КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 229-233
РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ
УДК 545.5
ДЕФЕКТЫ РАЗЛИЧНЫХ РАЗМЕРНОСТЕЙ В КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ ПАРАТЕЛЛУРИТА1
© 2004 г. А. И. Колесников, И. А. Каплунов, И. А. Терентьев
Тверской государственный университет E-mail: ivan.kaplunov@tversu.ru Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
Монокристаллы парателлурита обладают высокими акустооптическими свойствами, важными для различных устройств - дефлекторов, модуляторов, перестраиваемых неколлинеарных фильтров. Кристаллы парателлурита диаметром до 80 и высотой до 100 мм были выращены способом Чох-ральского из сверхчистых расплавов. Оптические аномалии в кристаллах - газовые пузырьки, примеси, свили, инородные включения и механические напряжения вблизи них, области с повышенной плотностью дислокаций исследованы химическими, рентгеновскими и оптическими методами.
ВВЕДЕНИЕ
В силу принадлежности к нецентросимметрич-ной точечной группе симметрии 422 монокристаллы парателлурита обладают пьезоэлектрическими свойствами: пьезоэлектрический модуль й14 = 2.44 х 107 Кл/дин, пьезоэлектрическая константа е14 = 0.648 х 10-5 Кл/см2, коэффициент электромеханической связи &[001] ~ 10% [1]. Однако наиболее важной областью применения парателлурита является акустооптика, так как этот материал обладает рекордно большим коэффициентом акустооптического качества М2 = 510 (по отношению к плавленому кварцу) в спектральном диапазоне 0.35-5 мкм. Это позволяет при крайне низких значениях управляющей мощности (0.5 Вт и менее) получать высокую эффективность акус-тооптической дифракции (до 80%) [2]. В принципе возможно создание акустооптических устройств, в которых кристаллы парателлурита одновременно являлись бы и пьезопреобразователями, и светозвукопроводами. При этом были бы исключены достаточно сложные технологические операции, связанные с изготовлением и присоединением к кристаллам парателлурита пьезопреобра-зователей из кристаллов ниобата лития Ы№>03. В силу большой разницы показателей преломления (И0 - Ие) кристаллы парателлурита могут применяться и в качестве материала для поляризационных призм. В перечисленных устройствах и приборах должны использоваться достаточно крупные - до 60 х 40 х 40 мм3 - элементы из монокристаллов парателлурита исключительно высокого оптического качества. Но проблема стабильного получения таких кристаллов до конца не решена [3]. Монокристаллы парателлурита удовлетворительных размеров и прием-
1 Работа была представлена на Национальной конференции
по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
лемого качества выращиваются только способом Чохральского - из платиновых тиглей, из расплава двуокиси теллура с содержанием основного вещества не менее 99.995%, в печах с нагревателем сопротивления, в воздушной атмосфере при нормальном давлении. Для вытягивания в основном используется направление [110], перпендикулярное наиболее развитой особой сингулярной грани.
Кристаллы, описанные в настоящей работе, в зависимости от ростовых условий в той или иной степени содержали структурные дефекты и связанные с ними оптические аномалии, характерные
Рис. 1. Срез монокристалла парателлурита с периодическими зонами включения пузырьков в виде гирлян-доподобных ассоциатов.
Количество пузырьков 40 г
Средний диаметр, мкм
Рис. 2. Гистограмма распределения пузырьков по размерам.
Рис. 3. Секториальность в распределении пузырьков. Темные области - участки пирамид роста граней {110}. Срез перпендикулярен оси роста [110].
для парателлурита и хорошо известные по многим публикациям [3-6], - газовые пузырьки и их ассо-циаты, области с повышенной плотностью дислокаций, малоугловые границы, включения примесей, области с заметной аномальной двуосностью. Впервые были подробно изучены свили ^пайоп -полосчатость).
ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ
Для исследования оптическими методами кристаллы подвергались оптической обработке; использовались поляризационно-оптические установки, а также различные схемы интерференции поляризованных лучей. Для выявления дислокаций методом селективного химического травления использовался раствор Ка2С03. Рентгеновские исследования включали в себя измерения парамет-
Рис. 4. Газовые включения одного и того же участка кристалла парателлурита до (а) и после отжига при 680°С в течение 48 ч и при 700°С в течение последующих 48 ч (б); в - компьютерное вычитание изображений (а) и (б).
ров элементарной ячейки вблизи дефектов и определение отклонений межплоскостных расстояний Ас1/с1, по которым проводился расчет механических напряжений.
В соответствии с принятой рядом авторов классификацией [7] оптические аномалии (ОА) различаются по масштабу I неоднородности кристалла: макроуровень (I > 1 мкм), мезоуровень (100 А < I < 1 мкм), микроуровень (I < 100 А). Следуя этой классификации, пузырьки и свили необ-
Рис. 5. Свили, вытянутые в направлении [001], в образце кристалла, вырезанном перпендикулярно оси роста.
Рис. 6. Оптические неоднородности - свили и ассоци-аты пузырьков - в кристалле парателлурита. Кристалл снят перпендикулярно оси роста [110] в направлении [ 110 ].
ходимо отнести к ОА макроуровня. Дефекты, определяющие ОА мезо- и микроуровней, связаны с ОА макроуровня. Например, дислокации и примеси - непосредственная причина появления аномальной двуосности и свилей. Однако при практической оценке качества кристаллов парателлурита фиксируются О А макроуровня: пузырьки, свили и субнитевидные рассеивающие включения.
Газовые пузырьки и их гирляндоподобные ас-социаты, а также типичная гистограмма распределения пузырьков по размерам показаны на рис. 1 и 2. В пространственном распределении пузырьков наблюдается секториальность, связанная с морфологическими особенностями фронта кристаллизации (рис. 3). Наименьшая концентрация пузырьков отмечается в пирамидах роста граней {110}.
Высокотемпературный послеростовой отжиг образцов с пузырьками приводит к медленному ог-
ранению стенок пузырьков по плоскостям {110} и {101}. Наблюдалось движение пузырьков в направлении, противоположном направлению градиента температуры. Скорости движения имели значения 10-30 А с-1. На рис. 4 представлены изображения одного и того же участка с пузырьками до и после отжига, а также результаты компьютерного вычитания изображений.
Свили представляют собой области локальных сжатий и растяжений кристаллов и проявляются вследствие эффекта фотоупругости в виде темных полос при освещении образцов широкими пучками лазерного света. При получении изображений использовался гелий-неоновый лазер (К = 0.673 мкм) и лазер на ИАГ с удвоением частоты^ = 0.53 мкм). На рис. 5 представлена картина со свилями, вытянутыми в основном в направлении [001]. Съемка проводилась в направлении оси роста - [110]. На рис. 6 представлен тот же кристалл, снятый перпендикулярно боковой поверх-
■ ' I
» Л/ '.' К-.,.
и
^ V. з
№
Ш ■■ е-
(а)
(бМ
Рис. 7. Ямки травления плоскости (110) кристалла парателлурита. а - участок с высокой плотностью дислокаций (Д = 2.7 х 105 см-2) соответствует местоположению оптической неоднородности - свили; б - участок соответствует средней по образцу плотности дислокаций (Д = 2.4 х 104 см-2). Диаметр кристалла 75 мм.
Рис. 8. Изображение в лазерном свете светозвукопро-вода из а-Те02, не содержащего свилей и других оптических неоднородностей. Светозвукопровод испытан в спектрофотометре для астрофизических наблюдений.
Рис. 9. Изображения Сатурна при X = 8500 (a) и 8870 А (б), полученные с акустооптическим спектрофотометром изображений на кристалле парателлурита.
ности - в направлении [ 110 ]. Помимо свилей видны и темные области с включениями пузырьков. Свили располагаются приблизительно вдоль оси роста и разделяют объемы материала, соответствующие сектору роста фронтальной грани, и объемы, соответствующие округлым участкам фронта кристаллизации. Действительно, расчеты, основанные на известных значениях упругих постоянных ск и виде тензора констант упругой жесткости для точечной группы симметрии (422)
[1], показывают, что за напряжения сжатия или растяжения в направлении, перпендикулярном оси [001], ответственны сдвиговые деформации е12 и е21, обусловленные кривизной межфазной границы.
По данным рентгеноструктурного анализа максимальные искажения межплоскостных расстояний Ad/d и соответствующие им максимальные значения механических напряжений (1-10 кГ мм-2) наблюдаются в областях свилей. В этих же областях зафиксированы максимальные значения плотности дислокаций, существенно превышающие ее средние значения по образцам (рис. 7).
Взаимосвязь ростовых условий с дефектами в кристаллах парателлурита рассматривалась ранее [3]. В настоящей работе некоторые технологические параметры (скорости вытягивания и вращения кристалла, конфигурация теплового узла) были целенаправленно изменены. При этом учитывались соображения, высказанные авторами [8] по поводу неоднородностей в кристаллах александрита (BeAl2O4:Cr3+) и гадолиний-скан-дий-галлиевого граната (Cd3SexGa5 _ xO12:Nd3+). Ими обоснована идея о принципиальной невозможности (и ненужности) одновременного устранения дефектов различных типов в кристаллах оксидов, выращиваемых из расплава.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате нам удалось, отказавшись от борьбы за полное отсутствие пузырьков и от стремления к максимальному развитию грани (110) на фронте кристаллизации, реализовать стабильное получение кристаллов без свилей, в центре которых, однако, почти всегда присутствуют небольшие узкие зоны пузырьков. На рис. 8 в проходящем лазерном свете изображен готовый светозвукопровод из a-TeO2 размером
35 х 35 х 60 мм3 вдоль осей [110], [ 110 ] и [001] соответственно. В этом образце нет пузырьков, а свили и аномальная двуосность не зафиксированы. В августе 2001 г. на основе данного кристалла был изготовлен и успешно испытан в Крымской лаборатории Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга акустооптиче-ский спектрофотометр для астрономических наблюдений. С его помощью получены уникальные спектральные изображения планетарной туманности NGC 7027, планеты Сатурн и турбулентного диска звезды y-Cyg. При этом никаких
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.