CC BY
29
Литература
1. Дрогобужская С. В. Сорбционные свойства N и S, N-содержащих волокнистых сорбентов и их применение для концентрирования металлов при анализе природных и сточных вод: дисс. ... канд. хим. наук. СПб., 1998. 162 с.
Сведения об авторах
Шошина Светлана Игоревна,
бакалавр, IV курс
Мурманский государственный технический университет, e-mail: mailnecesse@gmail.com
Дрогобужская Светлана Витальевна,
кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru
Shoshina Svetlana Igorevna,
4th Year Bachelor
Murmansk State Technical University, e-mail: mailnecesse@gmail.com
Drogobuzhskaya Svetlana Vital'evna,
PhD (Chemistry), Associate Professor, Senior Researcher
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the rAS", Apatity, Russia, e-mail: Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.PRIL.85-89 УДК: 535.36:548
А. М. Шувалова1, А. А. Яничев2, А. А. Габаин2
1 Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета
2 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ РАЗНОГО СОСТАВА
Аннотация
По параметрам рэлеевского фотоиндуцированного рассеянного света при длинах волн возбуждающего излучения 476,5, 488, 514,5 и 532 нм были определены значения напряженности фотовольтаического и диффузионного полей в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического (И = Ы/№ = 1) и конгруэнтного (И = 0,946) состава, а также конгруэнтного состава, легированных катионами Er3+, B3+, Gd3+, Y3+, 0и2+, Zn2+, Mg2+. Показано, что при длине волны возбуждающего излучения 514,5 нм достигается максимальное значение фотовольтаического поля. При этом наименьшим значением фотовольтаического поля (при 476,5 и 488 нм) характеризуется кристалл стехиометрического состава. При увеличении длины волны возбуждающего излучения (514,5 и 532 нм) наименьшим значением фотовольтаического поля обладает кристалл LiNbO3:Zn [0,018 мас.%].
Ключевые слова:
монокристалл ниобата лития, фоторефрактивный эффект, фотовольтаическое поле, диффузионное поле.
A. M. Shuvalova1, A. A. Yanichev2, A. A. Gabain2
1 Apatity Branch of Murmansk State Technical University
2 I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia
PHOTOELECTRIC FIELDS IN LITHIUM NIOBATE SINGLE CRYSTALS OF DIFFERENT COMPOSITION
Abstract
The values of the photovoltaic and diffusion fields intensities in nominally pure lithium niobate single crystals of stoichiometric (R = Li/Nb = 1) and congruent (R = 0,946) compositions and congruent composition doped with Er3+, B3^ Gd3+, Y3+, Cu2+, Zn2+, Mg2+ cations were determined by the parameters of scattered light at wavelengths 476,5, 488, 514,5 and 532 nm. It is shown that at a wavelength of the exciting radiation 514,5 nm the maximum value of the photovoltaic field is reached. At the same time, stoichiometric crystal is characterized by the lowest value of the photovoltaic field (at 476,5 and 488 nm). With an increase in the wavelength of the exciting radiation (514,5 and 532 nm) crystal LiNbO3:Zn [0,018 wt.%] is possessed by the lowest ones.
Keywords:
lithium niobate single crystal, photorefraction, photovoltaic field, diffusion field. Введение
Контроль свойств монокристаллов ниобата лития (НЛ) путем легирования продолжает оставаться одним из перспективных способов получения новых материалов, обладающих более высокими электрооптическими и нелинейно-оптическими коэффициентами и повышенной стойкостью к фоторефракции.
Ниобат лития является одним из современных и востребованных материалов для создания кристаллов с уникальными электрическими, оптическими и акустическими свойствами. Монокристаллы ниобата лития широко используются на рынке телекоммуникаций, в оптических модуляторах, как нелинейные оптические кристаллы для удвоения частоты лазерного излучения, в нелинейной оптике, устройствах модуляции добротности Q оптического резонатора лазеров, акустооптических устройствах, для изготовления оптических волноводов и т. д. [1-3].
При взаимодействии с лазерным излучением в кристалле возникает пространственное разделение заряда, что является причиной возникновения внутреннего электрического поля, а также локальных изменений показателя преломления an. Последние два фактора приводят к проявлению фоторефрактивного эффекта (ФЭ), который в свою очередь является непосредственной причиной фоторефрактивного (фотоиндуцированного) рассеяния света (ФРРС, ФИРС). По параметрам индикатрисы этого рассеяния можно экспериментально оценить фотоэлектрические поля в кристалле, что необходимо для количественной характеристики фоторефрактивного эффекта. В дальнейшем результаты подобных исследований используются для синтеза функциональных материалов с заданными свойствами [4].
Ниобат лития представляет собой фазу переменного состава, что дает возможность варьировать стехиометрию кристалла и легировать его различными компонентами, а, следовательно, управлять свойствами. Так, например, легирование НЛ катионами «нефоторефрактивных» примесей (Zn, B, Gd, Y, Mg и др.) приводит к уменьшению величины фоторефрактивного эффекта. В свою очередь, легирование катионами «фоторефрактивных» примесей (Cu, Fe и др.) позволяет повысить фоторефрактивный отклик кристалла, что, например, необходимо при использовании НЛ для голографической записи информации.
В данной работе по параметрам рассеянного излучения при длинах волн возбуждающего излучения 476,5, 488, 514,5 и 532 нм были определены значения напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического (R = Li/Nb = 1) и конгруэнтного (R = 0,946) состава, а также конгруэнтного состава, легированных катионами Er3+, B3+, Gd3+, Y3+, Cu2+, Zn2+, Mg2+.
Методика эксперимента
Конгруэнтный кристалл и легированные конгруэнтные кристаллы LiNbO3 выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского на установке «Кристалл-2» по единой методике [5]. Стехиометрический кристалл LiNbOзстех выращивался из расплава с 58,6 мол.% Li2O. Использовалась оригинальная гранулированная шихта ниобата лития с высокой насыпной плотностью, синтезированная в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяющая получать абсолютно бесцветные номинально чистые монокристаллы ниобата лития. Легирующая примесь вводилась в шихту в виде MeO [легирующий металл] квалификации ОсЧ. Неметаллический элемент бор не входит в структуру кристалла LiNbO3, но существенно изменяет свойства расплава, изменяя тем самым структурные и физические характеристики кристалла [5]. Использовалось гомогенное легирование бором прекурсора Nb2O5. Подробно методика роста кристаллов и приготовление шихты описаны в работе [5]. Особое внимание было уделено контролю концентрации следовых количеств примесных многозарядных катионов (Fe, Rh, Cu, и др.), так как их присутствие, наряду с собственными дефектами с локализованными на них электронами, определяют величину ФЭ. Содержание указанных примесей не превышало 5 10-4 ^ 110-3 вес.% [5].
Образцы для исследований имели форму параллелепипедов с ребрами, параллельными кристаллофизическим осям X, Y, Z, а грани тщательно полировались. Ось Z совпадала по направлению с полярной осью кристалла Ps.
Регистрация ФИРС осуществлялась с помощью установки, принципиальная схема которой изображена на рисунке. Излучение лазера Spectra Physics 2018-RM (1) попадает на кристалл (3), который находится в светонепроницаемой камере (2), и рассеивается на нём. Рассеянное излучение регистрируется фотодиодом (4), сигнал с которого поступает на мультиметр (J).
Кристалл устанавливался так, чтобы направление главной оптической оси совпадало с направлением поляризации (вектор Е) лазерного излучения. При таком взаимном расположении оси Z и вектора E сечение рассеянного излучения представляло собой «перевернутую восьмерку». Фотодиод располагался так, что имелась возможность изменять его положение в плоскости падения для измерения угла раскрытия индикатрисы и интенсивности рассеянного излучения при разных углах. Нулевое значение угла определяло направление луча накачки. Отрицательный и положительный углы соответствовали отрицательному и положительному направлениям полярной оси, соответственно.
Сначала фотодиод устанавливался в центральной области картины рассеяния, далее его положение изменяли с шагом в 3° в положительном и отрицательном направлениях и фиксировали показания мультиметра, установленного в режим амперметра. При каждом измерении ожидали стабилизации показания прибора, когда процессы перекачки энергии сводились к минимуму.
Расчет величин фотовольтаического и диффузионного полей в исследованных кристаллах осуществлялся в программе Mathcad 15.0.
Рис. Принципиальная схема экспериментальной установки для определения интенсивности и угла рассеянного излучения
Обработка результатов и выводы
Итоговое значение величин напряжённости фотовольтаического и диффузионного полей определялись по формулам, представленным в работе [6], и сведены в таблицу. Показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей, необходимые для проведения расчётов по работе [6], определялись из эмпирических уравнений, приведенных в [7].
Таблица 1
Значения напряжённости фотовольтаического и диффузионного полей для разных кристаллов при 476,5, 488, 514,5 и 532 нм
№ Кристалл 476,5 нм 488 нм 514,5 нм 532 нм
Еръ кВ/см Ей, кВ/см Epv, кВ/см Ей, кВ/см Epv, кВ/см Ей, кВ/см Epv, кВ/см Ей, кВ/см
1 и№Оз шнг. 4,326 0,249 3,549 0,198 6,232 0,810 5,003 0,052
2 [ИЯЬО3:Ег [3,1 мас.%] 4,295 0,169 3,761 0,047 7,906 0,295 5,515 0,289
3 [1ЫЬО3:Б [0,08 мас.%] 3,914 1,118 5,259 0,550 10,030 0,477 5,46 0,572
4 [ЫЬО3:Оа [0,002 мас.%]:М [0,4 мас.%] 5,089 0,253 4,530 0,224 6,391 0,651 6,139 0,282
5 [ЫЬО3:Оа [0,05 мас.%] 7,224 1,318 4,903 0,015 8,054 1,308 5,613 0,712
6 [ЖЬО3:У [0,46 мас.%] 6,405 0,736 4,934 0,574 11,010 0,577 10,2 0,597
7 [лЯЬО3:7п [2,93 мас.%] 4,611 0,390 3,686 0,285 7,721 0,480 6,885 0,228
8 [лЯЬО3:7п [0,018 мас.%] 6,531 0,951 4,421 0,308 4,819 1,257 2,909 0,278
9 [ЖЬО3:Си [0,007 мас.%] :Оа [0,02 мас.%] 5,258 0,370 4,697 0,274 10,030 0,477 5,848 0,064
10 [ШО) стех. 3,907 0,923 2,979 0,895 6,855 2,508 4,055 1,749
Таким образом, по параметрам индикатрисы рассеянного излучения была проведена количественная оценка напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей в фоторефрактивных монокристаллах ниобата лития разного состава при разных длинах волн возбуждающего излучения. Показано, что наименьшим значением фотовольтаического поля (при 476,5 и 488 нм), определяющего итоговое значение показателя преломления кристалла, характеризуется кристалл стехиометрического состава. При увеличении длины (514,5 и 532 нм) волны возбуждающего излучения наименьшим значением фотовольтаического поля обладает кристалл ЫКЬОз:2п [0,018 мас.%].
Литература
1. Кузьминов Ю. С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 264 с.
2. Сидоров Н. В. Волк Т. Р. Маврин Б. Н. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. М.: Наука, 2003. 255 с.
3. Volk T., Wohlecke M. Lithium Niobate. Defects, Photorefraction and Ferroelectric Switching. Springer, 2008. 258 p.
4. Сюй А. В., Сидоров Н. В., Палатников М. Н., Штарев Д. С., Антонычева Е. А., Гапонов А. Ю., Чехонин К. А. Фотоэлектрические поля в кристаллах ниобата лития // Оптический журнал. 2015. 82 (5). С. 1-5.
5. Бирюкова И. В. Высокотемпературный синтез и модификация свойств сегнетоэлектрических монокристаллов и шихты ниобата и танталата лития: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.01. Апатиты, 2005. 132 с.
6. Goulkov M., Imlau M., Woike Th. Photorefractive Parameters of Lithium Niobate Crystals from Photoinduced Light Scattering // Physical Review B. 2008. 77. 235110. P. 1-7.
7. Гурзадян Г. Г., Дмитриев В. Г., Никогосян Д. Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. М.: Радио и связь, 1991. 160 с.
Сведения об авторах
Шувалова Анастасия Максимовна,
студентка 1 курса
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Россия, 184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 50а, e-mail: shuvanas@gmail.com
Яничев Александр Александрович,
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: yanichev@chemy.kolasc.net.ru
Габаин Алексей Анатольевич,
инженер
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: fleischermed@gmail.com
Shuvalova Anastasiya Maksimovna,
1st Year Student
Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Russia, Apatity, Fersman str., 50a, e-mail: shuvanas@gmail.com
Yanichev Aleksandr Aleksandrovich,
PhD (Physics and Mathimatics), Senior Researcher
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: yanichev@chemy.kolasc.net.ru
Gabain Aleksey Anatol'yevich,
Engineer
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: fleischermed@gmail.com
