Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

PREPARATION AND PHYSICAL PROPERTIES OF NIOBIUM- AND TANTALUM-CONTAINING FUNCTIONAL AND STRUCTURAL MICRO- AND NANOSTRUCTURED CERAMICS AND SINGLE CRYSTAL MATERIALS M.N. Palatnikov, V.A. Sandler, N.V. Sidorov, I.V. Biryukova, I.N. Efremov, O.V. Makarova, O.B. Scherbinа, N.A. Teplyakova, V.T. Kalinnikov I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology o f Rare Elements and Mineral Raw Materials o f the Kola Science Centre o f the RAS, Apatity, Russia Abstract Physical properties and obtaining were investigated for functional and structural materials containing niobium and tantalum and based on nanostructure ceramics and single crystals. Complex research of lanthanide-doped actively nonlinear lithium niobate single crystals, was carried out. The crystals combine active laser properties and optically nonlinear properties of the host matrix. Ferroelectric crystals with regular domain structure (RDS) have been considered as the most perspective media for the effective nonlinear transformation of optical radiation. Special attention is paid to the process of forming of RDS in doped and pure lithium and tantalum niobates by the means of domain engineering. As a part of the search for new optical damage resistant materials by their doping by non-photorefratcive impurities we have investigated obtaining and properties of the series of LiNbO3:Zn crystals doped in the wide range of concentrations. The scientific base for creation of a new commercial optical material based on LiNbO3:Zn single crystals was developed for the first time. The comparative evaluation of radiation resistance was carried out for pure, doped by rare earth elements and alkaline earth lithium niobate crystals. In all cases properties of the researched solid materials have been investigated in the view of their micro- and nanostructure. Keywords: lithium niobate and tantalate single crystals, micro- and nanostructure, obtaining and physical properties, ceramics. Функционирование аппаратуры, реализующей современные оптоэлектронные и телекоммуникационные технологии, во многом связано с кристаллами ниобата лития. Они широко используются в сотовой связи, интегральной оптике, для сверхбыстрого Интернета и имеют целый ряд чисто оптических применений (генерация оптических гармоник, параметрическая генерация, электрооптика) и т.д. Мировой рынок кристаллов ниобата лития составляет около 260 т в год или 13 млрд долл. США, причем в России их продается около 2500 кг в изделиях. Современные оптические модуляторы повышенного качества из кристаллов ниобата лития обеспечивают передачу информации по одному оптоволокну со скоростью от 8 до 350 Гбит/сек. Согласно исследованиям Business Communications Со Inc., мировой рынок кристаллов ниобата лития достигнет 17 млрд долл. США в 2016 г. Основным потребителем этого кристалла являются фирмы, производящие комплектующие для телекоммуникационного оборудования. Производители подобного оборудования нуждаются в совершенных оптических материалах с контролируемыми оптическими свойствами. Наличие конкуренции на мировом рынке выдвигает высокие требования к оптическому качеству кристаллов. Рынок кристаллов конгруэнтного состава насыщен и формируется, в основном, спросом, а не предложением. Рынок же кристаллов для оптических приложений быстро растет и меняется. Пока он формируется, в основном, предложением, а не спросом. Поэтому чрезвычайно важными и актуальными являются исследования физических свойств и процессов получения новых оптических материалов на базе монокристаллов ниобата и танталата лития. Так, в настоящее время особый интерес вызывают легированные лантаноидами активно-нелинейные кристаллы, которые сочетают в себе активные (лазерные) свойства и нелинейно-оптические свойства матрицы-основы. В таких кристаллах возможно осуществление процессов самопреобразования частоты лазерной генерации, когда в одном кристалле одновременно происходят лазерная генерация излучения на определенной частоте и нелинейно-оптическое преобразование этой частоты [1, 2]. В качестве сред, наиболее перспективных для эффективных нелинейных преобразований, можно выделить сегнетоэлектрические кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС). В таких кристаллах снимаются ограничения на поляризацию взаимодействующих волн, а следовательно, возможна реализация квазисинхронизма в любом направлении относительно оптических осей кристалла [1, 2]. Существование доменной структуры в сегнетоэлектриках открывает уникальные возможности управления важными для применения характеристиками кристаллов - пьезо- и пироэлектрическими, нелинейно-оптическими и диэлектрическими, за счет создания микро- и нанодоменной структуры с необходимыми параметрами. Новая прикладная отрасль физики и технологии сегнетоэлектриков - доменная инженерия, занимающаяся разработкой методов создания в сегнетоэлектрических материалах доменных структур с контролируемой геометрией, получила стремительное развитие в течение последних 15 лет. Среди задач доменной инженерии выделяют создание периодических доменных структур в нелинейно-оптических материалах для построения эффективных преобразователей частоты когерентного оптического излучения [3], а также создание полностью оптических интегральных схем с модуляторами, мультиплексорами и преобразователями частоты на одном кристалле. Новейший этап развития доменной инженерии в сегнетоэлектриках связан с преодолением микронного барьера и созданием доменных структур с периодами в субмикронном и нанометровом диапазоне. Решение этой проблемы позволит изготавливать принципиально 33