авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Спектры комбинационного рассеяния света, фоторефрактивный эффект и структурное упорядочение монокристаллов ниобата лития разного состава

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Чуфырев Павел Геннадьевич

СПЕКТРЫ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА,

ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ И СТРУКТУРНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ

МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ РАЗНОГО СОСТАВА

Специальность – 01.04.07

Физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Петрозаводск - 2007

Работа выполнена в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В.Тананаева (ИХТРЭМС) Кольского Научного Центра РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Сидоров Н. В.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор химических наук Федоров П. П.

профессор, кандидат физико-математических наук Алешина Л. А.

Ведущая организация:

Научно-технологический центр Уникального приборостроения РАН,

г. Москва

Защита состоится "20" апреля 2007 г. в ___ часов на заседании Диссертационного Совета К 212.190.01 в Петрозаводском государственном университете по адресу:

185910, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33, ПетрГУ, физико-технический факультет, ауд. _____

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПетрГУ.

Автореферат разослан " " 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К.212.190.01

доктор физико-математических наук,

профессор Фофанов А. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном подходе при создании материалов электронной техники можно выделить два основных направления – синтез новых структур и модифицирование уже имеющихся с целью получения материалов с более совершенными характеристиками или материалов обладающих качественно новыми свойствами. Второй подход для сегнетоэлектрических кристаллов является чрезвычайно актуальным, поскольку из многих тысяч синтезированных монокристаллов реально в электронной промышленности используются десятки. Нелинейнооптический фоторефрактивный монокристалл ниобата лития (LiNbO3) обладает высокими электро- и нелинейнооптическими коэффициентами, что обуславливает его широкое применение в оптоэлектронике для изготовления преобразователей частоты лазерного излучения, параметрических генераторов света, оптических сенсоров, амплитудно-фазовых и фазовых модуляторов световых пучков, дефлекторов и т.д. Разработка этих оптических устройств выдвигает высокие требования к совершенству структуры монокристалла, в частности, к его оптической однородности и требует минимизации фотоиндуцированного изменения показателя преломления. Наличие эффекта фоторефракции (optical damage) в ниобате лития ставит две фундаментальные научные задачи: поиск путей его подавления и поиск оптимизации фоторефрактивных свойств монокристалла. Эти задачи взаимосвязаны и для их решения необходимы фундаментальные исследования, направленные на выяснение природы фоторефрактивного эффекта. Изучению фоторефрактивного эффекта в ниобате лития посвящены многие сотни работ и их результаты постоянно являются предметом острых дискуссий.



Ниобат лития является фазой переменного состава и отличается широкой областью гомогенности на фазовой диаграмме. Важной особенностью этого кристалла является возможность управления свойствами в широких пределах путем варьирования состава (легирования и изменения стехиометрии). Его оптические и нелинейнооптические характеристики во многом определяют структурные дефекты кристаллической решетки. До недавнего времени возможность регулирования величины фоторефрактивного эффекта в ниобате лития связывалась, в основном, с варьированием только примесного состава. В частности, для подавления фоторефрактивного эффекта кристалл конгруэнтного состава легировался достаточно большими количествами ( 7 мол. %) нефоторефрактивных катионов. В последние годы, благодаря развитию новых методов выращивания монокристаллов, близких к стехиометрическому составу, обнаружилось (помимо примесей) заметное влияние нестехиометрических (собственных) дефектов на фоторефрактивный эффект ниобата лития. Это и определило дальнейшее направление исследований фоторефрактивного эффекта в ниобате лития: выяснение природы “собственного” механизма фоторефракции. В этой связи актуальны исследования связи фотоиндуцированного изменения показателя преломления с процессами переноса заряда собственными дефектами, с изменениями собственной дефектной структуры (при изменении отношения Li/Nb и при легировании примесями), с процессами упорядочения структурных единиц в катионной подрешетке ниобата лития.

В данной работе такие исследования выполнены методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС). Параметры линий КРС обладают высокой чувствительностью к изменению взаимодействий между структурными единицами кристалла и, следовательно, чувствительны к различным достаточно тонким перестройкам кристаллической структуры, в частности, к перестройкам, возникающим при легировании монокристалла или изменении стехиометрии номинально чистых монокристаллов, при фотоиндуцированном изменении показателя преломления. Исследуя поведение параметров спектральных линий, можно получить важную информацию о влиянии упорядочения структурных единиц и дефектов на фоторефрактивные свойства.

Цель работы. Применить спектроскопию КРС к исследованию процессов упорядочения структурных единиц, дефектов, фоторефрактивных и сегнетоэлектрических свойств монокристаллов ниобата лития разного состава. Исследовать спектры КРС монокристаллов с разным отношением Li/Nb, легированных малыми количествами нефоторефрактивных катионов Mg2+, Gd3+, Y3+. По спектрам КРС первого и второго порядков выяснить, как с изменением стехиометрии, степени легирования, типа и количества дефектов, а также способа выращивания монокристалла будет изменяться структура монокристалла и величина фоторефрактивного эффекта.

Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования были выбраны следующие группы монокристаллов:

  1. Номинально чистые монокристаллы стехиометрического (Li/Nb=1) состава, выращенные из расплава с 58.6 мол.% Li2O и монокристаллы стехиометрического состава, выращенные из расплава стехиометрического состава в присутствии флюса K2O;
  2. Монокристаллы конгруэнтного состава (Li/Nb=0.946);
  3. Легированный Gd3+ (СGd=0.001 мас.%) монокристалл стехиометрического состава, выращенный из расплава с 58,6 мол.% Li2O.
  4. Монокристаллы конгруэнтного состава, легированные Gd3+ (СGd=0.002, 0.003, 0.005, 0.44 мас.%.), Y3+ и Mg2+ (СY=0.24, 0.46, CMg=0.63 мас.%).

Научная новизна работы. Впервые методом спектроскопии КРС по единой методике выполнены сравнительные исследования номинально чистых и легированных монокристаллов ниобата лития, выращенных методом Чохральского из расплава конгруэнтного состава, из расплава с 58.6 мол.% Li2O, из расплава стехиометрического состава в присутствии флюса K2О.

Впервые по спектрам КРС изучены закономерности формирования оптического качества монокристалла ниобата лития в зависимости от упорядочения структурных единиц катионной подрешетки, от дефектов структуры, от степени близости состава к стехиометрическому, от наличия легирующих добавок и способа выращивания. В частности, впервые показано, что монокристаллы, выращенные в присутствии K2O, характеризуются повышенной концентрацией дефектов, но в тоже время отличаются пониженным фоторефрактивным эффектом.

По спектрам КРС подтверждено, что при малых концентрациях легирующих нефоторефрактивных добавок (до 0.5 мас.%) на величину фоторефрактивного эффекта в кристаллах ниобата лития конгруэнтного состава влияет упорядочение структурных единиц катионной подрешетки. При этом в области максимального упорядочения структурных единиц катионной подрешетки фоторефрактивный эффект минимален.

Впервые обнаружено, что в спектрах КРС кристаллов ниобата лития разного состава присутствуют малоинтенсивные линии, ширины которых аномально уменьшаются с увеличением разупорядочения катионной подрешетки в целом. Это свидетельствует о наличии аномальных процессов упорядочения структурных единиц катионной подрешетки, происходящих при ее разупорядочении в целом.

Впервые спектроскопия КРС применена для исследования дипольного упорядочения катионной подрешетки монокристалла ниобата лития.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации экспериментальные данные и сделанные на их основе выводы углубляют и конкретизируют имеющиеся в литературе представления о фоторефрактивном эффекте, дефектах и процессах упорядочения структурных единиц в монокристалле ниобата лития. Эти результаты могут быть использованы в промышленности при выращивании монокристаллов высокой степени структурного совершенства, обладающих пониженным фоторефрактивным эффектом.

Исследованиями, выполненными в данной работе, показано, что, сохраняя технологические преимущества выращивания легированных монокристаллов ниобата лития из расплава конгруэнтного состава, можно приблизить их по степени упорядочения катионной подрешетки к монокристаллам стехиометрического состава, выращивание которых в промышленных масштабах в настоящее время затруднено.

Экспериментальный критерий соответствия кристалла ниобата лития стехиометрическому составу по интенсивности линии с частотой 120 см-1, соответствующей двухчастичным состояниям акустических фононов, может быть применен в промышленности для оценки качества монокристаллов.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Результаты экспериментальных исследований по спектрам КРС структурного упорядочения и фоторефрактивного эффекта в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного составов в зависимости от способа выращивания монокристаллов.
  2. Результаты экспериментальных исследований по спектрам КРС структурного упорядочения и фоторефрактивного эффекта в легированных монокристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного составов.
  3. Экспериментальное обнаружение и интерпретация тонких процессов упорядочения структурных единиц катионной подрешетки ниобата лития при изменении состава монокристалла.
  4. Анализ изменений по спектрам КРС качества монокристалла ниобата лития как сегнетоэлектрика в зависимости от состава и дефектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены: на конференции «Научные основы комплексной экологически безопасной переработки природного, техногенного сырья и горнопромышленных отходов, содержащих редкие, благородные и цветные металлы, создания новых высокоэффективных материалов» (Апатиты, 2003); The International conference «Spectroscopy in special applications» (Kiev, 2003); Romanian conference on advanced materials ROCAM (Constanta, 2003); на шестой международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (Александров, 2003); The International Jubilee Conference "Single crystals and their application in the XXI century (Aleksandrov, 2004); на XI и XII национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2004, 2006); на XII Конференции «Высокочистые вещества и материалы: получение, анализ, применение» (Нижний Новгород 2004); на 11th APAM seminar “The progresses in functional materials” (China, 2004); на 2nd International Conference Proceedings «Physics of electronic materials» (Kaluga, 2005); на международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2005); на Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005); на VIII региональной научной конференции (Апатиты, 2005); на 2-й Теренинской конференции «Физические и физико-химические аспекты взаимодействия электромагнитных излучений с веществом» (Калуга, 2006); на международной конференции «Материалы электронной техники и современные информационные технологии» (Кременчуг, 2006); на VI международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро - и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006); на XII Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2006); на III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии на межфазных границах» (Воронеж, 2006).





Достоверность результатов обеспечивалась применением современных автоматизированных высокочувствительных спектрометров КРС, многократно апробированных методик компьютерной обработки экспериментальных данных, соответствием данных наших экспериментов с данными других авторов.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь статей в рецензируемых журналах, шесть статей в сборниках докладов конференций и восемнадцать тезисов докладов.

Личный вклад автора

Основные материалы диссертационной работы, спектры КРС, их обработка и интерпретация получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Автором сформулированы некоторые общие направления исследований и отработаны методики исследований спектров монокристаллов в поляризованном излучении. Анализ результатов, их обобщение и интерпретация выполнены в соавторстве. Монокристаллы для исследований предоставлены ростовыми лабораториями.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка используемой литературы, и изложена на 112 страницах. Из них 97 страницы основного текста, который включает 23 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 171 наименований.

Благодарности Работа выполнена при поддержке грантами: РФФИ (05-03-32302А, 05-0216224А, 06-03-32120А) и «Ведущие научные школы» НШ 4383.2006.3

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту. Приведено краткое содержание работы.

Первая глава является обзором литературных данных. В разделах 1.1-1.3 рассмотрены особенности структуры кристалла ниобата лития как фазы переменного состава. Подробно описаны существующие представления о дефектной структуре кристаллов ниобата лития разного состава. Дана характеристика структурных особенностей кристаллов конгруэнтного и стехиометрического составов. Особое внимание уделяется рассмотрению вакансионных моделей упорядочения структурных единиц катионной подрешетки и описанию фоторефрактивного эффекта в зависимости от типа легирующей примеси, дефектности и состояния упорядочения структурных единиц катионной подрешетки. Подробно рассмотрены основные модели фоторефрактивного эффекта. Описана локализация в структуре нефоторефрактивных катионов и фотовольтаически активных катионных примесей, обладающих переменной валентностью и усиливающих эффект фоторефракции. Раздел 1.4 посвящен изучению дефектной структуры кристалла ниобата лития методом КРС. Подробно анализируются имеющиеся в литературе основные разногласия в интерпретации колебательного спектра номинально чистых кристаллов ниобата лития. Представлена сводная таблица экспериментально наблюдаемых частот в колебательном спектре кристаллов конгруэнтного и стехиометрического составов. Дается характеристика трем группам линий, наблюдаемым в спектре КРС монокристалла: линиям, соответствующим фундаментальным колебаниям решетки, «лишним» линиям (не соответствующим фундаментальным колебаниям кристаллической решетки) и линиям, проявляющимся в спектре вследствие фоторефрактивного эффекта. Подробно анализируются спектры легированных монокристаллов. Описано проявление эффекта фоторефракции в спектре КРС.

Во второй главе описаны экспериментальные установки и изложены методики исследований спектров КРС кристаллов в поляризованном излучении. Существенное внимание уделено описанию подготовки объектов для исследований. Для выращивания образцов разного состава использовалась шихта ниобата лития (ТУ 0.027.039), синтезированная в ИХТРЭМС КНЦ РАН. Выращивание номинально чистых монокристаллов осуществлялось методом Чохральского из платинового тигля на установке «Кристалл-2», оснащенной автоматизированной системой весового контроля диаметра кристалла. Примесные составы шихты и номинально чистых монокристаллов даны в таблицах 1 и 2. При выращивании легированных монокристаллов легирующие добавки вводились в шихту в виде соответствующих оксидов Gd2O3 и Y2O3 квалификации ОСЧ.

Таблица 1

Примесный состав шихты ниобата лития производства ИХТРЭМС КНЦ РАН

Примесей, масс % • 10-4 (не более)
Mn, Mg, Sn, Ni, Cr, V, Cu Si, Fe, Al, Ca, Sb, Te Co, Bi, Mo Ti
1 10 4 5

В разделе 2.3 описываются методики регистрации спектров КРС монокристаллов и проведения поляризационных измерений. Для регистрации спектров использовался модернизированный спектрометр ДФС – 24 и спектрометр Ramanor U – 1000. В качестве источника возбуждения спектров применялись квантовые генераторы: аргоновые ILM – 120 (В = 488.8 и 514.5 нм) и гелий – неоновый ЛГ – 38 (В = 632.8 нм).

Таблица 2

Примесный состав номинально чистых монокристаллов ниобата лития.

примесь содержание примеси масс. %
верх низ
Mn, V, Mg, Sn <5·10-4 <5·10-4
Pb, Ni, Cr, Co <1·10-3 <1·10-3
Si <1·10-3 <1·10-3
Cu <5·10-4 <5·10-4
Fe <1·10-3 <1·10-3
Ti <1·10-3 <1·10-3
Al <5·10-4 <5·10-4
Zr <1·10-2 <1·10-2
Mo <1·10-3 <1·10-3
Ca <5·10-3 <5·10-3
ТС, ОС 1145.0 1145.0


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.