научная статья по теме ОБРАЗОВАНИЕ СЛОЯ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА И НОВОЙ ПОЛЯРНОЙ ФАЗЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ LITAO3 В ПАРАХ ЛИТИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ОБРАЗОВАНИЕ СЛОЯ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА И НОВОЙ ПОЛЯРНОЙ ФАЗЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ LITAO3 В ПАРАХ ЛИТИЯ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2011, том 47, № 11, с. 1352-1356

УДК 537.226

ОБРАЗОВАНИЕ СЛОЯ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА И НОВОЙ ПОЛЯРНОЙ ФАЗЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ LiTaO3

В ПАРАХ ЛИТИЯ

© 2011 г. М. Н. Палатников*, В. А. Сандлер**, О. Б. Щербина*, И. Н. Ефремов*,

Н. В. Сидоров*, В. Т. Калинников*

* Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦРоссийской академии наук, Апатиты ** Ивановский государственный университет e-mail: palat_mn@chemy.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 14.03.2011 г.

Показано, что в кристалле танталата лития, подвергшемся VTE-обработке (Vapor Transport Equilibration) в парах лития, возникают слои толщиной от десятков до сотен микрон с различными фазовым составом и стехиометрией. Образовавшиеся слои стехиометрического состава толщиной до 500 мкм обладают в десятки раз меньшими значениями коэрцитивного поля, чем монокристаллы танталата лития конгруэнтного состава, что делает их пригодными для формирования регулярных доменных структур, которые могут быть использованы для создания устройств интегральной оптики: оптических преобразователей и минилазеров. В тонком (толщиной до 30 мкм) поверхностном слое монокристаллического образца танталата лития после VTE-обработки формируется новая полярная (сегнето-электрическая) структура с температурой фазового перехода ~120°С.

ВВЕДЕНИЕ

Изменение отношения Li : Ta является способом эффективного воздействия на комплекс физических свойств монокристаллов танталата лития. Известно, что при комнатной температуре в танталате лития LiTaO3 спонтанная поляризация составляет ~60 мкКл/см2, но при этом в кристалле конгруэнтного состава электрическое поле, необходимое для полного переключения, весьма высоко и составляет ~210 кВ/см [1—4]. При переходе к кристаллам стехиометрического состава величина коэрцитивного (переключающего) поля значительно снижается. Однако выращивание монокристаллов танталата лития стехиометриче-ского состава из расплава не позволяет получать однородные по составу кристаллы высокого оптического качества. В случае сравнительно небольших толщин пластины увеличить отношения Li : Ta можно путем VTE-обработки (Vapour Transport Equilibration). Сущность метода состоит в длительном отжиге монокристаллических образцов танталата лития с составом, отличным от сте-хиометрического, при высокой температуре в атмосфере насыщенной литием.

Цели данной работы:

— изучение особенностей и кинетики переключения в слоях с различным фазовым составом и стехиометрией;

— изучение возможности получения в сравнительно слабых полях и при умеренных температу-

рах насыщенных петель диэлектрического гистерезиса, отвечающих полному переключению танталата лития после УТЕ-обработки;

— исследование фазового перехода в образовавшейся в поверхностном слое образца танталата лития после УГЕ-обработки новой полярной (сегнетоэлектрической) структуры.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Из монокристалла танталата лития (С = 628°С, что соответствует 48.71 мол. % Ы2 О [5]) были приготовлены пластины Х-среза (поверхность пластин перпендикулярна кристаллографической оси X с размерами 14 х 16 х 1.2 мм. Точность кристаллографической ориентации пластин составляла не менее 30'. Пластины отжигали в замкнутом объеме (в "тигле", изготовленном из смеси 50% ШаО3 + 50% Ы3ТаО4) при 1200°С в течение ~220 ч.

На образцы с размерами 7 х 8 х 1.2 мм, вырезанные из пластин Х-среза УТЕ-ЬПаО3, магне-тронным напылением наносили Р1-электроды. Полученные образцы выдерживали в течение суток при комнатной температуре.

Диэлектрический гистерезис измеряли с помощью классической схемы Сойера—Тауэра при синусоидальной форме электрического поля с частотой 0.01—0.02 Гц и амплитудой напряженности поля 12.5 кВ/см. Измерения проводили как при

комнатной температуре, так и при последовательном нагреве или охлаждении в диапазоне температур 18—205°С.

Стехиометрию УТЕ-образцов по толщине определяли методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) по зависимости ширины линии с частотой 140 см-1, соответствующей колебаниям Е-типа симметрии [5], от отношения Ы: Та с использованием спектрометра Ramanor и1000, оснащенного конфокальным микроскопом, позволяющим осуществлять сканирование лазерным лучом по поверхности образца с шагом 0.1 мм. Методика подробно описана в [5-8].

х 10-12, А/см2

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В исследованных исходно полидоменных образцах УТЕ-ЫТа03 лития пироэлектрический эффект может проявляться только за счет незначительной естественной униполярности. Поскольку вдали от точки Кюри зависимость Р(Т) выражена слабо, то собственно пироэлектрический ток должен быть пренебрежимо мал. С другой стороны, любые изменения в распределении заряда или дипольного момента, независимо от локализации и причин, должны создать во внешней цепи, зависящий от температуры, спонтанный ток плотностью ] . Если при температуре Т0 имеет место фазовый переход, то в окрестности Т0 зависимость ]5(Т) должна быть отчетливо аномальной, и если эти изменения обратимы, то величина и знак ] \ зависят от величины и знака скорости изменения температуры йТ/йт. Характерный вид зависимости] \(Т) приведен на рис. 1. Эти результаты получены в цикле нагрев-охлаждение со скоростью йТ/йт = ±1 К/мин и количественно воспроизводятся для всех исследованных образцов, в том числе в последующих циклах измерения.

Вид зависимости ] \(Т) свидетельствует о фазовом переходе. Интересно, что обе аномалии дают приблизительно одно значение р'^т ~

~ 0.6 мкКл/см2, близкое с полученными значениями остаточной поляризации тех же образцов при комнатной температуре (рис. 1 и 2).

Петли гистерезиса, полученные при комнатной температуре, явно ненасыщенные с частичным переключением. При увеличении температуры значения переключаемой поляризации уменьшаются (рис. 2а), и при I > 117°С диэлектрический гистерезис исчезает, зависимости Р(Е) становятся практически линейными, как при фазовом переходе в параэлектрическую фазу. Далее образец нагревали до 120°С, выдерживали при этой температуре 10 мин и затем охлаждали. По мере охлаждения образца значения переключаемой поляризации вновь стали увеличиваться, и зависимость Р(Е) приобрела вид типичной петли

Рис. 1. Температурная зависимость плотности спонтанного тока образца УГЕ-ПТаОз ^-ориентация).

(а)

Р, мкКл/см2 1.0 -

18°С

6 12 Е, кВ/см

(б)

Р, мкКл/см2

48 °С

1.0

1 1 0.5 . 81 °С 117°С —/ | 1 "

-12 " -6 6 12 Е, кВ/см

—0.5

--—10"

Рис. 2. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса монокристалла "УТЕ-ЫТаОз, ^-ориентация) (/ = 0.02 Гц): а — первый нагрев, б — первое охлаждение.

диэлектрического гистерезиса с явной тенденцией к насыщению (рис. 2б). После охлаждения до комнатной температуры значение переключаемой поляризации вновь восстанавливается (~1 мкКл/см 2).

1354

ПАЛАТНИКОВ и др.

Рис. 3. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса монокристалла УГЕ-ЫГаОз, ^-ориентация) при различных температурах.

Результаты исследования петель диэлектрического гистерезиса в последующих циклах измерения качественно подобны полученным ранее: значения остаточной поляризации (Рг) меньше на ~15% (рис. 2 и 3). Они также демонстрируют уменьшение поляризации при повышении температуры (рис. 3). Петли диэлектрического гистерезиса, так же как и на рис. 2а, ненасыщенные. Поэтому здесь следует говорить не о спонтанной поляризации Р, а скорее об остаточной Р. Однако в отличие от результатов, представленных на рис. 2, здесь при температуре ~120°С диэлектрический гистерезис не исчезает (рис. 4а). Более того, при постоянной температуре в последовательных циклах изменения поля петли "разрастаются" с увеличением Р, но с практически постоянным значением коэрцитивного поля (Е) (рис. 4) (цифрами у кривых указаны номера последовательных циклов измерения).

При последовательном циклическом изменении поля процесс переключения захватывает все больший объем образца, т.е. собственно стехио-метрический слой образцов УТЕ-ЫТаО3 стехио-метрического состава. По-видимому, аномалии спонтанного тока и процессы переключения, показанные на рис. 1 и 2, обусловлены только по-

верхностным слоем, отличным по свойствам от объема образца. После удаления в образцах сравнительно тонкого (~30 мкм) наружного слоя, обращенного при УТЕ- обработке к потоку ионов лития, низкотемпературные процессы переключения и аномалии спонтанного тока не наблюдаются (рис. 1 и 2).

При более высоких температурах начинает "работать" все большая и большая часть объема образца. На рис. 4а—4в видны следующие особенности:

— во-первых, петли диэлектрического гистерезиса с каждым циклом измерений становятся все более насыщенными;

— во-вторых, с увеличением числа циклов поля значения Рг возрастают (очевидно, что здесь сказывается кинетика процессов переключения: с повышением температуры процесс "раскачивания" полидоменной структуры полем происходит быстрее с каждым циклом измерений; по-видимому, при очень большом числе циклов можно получить большие значения Рг и при меньшей температуре);

— в-третьих, на всех петлях при положительных полях имеет место еще один скачок поляри-

(a)

P, мкКл/см2

(б) 2 P, мкКл/см2

д162°С г178°С в187°С б192°С а200°С

P, мкКл/см2

60

P, мкКл/см2

Рис. 4. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса монокристалла УТЕ-ЫТаОз, ^-ориентация) при температурах 122 (а), 148 (б), 156°С (в), (цифрами у кривых показаны номера последовательных циклов измерения).

зации ("замороженные" домены), смещающийся в область меньшей напряженности поля при увеличении числа циклов, что также указывает на увеличение части объема УТЕ-образца танталата лития, вовлеченного в переключение.

Эти эффекты явно проявляются при всех исследованных температурах (рис. 4). При цикли-ровании поля значение Рг все более возрастает. Асимптотическим приближением этого процес-

Рис. 5. Квазистатические петли диэлектрического гистерезиса (того же, что и на рис. 4) образца монокристалла VTE-LiTaO3, (Z-ориентация) при более высоких температурах (для температуры 187°C (в) цифрами у кривых показаны номера последовательных циклов измерения).

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком