ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2013, том 115, № 4, с. 597-604
СПЕКТРОСКОПИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.36:548
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОМ ОДНОРОДНОСТИ И ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ МЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА И ЛАЗЕРНОЙ КОНОСКОПИИ
© 2013 г. Н. В. Сидоров*, М. Н. Палатников*, А. А. Яничев*, А. А. Габаин*, О. Ю. Пикуль**, А. Н. Смирнов***
* Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного
центра РАН, 184209 Апатиты, Россия ** Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021 Хабаровск, Россия *** Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия
E-mail: Jovial1985@yandex.ru Поступила в редакцию 22.01.2013 г.
Фоторефрактивные свойства, структурная и оптическая однородность кристаллов LiNbO3:Cu ([Cu] = 0.015 мас. %), выращенных из расплава конгруэнтного состава, номинально чистых кристаллов стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58.6 мол. % Li2O (LiNbO^^), а также номинально чистых кристаллов конгруэнтного состава (LiNbO^^) исследованы методами спектроскопии комбинационного рассеяния света при возбуждении в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях, методами лазерной коноскопии и электронного парамагнитного резонанса. В оптически одноосных кристаллах LiNbO3 обнаружена слабая оптическая двуосность как следствие незначительной деформации оптической индикатрисы. Причиной появления этой деформации могут быть как изначальная структурная неоднородность кристаллов, так и эффект фоторефракции. Показано, что под действием света происходит перезарядка катионов меди Cu2+ ^ ^ Cu+ в кристалле LiNbO3:Cu ([Cu] = 0.015 мас. %). Кристалл LiNbO3:Cu проявляет фоторефрак-тивные свойства не только вследствие наличия собственных дефектов с локализованными на них электронами, как это наблюдается для кристаллов LiNbO^^ и LiNbO^^,, но и вследствие перезарядки катионов меди под действием лазерного излучения. DOI: 10.7868/S0030403413100152
ВВЕДЕНИЕ
Перспективными материалами для гологра-фической записи информации могут быть фоторефрактивные кристаллы ниобата лития стехиометрического состава Ы№03стех (Я = Ы/№ = 1), а также кристаллы конгруэнтного состава 0№03конгр (Я = Ы/№ = 0.946), легированные медью [1—5], отличающиеся низким фоторефрак-тивным рассеянием света (ФРРС) по сравнению с монокристаллами Ы№03:Ре и П№>03:ЯИ, традиционно применяемыми в голографии [6—8]. Фо-торефрактивное рассеяние света является серьезным мешающим фактором для голографической записи информации [8]. Принято считать, что катион меди является "фоторефрактивным" катионом, и под действием света в кристалле возможна перезарядка катионов Си2+ ^ Си1+. Однако фоторефрактивные свойства кристаллов Ы№03:Си практически не изучены. Ранее в работах [1—5]
нами выполнены исследования ФРРС при возбуждении в видимой области спектра (^0 = = 514.5 нм) в монокристаллах Ы№03:Си ([Си] = = 0.015 мас. %), выращенных из расплава конгруэнтного состава, в номинально чистых кристаллах стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58.6 мол. % Ы20 (Ы№03стех) и из расплава конгруэнтного состава с добавлением флюса К2О ((Ы№>03стехК20), а также в номинально чистых кристаллах конгруэнтного состава (Ы№03кошр). Однако исследование ФРРС дает информацию о фоторефрактивных свойствах и не дает информации об особенностях структуры кристалла, определяющих эти свойства. Более информативным методом исследования влияния тонких особенностей структуры кристалла и состояния ее дефектности на фоторефрактивные свойства кристалла является спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) [9]. Существенным ее достоинством является возможность одновре-
менного измерения эффекта фоторефракции и его поляризационных характеристик, а также тонких структурных изменений, вызывающих этот эффект.
В настоящей работе фоторефрактивные свойства, структурная и оптическая однородность кристаллов ЫМЪ03:Си ([Си] = 0.015 мас. %), выращенных из расплава конгруэнтного состава, номинально чистых кристаллов стехиометриче-ского состава, выращенных из расплава с 58.6 мол. % Ы20 (ЫМЪ03стех), а также номинально чистых кристаллов конгруэнтного состава (0№03кон1р) исследованы методами спектроскопии КРС при возбуждении в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях, методами лазерной коноскопии и электронного парамагнитного резонанса. Сравнительные исследования спектров КРС фоторефрактивных кристаллов разного состава при возбуждении спектров в УФ, видимой и ближней ИК областях могут дать дополнительную информацию о фото-рефрактивном эффекте и особенностях упорядочения структурных единиц кристалла, определяющих его сегнетоэлектрические и нелинейно-оптические характеристики, о собственных, примесных и наведенных лазерным излучением дефектах. Такие исследования представляют интерес для отработки промышленных технологий выращивания оптически совершенных, структурно однородных крупногабаритных кристаллов ниобата лития.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского на установке "Кри-сталл-2". Номинально чистые и легированные кристаллы конгруэнтного состава (Я = Ы/№ = = 0.946) выращивались из расплава конгруэнтного состава. Выращивание кристаллов стехиомет-рического состава (Я = 1) осуществлялось из расплава с 58.6 мол. % Ы20. Во всех случаях использовалась оригинальная гранулированная шихта ниобата лития, синтезированная в ИХТРЭМС КНЦ РАН [10]. Легирующая примесь вводилась в виде оксида Си0 квалификации ОсЧ. Подробно методика роста кристаллов и приготовление шихты описаны в работе [11].
Контроль оптического качества кристаллов осуществлялся методом лазерной коноскопии, который позволяет наблюдать коноскопические картины большого масштаба и высокого разрешения. Методика подробно описана в работах [12, 13]. В методе лазерной коноскопии в отличие от коноскопических фигур, получаемых с помощью поляризационного микроскопа, значитель-
ный размер изображения позволяет выполнить детальный анализ тонких особенностей структурных искажений в кристаллах как в центре поля зрения, так и на периферийной области коноско-пических картин, что актуально для обнаружения и исследования тонких особенностей структурных и ростовых искажений, микро- и наноструктур, неизбежно присутствующих, особенно в легированных кристаллах, вследствие неравномерного вхождения легирующей примеси в структуру, а также искажений, возникающих под действием лазерного луча в фоторефрактивных кристаллах.
При проведении коноскопического эксперимента кристаллический образец устанавливался на подвижной двухкоординатной оптической подставке, что позволяло просканировать всю плоскость входной грани лазерным лучом и получить множество коноскопических картин, соответствующих различным участкам поперечного сечения исследуемого образца. Оси пропускания поляризатора и анализатора ориентировались перпендикулярно друг другу, при этом ось пропускания поляризатора составляла угол 45° с вертикалью. Ось лазерного пучка совпадала с оптической осью кристалла и была перпендикулярной к его входной грани. В экспериментах использовалось слабое излучение He-Ne-лазера (X = = 632.8 нм) мощностью не более 1 мВт с тем, чтобы максимально уменьшить возможное влияние фоторефрактивного эффекта на коноскопические картины.
Спектры КРС в УФ, видимой и ближней ИК областях возбуждались лазером на YiAl-гра-нате (Хв = 325, 532, 1064 нм соответственно). В УФ и видимой областях спектры регистрировались спектрографом T64000 производства фирмы Hor-iba Jobin Yvon. Мощность возбуждающего лазерного излучения под микроскопом составляла 3 и 0.7 мВт соответственно. Спектры КРС в ближней инфракрасной области регистрировались фурье-раман-спектрометром RFS-100/S фирмы Bruker с Notch-фильтром. При этом мощность лазерной линии 1064 нм составляла 50 мВт. Все спектры регистрировались с разрешением 1.0 см-1 при комнатной температуре. Обработка контуров сложных спектральных линий и определение основных параметров линий (частоты, ширины, интенсивности) производились с использованием программ LabSpec 5.0, Origin 8.0 и Bomem Grames/386, Version 2.03. Погрешность определения составляли для частоты линии (v) ±1.0 см-1, для ширины (S) — ±2.0 см-1, для интенсивности (I) — 5%.
(а)______
1 1 Н 1 "
1 1 1 1 1 11^1 1 •
¿¿М/вШяь 1 и 9 1 1 1 Г0**т-~ Л 1 Ш
Рис. 1. Коноскопические картины монокристаллов ниобата лития Ы№Юзстех (а), Ы№Юзкон1р (б), П№Юз:Си ([Си] = = 0.015 мас. %) (в).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Поскольку образцы монокристаллов ниобата лития разного состава существенно отличаются друг от друга особенностями дефектной структуры, характером распределения дефектов по объему монокристалла, упорядочением структурных единиц катионной подрешетки и величиной эффекта фоторефракции [1—5, 9, 11], нами были подробно проанализированы коноскопические картины исследованных монокристаллов. Важно отметить, что монокристаллы стехиометрического состава, выращенные из расплава с 58.6 мол. % Ы2О, отличаются сильно неоднородным показателем преломления вдоль оси роста, а катионы Си даже в малых количествах очень неравномерно
распределяются в структуре кристалла ниобата лития, и в кристалле возможно образование микро- и наноструктур и фрактальных образований [11].
На рис. 1 представлены коноскопические картины исследованных монокристаллов. В наших экспериментах для всех кристаллов наблюдались коноскопические картины стандартного для одноосных кристаллов вида, при котором черный "мальтийский крест" сохраняет целостность в центре поля зрения, а изохромы имеют вид концентрических окружностей, что свидетельствует о высокой оптической однородности образцов (рис. 1). Круговая симметрия коноскопических картин показывает, что оптическая ось Z в сканируемых точках входной грани направлена строго
(а)
580 880
,254
Z(XZ)Y
X(YX)Z
у(ху)г
Y(ZZ)X Z(YY)X
г(хх)г
400 800
151 235 (б)
880
Y(ZY)X
Z(YZ)X
X(ZX)Y
км^Л_А_
; '255 А 633
!А275 А.
Z(XZ)Y X(YX)Z
Y(XY)Z
Y(ZZ)X А. Z(XX)Y
(в)
580630
X(ZY)X
X(YZ)X
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.