научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И НАТРИЯ НА ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И СТРУКТУРУ ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ TEO2 WO3 LA2O3 Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И НАТРИЯ НА ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И СТРУКТУРУ ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ TEO2 WO3 LA2O3»

УДК 535.3

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И НАТРИЯ НА ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И СТРУКТУРУ ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ TeO2—WO3—La2O3 © 2015 г. Б. С. Степанов*, М. Е. Шенина**, И. В. Антонов**, М. Ф. Чурбанов*

* Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук, Н. Новгород ** Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУим. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород

e-mail: boris1885@gmail.com Поступила в редакцию 06.11.2014 г.

Представлены результаты по влиянию ионов серебра и натрия на показатель преломления и структуру стекол системы TeO2—WO3—La2O3. Дисперсионные зависимости показателя преломления тел-луритных стекол получены методом эллипсометрии. Количественная оценка структурных изменений сетки стекла проводилась при помощи модели Вемпе—ДиДоменико. Увеличение мольной доли Na2O с 3 до 12% ведет к увеличению показателя преломления на 4%, увеличение мольной доли Ag2O c 5 до 12% при содержании в стекле 3% Na2O ведет к увеличению показателя преломления на 1%.

DOI: 10.7868/S0002337X15080187

ВВЕДЕНИЕ

Теллуритные стекла обладают уникальными оптическими свойствами, для них характерны достаточно широкое окно прозрачности (0.35—5 мкм), низкая энергия фононов (750 см-1), хорошая стойкость к кристаллизации и воздействию окружающей среды. Они обладают высокими значениями показателя преломления (>2), что ведет к увеличению скорости излучательных переходов для редкоземельных элементов, находящихся в стекле. Благодаря этим свойствам их можно отнести к числу перспективных материалов для создания различных оптических и оптоэлектронных устройств, в т.ч. интегрооптических лазеров и усилителей на их основе. Ключевыми элементами интегральных оптических схем являются активные и пассивные волноводные структуры, на основе которых изготавливаются лазеры, мультиплексоры, сплиттеры и т.д.

При получении волноводных слоев в приповерхностную область объемного стекла вводят легирующую примесь для изменения показателя преломления на величины порядка 0.0001-0.01. Полученный концентрационный профиль легирующий примеси играет определяющую роль в достижении оптимальных параметров готовых волноводных структур. Соответственно, необходим контроль формы концентрационного профиля примеси в области с повышенным показателем преломления и разницы показателей преломления этой области и матрицы. Для эффективного осуществления такого контроля необходимо иметь наиболее полную информацию о влиянии внедряемых ионов на оптические свойства стекла.

Выбор серебра и натрия в качестве ионов-модификаторов обусловлен тем, что одним из наиболее простых и технологичных методов формирования планарных волноводов является создание областей с повышенным показателем преломления в матрице путем ионного обмена ^ Л§+. Ионы натрия модифицируют сетку стекла, разрывая мостиковые кислородные связи, повышая степень разупорядоченности матрицы и формируя вакансии для ионов серебра. А ионы серебра в свою очередь обладают более высокими значениями поляризуемости по сравнению с ионами натрия, и показатель преломления материала возрастает. Однако необходима количественная оценка влияния модифицирующих ионов на свойства матрицы с целью установления закономерностей, связывающих структурные параметры матрицы и величины показателя преломления с концентрацией той или иной примеси в теллуритном стекле [1].

В 2006 году Сакида и др. (8ак1ёа й а1.) сообщили о возможности получения волноводов с низкими потерями в теллуритных стеклах путем обмена ионов натрия на ионы серебра [2]. В этом исследовании использовано трехкомпонентное стекло системы ТеО2-^О3-Ма2О с содержанием 10 мол. % М2О. Отсутствие стабилизирующих примесей в стекле с высоким содержанием ионов-модификаторов может привести к деградации волноводной структуры со временем. Для стабилизации матрицы необходимо использовать редко- и щелочноземельные оксиды, позволяющие снизить концентрацию положительно заряженных дефектов путем образования нейтральных комплексов между ионами-модификаторами разных типов [3]. Дан-

Таблица 1. Маркировка образцов и состав (мол. %) соответствующих навесок шихты

Маркировка образца TeO2 WO3 La2O3 Na2O Ag2O

TWLN3 67 25 5 3 -

TWLN7 63 25 5 7 -

TWLN70 60 25 5 10 -

TWLN72 58 25 5 12 -

TWLNA5 62 25 5 3 5

TWLNA7 60 25 5 3 7

TWLNA70 58 25 5 3 10

TWLNA72 55 25 5 3 12

Таблица 2. Параметры модели Коши

Образец А В х 102 , 2 нм2 С х 104, 4 нм4 Толщина нарушенного слоя h, нм

TWLN3 2.048 3.14 32 5

TWLN7 2.050 3.22 24 7

TWLN70 2.055 3.16 36 5

TWLN72 2.061 3.16 25 5

TWLNA5 2.055 2.88 21 6

TWLNA7 2.020 2.88 16 8

TWLNA70 1.986 2.98 14 8

TWLNA72 1.967 2.98 17 7

ный механизм базируется на структурной теории Дитцеля, согласно которой большая разница в величинах параметров напряженности поля Дитцеля между щелочными и редкоземельными металлами (для Ьа3+ и №+ 0.55 и 0.19 соответственно) стабилизирует сетку стекла [4]. Таким образом, оптические стекла системы Те02—^03—Еа203 (с добавлением №+ в качестве иона-модификатора) обладают высокой кристаллизационной стойкостью и требуемыми для создания активных вол-новодных структур оптическими свойствами. Это определило выбор стекол этой системы для настоящего исследования [5].

Однако количественной оценки влияния ионов серебра и натрия на структурные особенности и показатель преломления стекол системы Те02—^03— Ьа203 в литературе не найдено.

Целями представляемой работы являются: 1) получение серии теллуритных стекол составов (мол. %): (57 - х)Те02-25^03-5Ьа203-хМа20-уЛ§20, (х, у = 0-12); 2) получение дисперсионных зависимостей показателя преломления и исследование влияния ионов серебра и натрия на оптические свойства выше обозначенной серии стекол; 3) количественная оценка структурных из-

менений сетки стекол выбранных составов путем анализа дисперсионных зависимостей показателя преломления с помощью модели Вемпе-Ди-Доменико.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Стекла TWLNx и TWLNAy состава (мол. %): 60TeO2-25WO3-5La2O3-xNa2O-yAg2O (x, y = 0—10%) были синтезированы из высокочистых ("о. с. ч.") порошков оксидов теллура, вольфрама, лантана, карбоната натрия и оксида серебра. Маркировки образцов и соответствующих составов навески шихты представлены в табл. 1.

Смеси порошков были расплавлены в печи при 800°С в течение 2 ч. После синтеза расплав охлаждался на воздухе до температуры стеклования и отжигался при этой температуре в течение 2 ч. После этого образцы стекол охлаждали до комнатной температуры со скоростью 0.1°С/мин. После охлаждения образцы разрезали, полировали и шлифовали. Размер полученных образцов 10 х 6 х х 1.5 мм.

Показатели преломления в диапазоне длин волн 500—2000 нм измерялись с помощью спектроскопического эллипсометра (J.A. Woolam, USA) при трех углах падения излучения (65°, 70°, 75°). Показатели преломления и величина шероховатости поверхности были найдены с помощью модели Ко-ши, скорректированной приближением Брюгге-мана [6].

Модель Коши позволяет получить дисперсионную зависимость показателя преломления в области с нулевым коэффициентом экстинкции, а предложенная Брюггеманом модификация этой модели делает возможным количественно оценить шероховатость поверхности как объемного стекла, так и тонкопленочной структуры [7].

Зависимость показателя преломления от длины волны падающего излучения в рамках модели Коши записывается следующим образом:

„(X) = A + B + C, (1)

X2 X

где n(X) — дисперсия показателя преломления, X — длина волны излучения, A, B, C — параметры модели.

В табл. 2 представлены коэффициенты A, B, C модели Коши для стекол TWLNx и TWLNAy, а также толщины нарушенного поверхностного слоя, найденные в рамках приближения Брюггемана.

На рис. 1 изображены дисперсионные зависимости показателя преломления в диапазоне 500— 2000 нм для стекол составов TWLNx, TWLNAy.

Относительные погрешности параметров модели £а, еВ и еС не превышают 1, 5 и 10% соответственно. Абсолютная погрешность толщины на-

п (а) п 2.20

2.18 2.18

2.16

2.14 2.16

2.12 2.10 - \ 2.14

2.08 2.12

2.06 2.04 3 2.10

2.02 7 2.08

2.00 1.98 1.96 - 10 2.06

1111 12 1111 2.04

(б)

ттмАу

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 X, нм

12 10 7

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 X, нм

Рис. 1. Дисперсионные зависимости показателя преломления теллуритных стекол (номера кривых соответствуют содержанию (мол. %) Ка20 (а) и А?20 (б) (см. табл. 1).

рушенного слоя, рассчитанной при помощи приближения Брюггемана, составляет Ак = ±1 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Модель Вемпе—ДиДоменико. Предложенная Вемпе и ДиДоменико в 1970 г. одноосцилляторная модель анализа дисперсионной зависимости показателя преломления позволяет связать параметры, отвечающие за взаимодействие матрицы исследуемого соединения и электромагнитного излучения, со структурными параметрами этой матрицы (координационное число, эффективное число валентных электронов, приходящихся на один анион, энергию межзонных излучательных переходов, валентность аниона) [8]. Эта модель используется для изучения широкого спектра материалов, в т.ч. и для анализа структуры стекол. В 2012 году Эль-Заят и др. (8.У Е1^а1а1 е! а1.) опубликовал работу по исследованию оптических свойств аллюмоборат-ных стекол, легированных самарием, с применением данной модели, количественно оценив влияние вводимых в матрицу стекла ионов самария на оптические свойства и структурные изменения сетки стекла [9].

Одноосцилляторная модель Вемпе-ДиДомени-ко применяется для оценки числа ковалентных и ионных связей в материале на основании дисперсионной зависимости показателя преломления. В рамках этой модели дисперсионная зависимость показателя преломления записывается в виде

п2 = 1 + -М*.

Е0 - (НV)

2'

(2)

где Еа = вМсМ^а, Е0 — эффективная энергия осциллятора, Еа — энергия межзонных излуча-

тельных переходов, N — эффективное число валентных электронов на один анион, N — координационное число катиона, ближайшего к аниону, в — экспериментально полученный параметр, равный 0.37 ± 0.05 для материалов с преимущественно ковалентным характером связей и 0.26 ± 0.05 для ма

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»