CC BY
83
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №6
ФИЗИКА
УДК 535.361
Член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов, Н.Н.Раупов,
М.Умаров
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА КРИСТАЛЛА НИОБАТА ЛИТИЯ
1. Введение
Нелинейные сегнетоэлектрические кристаллы с октаэдрическими группами КЬ06 в настоящее время широко применяются в приборах твердотельной электроники в качестве модуляторов удвоительной частоты излучения, резонаторов, фильтров и т.д.
В соответствии с современными теоретическими представлениями [1-3] физические свойства сегнетоэлектриков непосредственным образом связаны с колебательными спектрами. Одним из наиболее эффективных методов исследования таких спектров в настоящее время является лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния (КР). Ее возможности существенно возросли в последнее время в связи с появлением малошумящих голографических дифракционных решеток, новых высокочувствительных фотоприемников и современных методов численной обработки спектральных данных; в настоящее время имеются возможности локальной регистрации спектра КР от микрообразцов, сильно рассеивающих или поглощающих свет кристаллов. Методы спектроскопии КР активно разрабатываются и для контроля степени дефектности кристаллов LiNbOз [4,5]. В то же время в недавней теоретической работе [6] было показано, что внесение дефектов в решетку ниобата лития должно существенно модифицировать плотность низкочастотных двухфононных состояний (соответствующий им максимум в спектре КР ранее был идентифицирован в области 120 см-1[7]). Можно ожидать, что интенсивность этого максимума будет чувствительна к качеству структуры кристалла, и качественно такая зависимость отмечалась в [4], однако систематических исследований этого эффекта ранее не проводилось.
Отметим, что структура кристалла LiNbO3 допускает существование большого набора дефектов различной природы; их идентификация представляет собой достаточно сложную самостоятельную задачу. В связи с этим для практических приложений удобно выбрать некоторый интегральный макроскопический физический параметр, характеризующий качество кристалла. Одним из таких параметров является акустическая добротность, определяющая затухание акустических волн в кристалле. Очевидно, что она напрямую связана с качеством кристаллической решетки, и методы ее прямого измерения с использованием пьезорезонансной методики, достаточно хорошо разработаны (см., например, [8-10]).
В связи с этим в данной работе была поставлена задача исследования интенсивности КР на низкочастотных бифононных состояниях в кристаллах ниобата лития в зависимости от акустической добротности кристаллов при комнатной температуре.
Ниобат лития - ЫЫЬ03 представляет собой одноосный отрицательный кристалл. Основу элементарной ячейки этого кристалла при комнатной температуре составляют слегка деформированные кислородные октаэдры 06, соединяющиеся между собой таким образом, что у них имеется общие грани и ребра. На рис.1 показан общий вид элементарной ячейки ниобата лития вдоль полярной оси Ъ согласно [7]. В центре октаэдра находятся ионы №>; ионы Ы находятся вдоль оси Ъ. Кислородные атомы лежат в слоях, перпендикулярных оси Ъ и отстоящих друг от друга на 1/6 периода решетки вдоль оси Ъ. Пространственная группа симметрии ниобата лития в низкотемпературной фазе есть С3у6 (Я3е), Z = 2. Разложение колебательного представления на неприводимые в центре зоны Бриллюэна имеет вид:
Г = 5А1 + 5А2 +10Е,
где по одному из колебаний типов А1и Е являются акустическими. В спектрах КР активны моды типов А1 (в диагональных компонентах тензора КР) и Е (в хх, уу, ху, хг, уг компонентах тензора КР). Чтобы избежать перемешивания компонент спектра за счет эффектов двулуче-преломления, образцы вырезались в виде прямоугольных параллелепипедов с гранями, параллельными кристаллографическим осям, и исследовалась гг компонента тензора КР (Х(2Т)У геометрия рассеяния), соответствующая колебаниям типа А1(ТО).
Образцы были изготовлены из искусственных монокристаллов ниобата лития различных кристаллизаций; качество кристаллов контролировалось по их акустической добротно-
2. Эксперимент
сти Q, которая была предварительно измерена пьезорезонансным методом [9,10] и дополнительно - оптическим ме-
Ф тодом [11,12], основанном на измерении интенсивности кри-
• МЬ и
тическои опалесценции.
о и г „
Спектр регистрировался на автоматизированной уста-
новке, созданной на базе двойного КР спектрометра ДФС-24 с фотоэлектрической регистрацией спектра (ФЭУ-79), спектральная ширина щелей - 1 см-1. Возбуждение осуществлялось поляризованным излучением Лг+ лазера (514.5 нм,
3. Результаты исследований спектров КР и обсуждение
Низкочастотная область полученных спектров КР кристаллов ниобата лития с различными значениями добротности показана на рис. 2.
В спектре наблюдается интенсивная полоса в области 260 см-1, которая представляет собой дублет с частотами 254 и 281 см-1. Согласно [4], эти две интенсивные линии относятся к фундаментальным колебаниям ионов ЫЬ5+, находящихся в центре октаэдра №О6, и ионов Ы+, вдоль полярной оси; первая из них является мягкой фононной модой, восстанавливающейся ниже точки сегнетоэлектрического фазового перехода. Наблюдается слабая полоса типа Е с частотой О = 153 см-1, запрещенная правилами отбора для Х(27)У геометрии рассеяния, но очень интенсивная в других геометриях эксперимента; ее появление в этой геометрии рассеяния было связано с изменением показателя преломления кристалла под действием лазерного излучения накачки. Самая низкочастотная линия в области 120 см-1 соответствует связанному состоянию (бифонон) двух акустических фононов с суммарным волновым вектором, равным нулю [13].
На рисунке отчетливо видно, что интенсивность этого максимума закономерно и весьма значительно, в несколько раз, изменяется с изменением добротности образца. Для уточнения этой зависимости были проведены дополнительные исследования спектров КР: с использованием программного пакета Б1§шаР1о1 9.0 было проведено разделение частично перекрытых контуров в данном частотном интервале и определены относительные интенсивности спектральных линий (интенсивность линии 335 см-1 принималась за единицу). Отметим, что для всех исследованных образцов положение всех спектральных линий, включая и линию 0=120 см-1, остается практически неизменным (в пределах 1-2 см-1), тогда как интенсивность этого максимума меняется в несколько раз. Зависимость интенсивности этого максимума от величины добротности образца Q показана на рис. 3.
Как видно из рис.2, зависимость спектральной интенсивности I этого максимума от величины акустической добротности Q близка к линейной. Отметим, что, по данным [4], в спектрах высокосовершенных кристаллов ниобата лития стехиометрического состава максимум в
Рис.2 Спектры КРС А1 (ТО) фононов X (ЪЪ) У геометрии для различных кристаллов ниобата лития с определенными добротностями Q.
области 120 см-1 вообще отсутствует.
Тщательные экспериментальные исследования температурной зависимости интенсивности этого максимума [13,14] показали, что он соответствует двухфононным возбуждениям, а его форма контура характерна для резонанса Ферми - наиболее вероятно, что такой резонанс возникает между континуумом двухфононных акустических состояний и мягкой оптической модой 254 см-1. Более поздние экспериментальные результаты по КР на поляритонах [15] и интерпретация данных по рассеянию медленных нейтронов [13] согласуются с этой точкой зрения.
В [4] высказывалось предположение, что внесение дефектов в структуру ниобата лития может вызывать изменение интенсивности этого спектрального максимума за счет смещения частоты мягкой моды. Однако, как показывают результаты эксперимента (рис. 2), наблюдаемое изменение интенсивности с этим не связано, так как частота мягкой моды в спектрах КР всех исследованных образцов остается практически неизменной.
В то же время в [6] отмечалось, что внесение дефектов должно модифицировать сам спектр двухфононных состояний, существенно увеличивая их плотность на высокочастотном краю зоны. Можно предположить, что именно этот эффект и является причиной наблюдаемого роста интенсивности максимума при 120 см-1 с ростом дефектности (и соответствующим падением акустической добротности) кристаллов ниобата лития.
Как видно из рис.3, с ростом добротности резонаторов ^) её интенсивность падает и имеет линейную зависимость.
Полученные результаты позволяют по спектрам КРС точно идентифицировать кристаллы ниобата лития со стехиометрическим составом и определить степень отклонения состава кристалла от стехиометрического. В спектрах высокосовершенных кристаллов стехиометрического состава, в которых порядок расположения катионов вдоль полярной оси близок к идеальному (Ы+КЬ5+, вакантный октаэдр), максимум в области 120-1 вообще отсутствует.
4 . Выводы
Таким образом, проведенные исследования показали, что наблюдаемый в спектрах КРС кристаллов ниобата лития низкочастотный максимум в области ~120 см-1, соответст-
Рис.3 Зависимость интенсивности частоты 120 см-1 в кристаллах ниобата лития от добротности Q при комнатной температуре.
вующий связанному состоянию двух акустических фононов, весьма чувствителен к изменению добротности кристаллов. Получена зависимость добротности от интенсивности этого максимума, что позволяет оценить акустическую добротность образца по данным спектральных измерений. Предполагаемой причиной изменения его интенсивности является модификация плотности двухфононных состояний под влиянием дефектов решетки кристалла.
Худжандский научный центр Поступило 19.12.2006 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Cochran W. - Adv. Phys., 1961, v.10, №40, p. 401-420.
2. Гинзбург В.Л., Леванюк А.П., Сабянин А.А. - Успехи физ. наук. 1980, т.130, № 4, с.615-673.
3. Ginzburg V.L., Levanyuk A.P., Sobyanin A.A. - Phys. Reports. 1980, v.57, р.151-240.
4. Сидоров Н.В., Волк Т.Р., Маврин Б.Н., Калинников В.Т. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. М.: Наука, 2003, 420 с.
5. Палатников М.Н., Сидоров Н.В., Калинников В.Т. Сегнетоэлектрические твердые растворы на основе оксидных соединений ниобия и тантала. СПб.: Наука, 2001, 394 с.
6. Аникьев А.А., Едгорбеков Д.Е. - ФТТ, 1999, т.41, №1, с.130-135.
7. Johnston W.D., Jr. and Kaminov J.P. - Phys.Rev., 1968, v.168, №5, р.1045-1054.
8. Шаскольская М.П.. Акустические кристаллы. М.: Наука, 1980, 528 с.
9. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970, 183 с.
10. Кварц искусственный пьезоэлектрический однородный в виде секции из кристаллов и блоков. ТУ 11-ОДО 338.044 ТУ-83.
11. А.с. 1685147 СССР, МКН G 01 №21/21. Способ определения добротности кристаллов пьезокварца/ А.А.Аникьев, М.Умаров (СССР). - №4696590; Заявл. 29.05.89; Опубл. 15.06.91. - 4 с.
12. Аникьев А.А., Умаров М. - ФТТ, 1994, т.36, №6, с.1650-1654.
13. Аникьев А.А., Горелик B.C., Умаров Б.С. Комбинационное рассеяние света на акустических би-фононах в ниобате лития при различных температурах. Препринт ФИАН СССР. № 154. М., 1984, 24 с.
14. Горелик В.С. - Труды ФИАН, 1982, т.132, №15, с.78-95.
15. Атабаев Ш., Поливанов Ю.Н. - ФТТ, 1987, т.180, №1, с.1165-1170.
С.Н.Каримов, Н.Н.Раупов, М.Умаров ТАДЦИЦОТИ CnEKTPX,OH ПАFGKАНИШИ РУШНОИИ KGМБИНАTCИGНИИ KFИCTАЛЛИ НИОБАТИ ЛИТИЙ
Даp ин мак;ола спектpx,ои паpоканиши pyшноии комбинатсионии кpисталли ниобати литий дар x,аpоpати хонагй омухта шyдааст. Пас аз омузиши чандинкаpата маълyм гаштааст, ки даp худуди лаппиши панжаpаи атомии LiNb03, ки зyддиаш хypд мебошад, лаппиши иловагй пайдо мешавад ва паpаметpx,ои вай бо сифати ^исталли омухташаванда (фаъолнокиаш) вобаста мебошад. Исбот каpда шуд, ки байни вобаста-гии фаъолнокии кpисталли LiNb03 ва бyзypгии интенсивияти лаппиши иловагии пай-дошаванда алокдмандии зич доштааст.
S.N.Karimov, N.N.Raupov, M.Umarov RESEARCH SPECTRUM OF THE RAMAN SCATTERING OF LIGHT THE CRYSTAL NIOBATE LITHIUM
This work represents the research spectrum of Raman scattering of light crystal niobate lithium in room temperature. As a repeated researches there was revealed that low-intensity maximum can be observed in low-frequency area of Raman scattering LiNbO3 crystal spectrum/ we have proved that there is a direct relation between the intensity of observed peak and Q-factor of LiNbO3 crystal.
