Научная статья на тему 'Особенности оптических характеристик монокристаллов ниобата лития различного химического состава'

Особенности оптических характеристик монокристаллов ниобата лития различного химического состава Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
1222
142
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КРИСТАЛЛЫ / ЛЕГИРОВАНИЕ / НИОБАТ ЛИТИЯ / КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ / ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ / γ-ОБЛУЧЕНИЕ / СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ И КОНГРУЭНТНЫЙ СОСТАВЫ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Палатников М. Н., Сидоров Н. В., Макарова О. В.

Методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), абсорбционной и эмиссионной спектроскопии исследованы оптические характеристики и упорядочение структурных единиц катионной подрешетки номинально чистых кристаллов ниобата лития (LiNbO3) конгруэнтного и стехиометрического составови легированных в широком диапазоне концентраций легирующей добавки кристаллов LiNbO3 : Ме (Ме: Gd, Mg, B). Кроме того, исследованы оптические характеристики γ -облученных кристаллов ниобата лития LiNbO3 : Gd (0.02-0.52 мас. %) и LiNbO3 : Mg (0.27 мас. %)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Палатников М. Н., Сидоров Н. В., Макарова О. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PARTICULARITIES OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF LITHIUM NIOBATE SINGLE CRYSTALS WITH DIFFERENT CHEMICAL COMPOUND

Lithium niobate (LiNbO3) crystals, stoichiometric and congruent, pure and doped (LiNbO3 : Ме, where Ме: Gd, Mg, B) have been studied by Raman, absorption and emission spectroscopy to investigate optical characteristics and cation sublattice units order. Optical characteristics of γtreated LiNbO3 : Gd (0.02-0.52 wt. %) and LiNbO3 : Mg (0.27 wt. %) were also researched

Текст научной работы на тему «Особенности оптических характеристик монокристаллов ниобата лития различного химического состава»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 546.34.882.4.535.361

ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ РАЗЛИЧНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

М. Н. Палатников, Н. В. Сидоров, О. В. Макарова

ФГБУН Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН

Аннотация

Методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), абсорбционной и эмиссионной спектроскопии исследованы оптические характеристики и упорядочение структурных единиц катионной подрешетки номинально чистых кристаллов ниобата лития (LiNbO3) конгруэнтного и стехиометрического составови легированных в широком диапазоне концентраций легирующей добавки кристаллов LiNbO3 : Ме (Ме: Gd, Mg, B). Кроме того, исследованы оптические характеристики /-облученных кристаллов ниобата лития LiNbO3 : Gd (0.02-0.52 мас. %) и LiNbO3 : Mg (0.27 мас. %). Ключевые слова:

кристаллы, легирование, ниобат лития, комбинационное рассеяние, фоторефрактивный эффект, у-облучение, стехиометрический и конгруэнтный составы.

PARTIC ULARITIES OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF LITHIUM NIOBATE SINGLE CRYSTALS WITH DIFFERENT CHEMICAL COMPOUND

Mikhail N. Palatnikov, Nikolay V. Sidorov, Olga V. Makarova

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS

Abstract

Keywords:

Lithium niobate (LiNbO3) crystals, stoichiometric and congruent, pure and doped (LiNbO3 : Me, where Me: Gd, Mg, B) have been studied by Raman, absorption and emission spectroscopy to investigate optical characteristics and cation sublattice units order. Optical characteristics of y-treated LiNbO3 : Gd (0.02-0.52 wt. %) and LiNbO3 : Mg (0.27 wt. %) were also researched.

crystals, doping, lithium niobate, Raman stoichiometric and congruent compounds.

spectroscopy, photorefractive effect, y-treating,

Введение

На протяжении многих лет кристалл ниобата лития (НЛ) привлекает внимание специалистов интегральной и нелинейной оптики, акустоэлектроники, квантовой электроники, физики твердого тела [1-4]. В тоже время монокристаллы LiNbO3 относятся к важнейшим пьезоэлектрическим, пироэлектрическим и сегнетоэлектрическим материалам и находят широкое применение в различных областях науки и техники. Использование этих материалов в нелинейной, поляризационной и интегральной оптике, лазерной технике, оптоэлектронике во многом определяется качеством кристаллов, а именно их высокой оптической однородностью и стойкостью к оптическому повреждению. По данным исследований компании "Business Communications Co. Inc.", мировой рынок

кристаллов НЛ в 2017 г. достигнет порядка 16 млрд долл. США. Основным потребителем кристаллов LiNbO3 высокого оптического качества являются фирмы, производящие комплектующие для телекоммуникационного оборудования. Для них особенно важным является получение оптических материалов с контролируемыми оптическими свойствами, в частности с чрезвычайно высокой стойкостью к оптическому повреждению. Поиск стойких к оптическому повреждению материалов на основе кристаллов LiNbO3 осуществляется, в частности, путем их легирования нефоторефрактивными примесямис получением кристаллов LiNbO3 : Ме (Me: Zn, Mg, In, Gd, Sc, В).

Таким образом, кристаллы LiNbO3, обладающие удачным сочетанием электрооптических, пироэлектрических, пьезоэлектрических и нелинейнооптических характеристик, относятся к числу материалов, формирующих новейшие направления электроники, акусто-и оптоэлектроники, нелинейной, интегральной и лазерной оптики, систем связи и автоматики, оптических запоминающих сред.

Существенной особенностью ниобата лития является наличие широкой области гомогенности на фазовой диаграмме. Причем состав конгруэнтного плавления кристаллов не совпадает со стехиометрическим. Такие структуры обычно отличаются значительной пространственной неоднородностью и сложным спектром точечных и протяженных дефектов, создающих сложный трудномоделируемый структурный беспорядок [1-4]. Физические характеристики подобных кристаллов, особенно оптические, в значительной степени определяются особенностями формирования дефектности различных подрешеток структуры, часто закладываемыми на стадии приготовления шихты и стадии роста кристаллов. В этой связи отработка технологических режимов синтеза шихты, способов легирования, методов выращивания кристаллов LiNbO3, разработка комплекса эффективных методов контроля качества материала, а также изучение оптических свойств и структурных особенностей разупорядочения кристалла ниобата лития в зависимости от состава представляют существенный интерес для создания оптических материалов с заданными физическими параметрами.

В работе методами спектроскопии комбинационного рассеяния света, абсорбционной и эмиссионной спектроскопии исследованы оптические характеристики и упорядочение структурных единиц в катионной подрешетке номинально чистых и легированных кристаллов ниобата лития конгруэнтного и стехиометрического составов, полученных различными методами.

Методика эксперимента

На практике обычно используют кристаллы LiNbO3 конгруэнтного состава как наиболее однородные по составу вдоль оси роста кристалла. Однако для целого ряда практических приложений кристаллы LiNbO3 стехиометрического состава (Li/Nb = 1) имеют существенные преимущества перед кристаллами конгруэнтного состава [5-7]. Применение кристаллов ниобата лития стехиометрического состава для создания различных оптических устройств требует разработки методов контроля степени структурного совершенства и состава таких кристаллов.

Кристаллы LiNbO3 конгруэнтного состава выращивались методом Чохральского из расплава, содержащего 48.6 mol. % Li2O. Легирование проводилось путем добавления соответствующего оксида в шихту или в реэкстракт в процессе экстракционного передела технической гидроокиси ниобия в высокочистую. В последнем случае получали гомогенно легированный прекурсор Nb2O5 : В, который далее использовался для синтеза шихты ниобата лития. Стехиометрические монокристаллы ниобата лития получали из расплавов, обогащенных по Li2O (Czocralski, CZ) [1, 4], и из расплавов конгруэнтного состава, содержащих оксид калия (high temperature top seeded solution growth, HTTSSG) [8-10].

Для регистрации спектров КРС и катодолюминесценции (15 кВ, 50 нА) из монокристаллических блоков вырезали образцы в виде параллелепипедов размерами 7 х 8 х 9 мм, ребра которых совпадали по направлению с кристаллографическими осями. Грани

параллелепипеда тщательно полировали. Спектры КРС регистрировали спектрометрами ДФС-24 и Яашапог Ш000 при возбуждении линией 514.5 нм ионногоАг+-лазера ГЬЛ-120. Кристаллы облучались также у-квантами от источника Со60 на установке МРХ-у-20. Дозы облучения составляли ~ 103-106 рад. Мощность дозы составляла 47 рад/сек. Исследования спектров пропускания были проведены с помощью спектрофотометра СФ-26.

Результаты и их обсуждение

Авторами ранее были выполнены исследования спектров комбинационного рассеяния света (КРС) и детальный анализ структурных особенностей катионной подрешетки кристаллов ниобата лития различного химического состава (номинально чистых и легированных)[11-14]. Обосновано предположение о том, что в катионной подрешетке кристаллов с составом, отличным от стехиометрического, на основе собственных и примесных дефектов формируется упорядоченная подрешетка кластерных дефектов, которая дает свой колебательный спектр КРС в виде малоинтенсивных («лишних») линий, отличающийся от спектра фундаментальных колебаний (рис. 1). Показано, что такая подрешетка дефектов отсутствует в кристаллах стехиометрического состава [11-14].Установлено, что максимум в спектре КРС кристалла ниобата лития в области 100-120 см-1, соответствующий двухчастичным состояниям акустических фононов с суммарным волновым вектором, равным нулю, чувствителен к тонким особенностям структурного упорядочения катионной подрешетки. Изменение параметров этого максимума может осуществляться в случаях, когда можно эффективно изменять значение частот и ширин линий, соответствующих наиболее низкочастотным полносимметричным фундаментальным фононам, с изменениемтем самым ангармонического взаимодействияфундаментальных мод как друг с другом, так и с двухчастичными акустическими возбуждениями за счет резонанса Ферми. Такое воздействие на спектр можно осуществлять, в частности, путем изменения степени упорядочения структурных единиц в катионной подрешетке ниобата лития за счет варьирования дефектности кристалла, например путем изменения стехиометрии (величины R = Li/Nb) или легирования. Эффект воздействия примеси на колебательный спектр кристалла, очевидно, будет определяться видом примеси и способом ее вхождения в кристаллическую решетку.

Ч •

=

н о

V, см- 900

600 500

Рис. 1. Фрагмент спектра КРС монокристалла ниобата лития конгруэнтного состава. «Лишние» линии помечены стрелками

На рисунке 2 представлены фрагменты спектров монокристаллов ниобата лития различного химического составав области 100-150 см-1. В этой области в спектре номинально чистых кристаллов конгруэнтного состава ^ = 0.946) в геометрии рассеяния Х(ZZ)Y (активны фононы А1(ТО) типа симметрии) наблюдается широкий максимум, расщепленный на два компонента с частотами ~ 103 и 117 см-1, (рис. 2, кривая 4), соответствующий двухчастичным состояниям акустических фононов с суммарным волновым вектором, равным нулю, интенсивность которого почти на два порядка меньше интенсивности дублета (с частотами 255 и 275 см-1), соответствующего полносимметричным фундаментальным колебаниям ионов №5+ и Li+ вдоль полярной оси [11-14]. В спектре КРС кристаллов стехиометрического состава, в которых порядок расположения катионов вдоль полярной оси близок к идеальному ^Г, №5+, вакантный октаэдр), этот максимум отсутствует (рис. 2, кривая 7). При этом в спектре КРС стехиометрического кристалла ширина линий, соответствующих фундаментальным фононам с частотами 255 и 275 см-1, минимальна. Добавление в кристалл стехиометрического состава небольших количеств легирующих добавок нарушает порядок расположения катионов вдоль полярной оси и приводит к появлению малоинтенсивных максимумов 103 и 117 см-1 (рис. 2, кривая 3). Внедрение небольших количеств нефоторефрактивных катионов (Б , Mg , Zn , Gd ) в структуру кристалла конгруэнтного состава вызывает сначала увеличение по сравнению с номинально чистым кристаллом расщепления максимума в области 100-150 см-1 на два компонента — 103 и 117 см-1 (рис. 2, кривая 5). При более сильном легировании эти линии сливаются в максимум с частотой 120 см-1 (рис. 2, кривая 6), интенсивность и ширина которого возрастают с увеличением концентрации легирующей добавки и, соответственно, дефектности кристалла. Этот факт однозначно свидетельствует об упорядочении катионной подрешетки кристалла конгруэнтного состава при определенных сравнительно небольших концентрациях (~ 0.02-0.5 мас. %) некоторых примесей.

Рис. 2. Фрагменты спектров КРС монокристаллов ниобата лития различного химического состава в области 100-150 см-1. Т = 293 &

1 — кристалл стехиометрического состава, выращенный методом CZ;

2 — кристалл, близкий по составу к стехиометрическому, выращенный методом HTTSSG; 3 — кристалл стехиометрического состава, легированный Gd3+ (0.001 мас. %); 4 — кристалл конгруэнтного состава; 5 — кристалл конгруэнтного состава, легированный Mg2+ (0.36 мас. %); 6 — кристалл конгруэнтного состава, легированный Gd3+ (0.25) и Mg2+ (0.75 мас. %)

Можно констатировать, что максимум в спектре КРС кристалла ниобата лития в области 120 см-1, соответствующий двухчастичным состояниям акустических фононов, чрезвычайно чувствителен к структурному упорядочению катионной подрешетки как номинально чистых, так и легированных кристаллов и, следовательно, является индикатором состояния их дефектной структуры. Отсутствие в спектре КРС максимума в области 120 см-1, очевидно, может быть принято, как экспериментальный критерий соответствия структуры кристалла ниобата лития структуре кристалла стехиометрического состава. Не только легирование, но и любое (даже незначительное) отклонение

от стехиометрии приводит к появлению в спектре этого максимума. Так, в работе [8] было установлено, что при выращивании стехиометрических кристаллов ниобата лития методом HTTSSG из расплавов, в которых отношение Li/Nb соответствует составу конгруэнтного плавления (R = 0.946), кристалл с R = 1 может быть получен, если содержание оксида

-1

X(ZZ)Y

150

100

50 V, см

калия в расплаве составляет ~ 6 мас. %. При большем содержании К2О происходит кристаллизация двух фаз, а при меньшем — кристаллизуется Ы1ЧЬ03, дефицитный по литию по отношению к стехиометрическому, т. е. кристалл с R < 1. На рис. 2 (кривые 1 и 2) представлены спектры КРС в области двухчастичных состояний акустических фононов истинно стехиометрического кристалла, выращенного методом CZ из расплава, обогащенного по литию (кривая 1), в которых R = 1, и монокристалла, выращенного методом HTTSSG из конгруэнтного расплава с добавлением 5 мас. % оксида калия (кривая 2). В этом кристалле R < 1, хотя его состав и весьма близок к стехиометрическому. Отчетливо видно, что в спектре второго кристалла в интересующей нас области частот наблюдается малоинтенсивный широкий континуум, что как раз и свидетельствует о незначительном отклонении состава кристалла от стехиометрического.

Главной целью легирования сегнетоэлектрических кристаллов считается направленное изменение или стабилизация свойств основной фазы. Нами показано, что улучшить физические параметры кислородно-полиэдрических сегнетоэлектриков (таких как кристаллы ниобата лития) можно, повысив степень структурного упорядочения катионной подрешетки вдоль полярной оси путем легирования [12, 13]. По спектрам КРС установлено, что примесные катионы с ионными радиусами, близкими к радиусам основных катионов и №5+), и зарядами, промежуточными между зарядами основных катионов (1 < Z < 5) в области малых концентраций, оказывают упорядочивающее воздействие на катионную подрешетку конгруэнтного кристалла ниобата лития [11-14]. Кроме того, легирующие катионы не должны обладать нестабильной переменной валентностью (Си+ — Си2+, Бе2+ — Бе3+ и т. п.), поскольку в этом случае резко увеличиваются фоторефрактивный эффект и оптическое поглощение.

С№), вес.%

С^), вес.% 0.440 0.260 0.05 0.002

780 630

V, см

Х^Х)У

С, вес.% Об Mg 0.250 0.750

0.001 0.650 0.230 0.510

780 630

V, см

С(В),вес.% 0.12"

Рис. 3. Фрагменты спектров КРС в области колебаний кислородных октаэдров монокристаллов ниобата лития конгруэнтного состава, легированных Mg Gd (б); Gd + М^ (в) и В (г, * — монокристалл легирован путем добавления оксида бора в шихту). T = 293 К

б

а

580

580

0.000

780

480

780

630

480

630

V, см

V. см

580

в

580

480

480

Таким образом, при легировании катионами, обладающими указанными выше характеристиками, в определенном диапазоне сравнительно малых концентраций (~ 0.02-0.5 мас. %) упорядочение катионной подрешетки монокристалла ниобата лития существенно возрастает [12, 13]. При этом заметно возрастает стойкость кристалла к фотоиндуцированному изменению показателя преломления. На рис. 3 приведены фрагменты спектров КРС в области колебаний кислородных октаэдров легированных кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава. В этом диапазоне в спектре реальных кристаллов ниобата лития в геометрии рассеяния X(ZX)Y наблюдаются две интенсивные линии — 580 см-1Е(ТО) и 635 см-1 А1(ТО). Причем линия 635 см-1 А1(ТО) запрещена для данной геометрии рассеяния и проявляется в спектре вследствие фоторефракции. Эффект уменьшения интенсивности линии с частотой 635 см-1 свидетельствует о понижении фоторефракции при легировании кристалла и хорошо коррелирует с обнаруженным нами упорядочением катионной подрешетки вдоль полярной оси для этого диапазона концентраций легирующих примесей. Именно в этом диапазоне концентраций примесей наблюдаются наиболее заметное расщепление на два компонента (линии с частотами 103 и 117 см-1) линии в области 100-150 см-1, обусловленной рассеянием света на двухчастичных акустических фононах, и заметное уменьшение ширин некоторых фундаментальных линий КРС, свидетельствующие об упорядочении структуры. Таким образом, фоторефракция минимальна в кристаллах ниобата лития, отличающихся повышенным структурным упорядочением катионов вдоль полярной оси. Этот факт может свидетельствовать об уменьшении количества заряженных структурных дефектов при увеличении степени структурного совершенства кристалла. Наоборот, фоторефракция возрастает, когда при увеличении концентрации внедряющиеся примеси не только увеличивают разупорядочение катионной подрешетки, но и деформируют кислородный каркас кристалла, что, соответственно, приводит к увеличению интенсивности линии 635 см-1 (рис. 3, а, б, в) и уширению линий, соответствующих фундаментальным колебаниям кислородных октаэдров. При этом количество заряженных структурных дефектов, очевидно, возрастает. Таким образом, в упорядоченных кристаллах, отличающихся меньшим количеством заряженных дефектов, при освещении кристалла возникает меньшее число фотоэлектронов, которые захватываются в дальнейшем на глубокие ловушки. Соответственно, меньше становятся нескомпенсированные электрические поля, влияющие на показатель преломления, и уменьшается фоторефрактивный эффект. С другой стороны, в работе [15] установлено, что нефоторефрактивные примеси (Mg2+, Gd3+, Zn2+, В3 ) в ниобате лития могут образовывать мелкие электронные ловушки, например, «комплекс Мg+», который представляет собой ион Мg2+ на месте Li+ с делокализованным на ряде окружающих ионов электроном [16]. При этом заметно снижается фоторефрактивный эффект за счет повышения эффективности излучательной рекомбинации фотовозбужденных носителей без их захвата на глубокие уровни. Эффективность такой рекомбинации в значительной степени определяет интенсивность люминесценции в таких легированных кристаллах. В экспериментах авторов настоящей статьи использование катодного возбуждения позволило получить интенсивность свечения ниобата лития существенно большую, чем, например, при возбуждении УФ-светом, что облегчило получение более определенных данных о влиянии состава образца на интенсивность люминесценции. Спектральное распределение катодолюминесценции кристаллов LiNЪО3 : Оё различного состава см. на рис. 4. На спектральных кривых выделяется пик с максимумом в области энергий ~ 2.5 эВ (подобный пик наблюдался и в работе, исследовавшей кристаллы LiNЪО3 : Мg и LiNЪО3 [15]). Причем наибольшая интенсивность люминесценции наблюдается для образца с концентрацией гадолиния ~ 0.05 мас. %, в спектре КРС которого минимальна интенсивность «запрещенной» в геометрии X(ZX)Y линии с частотой 635 см-1 (рис. 3, б) и, следовательно, минимальна фоторефракция. Таким образом, монокристаллы, характеризующиеся более упорядоченным расположением катионов вдоль полярной оси, обладают максимальной интенсивностью люминесценции и повышенной стойкостью к фотоиндуцированному изменению показателя преломления. Следовательно, между

упорядочением структурных единиц и состоянием электронной подсистемы кристалла наблюдается существенная связь.

Более того, весьма заметное влияние на прочность монокристаллов к фотоиндуцированному изменению показателя преломления может оказывать способ легирования. Так, легирование кристаллов ниобата лития бором осуществлялось как традиционным методом — путем добавления оксида бора в шихту перед наплавлением тигля, так и путем добавления легирующей примеси в реэкстракт при получении особо чистого пентаоксида ниобия. В последнем случае боросодержащий реагент (борную кислоту) вводили непосредственно в ниобиевый реэкстракт, полученный в процессе экстракционного передела технического гидрооксида ниобия до высокочистого. Промытый деминерализованной водой гидрооксид ниобия сушили и затем прокаливали до получения гомогенного прекурсора — пентаоксида №2О5 : В. С использованием №2О5 : В была синтезирована шихта ниобата лития, из которой затем была выращена серия кристаллов LiNbОз : В. В кристаллах LiNbОз : В, легирование которых происходило с использованием гомогенного прекурсора №2О5 : В, фоторефракция была существенно меньше, чем в номинально чистых кристаллах LiNbО3 конгруэнтного состава, выращенных в тех же условиях, а в кристаллах же LiNbО3 : В, легированных путем добавления оксида бора в шихту, — существенно больше (рис. 3, г). В последнем случае интенсивность «запрещенной» линии 635 см-1 существенно выше, чем у номинально чистого кристалла LiNbО3 конгруэнтного состава (рис. 3, г). Можно констатировать, что методы легирования, позволяющие достичь максимальной степени химической гомогенности легированного кристалла LiNbО3, в значительной степени определяют возможность получения кристаллов, обладающих повышенной стойкостью к повреждению лазерным излучением.

I, отн. ед.

300

41

.-"•'АЗ \/

3 Ч. V

200

100

1 — 0.05 мас. %; 2 — 0.4 мас. %; 3 — 0.65 мас. %; 4 — 0.002 мас. %; 5 — 0.45 мас. %

Важно отметить, что максимальная степень упорядочения структурных единиц наблюдается в области сравнительно малых концентраций примесных катионов (десятые и сотые доли массовых процентов). Столь малые концентрации лишь незначительно изменяют свойства расплава, поэтому технологические режимы выращивания легированных кристаллов с улучшенными физическими характеристиками мало отличаются от режимов выращивания номинально чистых кристаллов LiNbОз.

Ряд приложений оптических устройств на основе кристаллов ниобата лития предполагает их эксплуатацию в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ). В связи с этим актуально оценитьрадиационную стойкость легированных кристаллов ниобата лития. Было установлено, что легирование может изменять не только оптическую, но и радиационную стойкость кристаллов ниобата лития. Так, при у-облучении кристаллов ниобата лития, легированных Оё с концентрацией ~ 0.004-0.04 мас. %, происходит значительное (до 35 %) уменьшение оптического пропускания в широком интервале длин волн (400-630 нм; рис. 5, а). Причем, зависимость изменения величины оптического пропускания от концентрации легирующей примеси (Оё) при фиксированной дозе у-облучения (по крайней мере в диапазоне доз 103-5-105 рад) носит нелинейный характер и проходит через максимум при концентрации [Оё] ~ 0.004 мас. %. Наиболее интенсивное изменение оптической плотности происходит в диапазоне средних и малых доз ИИ, а именно 103-104 рад. При больших дозах происходит насыщение радиационной окраски, т. е., по-видимому, происходит радиационный отжиг дефектов. Установлено, что при других концентрациях Оё (как существенно больше, так и существенно меньше концентрации [Оё] ~ 0.004-0.04 мас. %), а также в номинально чистых и легированных широким набором других примесей (М^, У, У-М^, Оё-М^) кристаллах ниобата лития в данном диапазоне доз ИИ эффект изменения оптического пропускания существенно меньше или практически отсутствует (например рис. 5, б, в).

Т, % 90

3

Т, % 90

80

4

1 б

70 Т, % 80

3 \4

3

1 а

70

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

60

50

400

500

600

700 1 нм

Рис. 5. Спектрыоптического пропускания легированных монокристаллов ниобата лития: а — П№>03 : Gd (0.04 мас. %); б — ПМЮ3 : Gd (0.26 мас. %); в — П№>03 : Mg (0.27 мас. %). Дозы облучения (крад): 1— необлученный; 2 — 2.5; 3 — 50; 4 — 175

Сравнимое увеличение оптического пропускания (меньшее, чем в кристаллах LiNbO3 : Gd с [Gd] ~ 0.004-0.04 мас. %) в номинально чистом кристалле LiNbO3 наблюдается лишь в области существенно больших доз (~ 5-106 рад).

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузьминов Ю. С. Электрооптический и нелинейно оптический кристалл ниобата лития. М.: Наука. 1987. 262 с.

2. Abrahams S. C., Reddy J. M., Bernstein J. L. Ferroelectric lithium niobate single crystal X-ray diffraction study at 24°C // J. Phys. Chem. Sol. 1966. Vol. 27, № 6/7. P. 997-1012.3. Rauber A. Chemistry and physics of lithium niobate. current topic in materials science /ed. by E. Kaldis. Vol. 1. Amsterdam, 1978. P. 481. 4. Abrahams S. C. Properties of lithium niobate. N. Y., 1989. 234 p. 5. Photorefractive properties of iron-doped stoichiometric lithium niobate / Y. Furukawa [et al.] // Optics Lett. 1997. Vol. 22, № 8. P. 501-503. 6. Dae-Ho Yoon T., Fukuda. J. Recent progress in research of optoelectronic materials // J. of Korean Ass. of Cryst. Growth. 1994. Vol. 4. P. 1. 7. Furukawa Y., Kitamura K. Absract of the 2nd International Symposium on Laser, Scintillator and Nonlinear Optical Materials (Lyon, France, May 28-31, 2000). Lyon, 2000. 8. Физико-химические условия кристаллизации стехиометрического ниобата лития в системе Li2O-K2O-Nb2O5 / И. В. Бирюкова [и др.] // Тезисы IX Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 15-20 октября 2000 г.). М., 2000, C. 443. 9. Improvement of LiNbO3 microstructure by crystal growth with potassium / G. Malovichko [et al.] // Phys. Status Sol (a). 1992. Vol. 133, issue 1. P. K29-K32. 10. Growth of stoichiometric LiNb03 single crystals by top seeded solution growth method // J. Cryst. Growth. 1997. Vol. 177, issues 3-4. P. 211-216. 11. Аникьев А. А., Сидоров М. В., Серебряков Ю. А. Структурное упорядочение в кристаллах ниобата лития, легированных ионами Mg2+, Gd3+ // жПс. 1992. Т. 56, № 4. С. 670-673. 12. Особенности структуры, свойства и спектры комбинационного рассеяния света кристаллов ниобата лития различного химического состава / Н. В. Сидоров [и др.] // Неорганические материалы. 1997. Т. 33, № 4. С.496-506. 13. Сидоров Н. В., Палатников М. Н., Калинников В. Т. Спектры комбинационного рассеяния света и особенности строения кристаллов ниобата лития // Опт. и спектр. 1997. Т. 82, № 1. С. 38-45. 14. Совершенство кристаллической структуры и особенности характера образования ниобата лития / М. Н. Палатников [и др.] // Неорг. материалы. 1998. Т. 34, № 8. С. 903-910. 15. Блистанов А. А., Любченко В. М., Горюнова А. Н. Рекомбинационные процессы в кристаллах LiNb03 // Кристаллография. 1998. Т. 43. С. 86-91. 16. Point defects in Mg-doped lithium niobate / K. I. Sweeney [et al.] // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57. P. 1036-1044.

Сведения об авторах

Палатников Михаил Николаевич — доктор технических наук, заведующий лабораторией Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail: [email protected]

Сидоров Николай Васильевич — доктор физико-математических наук, заведующий сектором Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail: sidorov@chemy. kolasc.net. ru

Макарова Ольга Викторовна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail: makarova@chemy. kolasc.net. ru

Author Affiliation

Mikhail N. Palatnikov — Dr. Sci. (Engineering), Head of Laboratory at the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: [email protected]

Nikolay V. Sidorov — Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Head of Sector at the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: [email protected]

Olga V. Makarova — PhD (Engineering), Senior Researcher of the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: [email protected]

Библиографическое описание статьи

Палатников, М. Н. Особенности оптических характеристик монокристаллов ниобата лития различного химического состава / М. Н. Палатников, Н. В. Сидоров, О. В. Макарова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2016. — № 4 (27). — С. 99-107.

Reference

Palatnikov Mikhail N., Sidorov Nikolay V., Makarova Olga V. Particularities of Optical Characteristics of Lithium Niobate Single Crystals with Different Chemical Compound. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2016, vol. 4 (27), pp. 99-107. (In Russ.).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.