Authors:	Sato, Akihiro
Title:	Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy
Online publication date:	11-Nov-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden. Phononic crystals are structured materials, which have periodic elastic modulus distributions at wavelength scale, and develop new functions that are never observed in free space since the interaction between sound waves and periodic structures creates interesting interference phenomena. In particular, since hypersonic phononic crystals that operate at gigahertz (GHz) frequencies are composite materials with a period comparable to the wavelength of light, they possess potential for various simultaneous control of light and sound by localizing or propagating them, and applications to novel acousto-optical devices utilizing the enhancement of acousto-optical interactions can be envisioned. Previously-reported hypersonic phononic crystals, which are based on thermoplastic polymers or epoxy, have limited thermal and mechanical instability and elastic contrast. Moreover, despite high elastic contrast, hypersonic phononic crystals based on periodic arrays of cylindrical channels filled with liquids in a rigid matrix have remained essentially unexplored. In this thesis, using high-resolution Brillouin light scattering (BLS), two-dimensional (2D) hypersonic phononic crystals based on self-ordered anodic aluminium oxide (AAO) containing hexagonal arrays of cylindrical nanopores with submicron periodicity are investigated in order to understand the behaviors of elastic wave propagation in these crystals. AAO is a versatile model system for exploration of rich phonon phenomena at GHz frequencies, which are intimately linked to fluids located in the nanopores and their interactions with the pore walls. Consequently, directional flow of elastic energy parallel and perpendicular to the pore axes, phonon localization and tunability of the phononic band structure are realized through the variation of the porosity and change of the physical state of the material residing in the nanopores. In addition, the thermal stability of AAO allows the switching of the hypersonic properties by means of temperature induced phase transitions in the AAO nanopores. For monodomain 2D AAO phononic crystals, the disparity of the dispersion relations along two high symmetry directions in the Brillouin zone sensitively depends whether the nanopores are empty or filled. The nature of the main wave propagation modes in the experimental phononic band diagram is identified via finite differential time domain (FDTD) calculations complemented by the map of the corresponding displacement field.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1581
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21181
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen