CC BY
8ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ H:LINBO3 ВОЛНОВОДОВ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
1 2 11 Салгаева У.О. *, Мушинский С.С. , Козлов А.А. , Москалев Д.Н. ,
Татаринцев А.А. 3, Петухов И.В. 1, Волынцев А.Б. 1
1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь 2 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва E-mail: ulyanasalgaeva@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-373-374
Одной из наиболее распространенных технологий формирования оптических волноводов на подложке из ниобата лития (LiNbO3) является протонный обмен (ПО). Технология ПО изучена и отработана, используется при серийном производстве интегрально-оптических устройств. Однако, продолжаются исследования особенностей структуры протонообменных (H:LiNbO3) волноводов и факторов, оказывающих влияние на характеристики устройства [1].
В настоящей статье описываются особенности канальных H:LiNbO3 волноводов, выявленные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Волноводы изготовлены на X-срезе конгруэнтного LiNbO3 (CQT, Китай). ПО выполнен так, как описано в [2]. Для изготовления канальных волноводов ПО проводился по маске с шириной «окна» 6 мкм. Часть образцов после ПО отожжена на воздухе при 354 °С, 330 мин. На образцы напылен углерод. Исследования проводились на СЭМ Tescan Mira 3, при ускоряющем напряжении 5 кэВ, при котором толщина слоя, в котором происходит обратное рассеяние электронов в LiNbO3, не превышает 200 нм (величина оценена методом Монте-Карло).
Типичный вид отожжённых H:LiNbO3 волноводов приведен на Рис. 1 (по краям H:LiNbO3 волновода находится исходный LiNbO3, который был закрыт защитной маской в ходе процесса ПО).
И ex. ;
< ........>f
LiNbO, .
_!<___________________Ио- L
11:1.¡NliC), волновод
LilNI>0,'
Н:1ЛГЧЬО, волновод
SF. ' '. ^--.гЖ^шаимии- BSF.
SEM HV 5 О KV WD 9 »в mm _I_|_J MIRA! TESCAN
View Held: 10.0 um Det: SE, BSE 5 um
Рис. 1. Типичный вид H:LiNbO3 отожженного волновода в топологическом (SE) и композиционном (BSE) контрастах: сплошной стрелкой обозначена область волновода с четкой, явно наблюдаемой границей, пунктирной стрелкой - область с диффузной границей, стрелкой с двойной линией - исходный LiNbO3
Рассмотрим основные особенности H:LiNbO3 волноводов, обсудим их возможные причины:
1. Слабый топологический контраст: на изображении в топологическом контрасте отожженные и неотожженные H:LiNbO3 волноводы слабо различимы на фоне исходного LiNbO3. Это может быть объяснено тем, что разница по высоте области исходного LiNbO3 и области волновода не превышает 5 нм при используемых режимах формирования и отжига волновода [3];
2. Композиционный контраст (Z-контраст): особый интерес представляет изображение отожженного и неотожженного волноводов в Z-контрасте: область H:LiNbO3 волновода «ярче», характеризуется большей интенсивностью сигнала (большим количеством обратно-рассеянных электронов), чем область исходного LiNbO3, который выглядит более «темным». Наблюдаемый Z-контраст может быть объяснен как:
2а. Различные средние атомные номера Z (далее Z) исследуемых областей: обычно отличие в интенсивности сигнала областей в Z-контрасте объясняется различиями Z: «ярче» выглядят участки с большим Z [4] (в СЭМ типичный Z-контраст составляет 0,1 Z). В ходе ПО формируется HxLi1-xNbO3, где x < 0,15 в а-фазе H:LiNbO3, составляющей волновод, показанный на Рис. 1. В Таблице 1 показаны результаты оценки Z с помощью различных подходов, описанных в [5] (Cj, ßj - весовая и атомная доли).
ВКВ0-202 3 СТЕНДОВЫЕ
Таблица 1. Оценка 1 c помощью подходов, описанных в [5]
^^^^ Формула Z Соединение ^^^^ п z = ^ i=1 п / п Z = i^jaizi i=i / i=i Z = п i = 1 n in 2= i=i / i=i
LiNbO3 28,50 27,68 19,40 37,81
Ho,l5Lio,85NbÜ3 28,65 28,08 19,38 37,83
Из Таблицы 1 видно, что при использовании различных подходов варьируются не только значения Z соединений, но их отношения. Поэтому трактовка наблюдаемого на Рис. 1 результата исходя из отношения Z соединений является спорной.
2б. После ПО в LiNbO3 существенно повышается количество дефектов кристаллической решетки в области волновода и на его границе как следствие наличия в структуре материала протонов в виде примеси замещения (в позициях Li) и внедрения (в междоузлиях решетки), происходит нарушение периодичности кристаллической решетки. На дефектах структуры может происходить упругое рассеяние электронов [6], приводящее к увеличению интенсивности BSE сигнала в области волновода и, как следствие, наблюдению волновода как более «яркой» области на фоне исходного LiNbO3.
3. На изображении в Z-контрасте наблюдаются два типа границ между исходным LiNbO3 и отожженным канальным H:LiNbO3 волноводом: а) «четкая» граница, ограничивающая область шириной 6,5 мкм; б) диффузная граница с плавно изменяющимся градиентом по интенсивности с шириной около 1 мкм с обеих сторон от области с «четкими» границами. Область волновода, ограниченная «четкой» границей, обозначена стрелкой со сплошной линией на Рис. 1, а область с диффузной границей - стрелкой с пунктирной линией. Для границы LiNbO3 - H:LiNbO3 больше характерен диффузный вид (из-за формирования волновода метом ПО). «Четкая» граница LiNbO3 -H:LiNbO3 наблюдается вследствие скачкообразного изменения характера поведения обратно-рассеянных электронов, однако, физическая причина такого поведения не очевидна. Возможно, область с «четкой» границей представляет собой а-фазу H:LiNbO3, сформировавшуюся после отжига ПО волновода, состоящего из ß-фаз H:LiNbO3, а область с диффузной границей - а-фазу H:LiNbO3, сформировавшуюся в ходе отжига при диффузии протонов в область исходного LiNbO3.
C другой стороны, наблюдаемая диффузная граница LiNbO3 - H:LiNbO3 в Z-контрасте может быть следствием того, что сигнал на границе LiNbO3 - H:LiNbO3 формируется за счет обратного рассеяния электронов и в области LiNbO3, и в области H:LiNbO3 волновода (из-за грушеобразного профиля проникновения и обратного рассеяния электронов). Об аналогичном эффекте упоминается в [4], отмечается «размытие» границ фаз в Z-контрасте.
4. В топологическом и Z-контрастах в области отожженного H:LiNbO3 волновода наблюдаются линейные протяженные дефекты («полосы»), оканчивающиеся на границе области LiNbO3 - H:LiNbO3 с «четкими» границами. Эти дефекты ориентированы преимущественно в одном направлении. С одной стороны, наблюдаемые дефекты несколько схожи с дефектами, описанными в [7, 8] и связываемыми с преципитацией одной из фаз в виде пластинчатых областей с более высоким содержанием протонов. С другой стороны, эти дефекты могут быть следствием протекания ПО и отжига на дефектах полировки несколько отличным от основного материала образом. Наличие Z-контраста между наблюдаемыми линейными протяженными дефектами и основным материалом волновода может быть связано с отличающейся геометрией рассеяния электронов.
Насколько известно авторам, выявленные в настоящей работе особенности H:LiNbO3 волноводов ранее не описывались другими исследовательскими группами. В работе приведены различные гипотезы, потенциально объясняющие обнаруженные особенности H:LiNbO3 волноводов. Однако, для однозначной трактовки полученных результатов требуется проведение дополнительных исследований.
Литература
1. Sosunov A., et al, SSRN. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4449974 (2023)
2. Салгаева У.О., Волынцев А.Б., Мушинский С.С., Вестник Пермского университета 1, 12-39 (2021)
3. Azanova I., et al, Ferroelectrics 374, 110-121 (2008)
4. Lloyd G., MineralogicalMagazine 51, 3-19 (1987)
5. Howell P.G.T., Davy K.M. W, Boyde A, Scanning 20, 35-40 (1988)
6. Абрикосов А.А. Основы теории металлов (1987)
7. Азанова И. и др., Физика твердого тела 48(6), 993-995 (2006)
8. Петухов И. и др. Конденс. среды и мефазн. границы 14(1), 119-123 (2012)
