Phys.:Condens.Matter 9,7327͑1997͒.2D.García-Pablos,M.Sigalas,F.R.Montero de Espinosa,M.Torres,M.Kafesaki,and N.García,Phys.Rev.Lett.84,4349͑2000͒.3S.Yang,J.H.Page,Z.Liu,M.L.Cowan,C.T.Chan,and P.Sheng,Phys.Rev.Lett.93,024301͑2004͒.4Y .Pennec, B.Djafari-Rouhani,J.O.Vasseur, A.Khelif,and P. A.Deymier,Phys.Rev.E 69,046608͑2004͒.FIG.7.Band structure along the ⌫X direction calculated with a supercell containing 1ϫ5unit cell,for ͑a ͒the perfect phononic crystal plate deposited on the silicon substrate and ͑b ͒the supported plate containing a waveguide formed by filling a hole in the third unit cell.The thickness of the substrate is the same as in Fig.6,i.e.,d =5h =5a .The arrow indicates the location of the guided mode analyzed in Figs.8͑a ͒and 8͑b ͒.FIG.8.͑Color online ͒Maps of the modulus of the elastic displacement field for the waveguide mode with f =1.4657GHz at the X point in Fig.7͑b ͒;͑a ͒top view and ͑b ͒three-quarter view.The red color corresponds to the maxi-mum displacement,whereas the blue color corresponds to the minimum.5Y.Pennec,B.Djafari-Rouhani,J.O.Vasseur,rabi,A.Khelif,A. Choujaa,S.Benchebane,and ude,Appl.Phys.Lett.87,261912͑2005͒.6A.Khelif,A.Choujaa,S.Benchabane,B.Djafari-Rouhani,and ude, Z.Kristallogr.220,836͑2005͒.7T.Miyashita and C.Inoue,Jpn.J.Appl.Phys.,Part140,3488͑2001͒. 8T.Miyashita,Meas.Sci.Technol.16,R47͑2005͒.9Y.Tanaka and S.Tamura,Phys.Rev.B58,7958͑1998͒.10Y.Tanaka and S.Tamura,Phys.Rev.B60,13294͑1999͒.11T.T.Wu,Z.G.Huang,and S.Lin,Phys.Rev.B69,094301͑2004͒.ude,M.Wilm,S.Benchabane,and A.Khelif,Phys.Rev.E71, 036607͑2005͒.13T.T.Wu,Z.G.Huang,and S.Y.Liu,Z.Kristallogr.220,841͑2005͒;T. T.Wu,L.C.Wu,and Z.G.Huang,J.Appl.Phys.97,094916͑2005͒. 14S.Benchabane,A.Khelif,J.-Y.Rauch,L.Robert,and ude,Phys. Rev.E73,065601͑2006͒.15J.J.Chen,B.Qin,and J.C.Cheng,Chin.Phys.Lett.22,1706͑2005͒. 16X.Zhang,T.Jackson,fond,P.Deymier,and J.O.Vasseur,Appl. Phys.Lett.88,041911͑2006͒.17J.O.Vasseur,P.A.Deymier,B.Djafari-Rouhani,and Y.Pennec,Proceed-ings of IMECE2006,ASME International Mechanical Engineering Con-gress and Exposition,Chicago,Illinois,5–10,November2006.18J.C.Hsu and T.T.Wu,Phys.Rev.B74,144303͑2006͒.19A.Khelif,B.Aoubiza,S.Mohammadi,A.Adibi,and ude,Phys. Rev.E74,046610͑2006͒.20The band structures were computed with the help of the ATILAfinite ele-ment code,ATILA Finite Element Code for Piezoelectric and Magnetostric-tive Transducers Modeling,Version5.2.1,User’s Manual,ISEN,Acous-tics Laboratory,Lille,France͑2002͒.nglet,A.-C.Hladky-Hennion,and J.-N.Decarpigny,J.Acoust.Soc. Am.98,2792͑1995͒.。