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

Abstract The authors present results of analysis of fractal dimension of dynamics for layers of photoinduced light scattering patterns in lithium niobate single crystals. Nominally pure stoichiometric crystals grown by different methods and congruous crystals doped by zinc in concentrations 0.018-0.88 wt. %were searched. Difference in conductivity mechanisms was revealed for stoichiometric crystals grown by different methods. Among LiNbO3:Zn was found one with the structure very similar to the structure of stoichiometric crystal. Keywords: lithium niobate, photoindiced light scattering, fractal analysis. В сегнетоэлектрическом монокристалле ниобата лития (LiNbO3) под действием лазерного излучения видимой длины волны мощностью от 35 мВт в освещенной области возникают микроструктурные дефекты с измененным показателем преломления [1]. Возникающие дефекты или статические, и тогда показатель преломления в них изменен все время облучения, или флуктуирующие, «мерцающие». На этих дефектах происходит фотоиндуцированное рассеяние света (ФИРС). Картина ФИРС в кристалле ниобата лития является многослойной (выделяют три основных слоя в зависимости от расстояния до лазерного луча и, соответственно, яркости) [2], а ее вид носит явно выраженный фрактальный характер [3]. Каждый слой картины ФИРС в кристалле LiNbO 3 имеет свою структуру, которая несет в себе информацию как об оптических процессах, происходящих в кристаллах под действием лазерного излучения, так и о формировании и распределении лазерно-индуцированных дефектов и о перераспределении энергии между слоями ФИРС. Полученные при изучении отдельных слоев ФИРС данные помогут выявить структурные особенности кристаллов LiNbO 3 , которые определяют фоторефрактивные свойства. Так как ФИРС является мешающим фактором для большинства потенциальных применений материалов на основе ниобата лития, то в конечном итоге такое исследование приведет к получению оптического материала с заданными фоторефрактивными свойствами. Для исследования были выбраны стехиометрические и легированные цинком монокристаллы ниобата лития. Монокристаллы LiNbO3:Zn отличаются низким эффектом фоторефракции и перспективны как оптические материалы для преобразования когерентного и широкополосного излучений. Легирование именно в этом диапазоне концентраций цинка (0.018, 0.03, 0.52, 0.68, 0.88 вес. %) объясняется тем фактом, что в более ранних работах методом КРС было обнаружено упорядочение катионной подрешетки. Однако анализ картин ФИРС был выполнен только по углу раскрытия индикатрисы ФИРС, что является линейным методом и не регистрирует всех особенностей слоев ФИРС [4]. Стехиометрические кристаллы ниобата лития отличаются низким уровнем коэрцитивного поля и перспективны как материалы для нелинейных лазерных сред с периодически поляризованными доменными структурами и для голографической записи информации [1]. В данной работе фрактальный анализ применен для сравнительного исследования картин ФИРС в монокристаллах LiNbO 3 стехиометрического состава (Li/Nb=1), выращенных двумя способами: из расплава, содержащего 58.6% L i2O (LiNbO 3 стех) и из конгруэнтного расплава с добавлением щелочного флюса К2О (LiNbO3стех К 2 О). Вторая методика позволяет выращивать стехиометрические кристаллы большего диаметра и намного быстрее, чем по обычной методике. Однако уровень дефектности такого кристалла может быть выше, что, возможно, отразится на его оптических характеристиках. Поэтому проведение сравнительных исследований стехиометрических кристаллов, выращенных по разным технологиям, представляет большой интерес. В данной работе для кристаллов LiNbO 3 :Zn, легированных указанными концентрациями цинка и для стехиометрических кристаллов, выращенных по различным методикам, был выполнен фрактальный анализ картин ФИРС послойно. Данные фрактального анализа стехиометрических кристаллов были сравнены с анализом картин ФИРС по углу раскрытия индикатрисы спекл-структуры. Исследование картин ФИРС с помощью анализа динамики фрактальной размерности слоев позволяет с большей чувствительностью определять особенности изменения концентрации лазерно-индуцированных дефектов и перераспределения лазерно-индуцированных дефектов, а также более подробно изучить происходящие в объеме кристалла, затронутом ФИРС. Показано, что перенос энергии из лазерного луча в слои спекл-структуры ФИРС, проявляющийся в изменении фрактальной размерности, а следовательно, и концентрации лазерно-индуцированных дефектов, различается для кристаллов стехиометрического состава, выращенных по разным методикам. Различия проявляются в форме графиков зависимостей при возбуждении лазерным излучением одинаковой мощности и в разных реакциях на увеличение мощности накачки. Это, возможно, объясняется разными механизмами проводимости, связанными напрямую с упорядоченностью катионной подрешетки, которая весьма чувствительна к любым изменениям технологии выращивания. Для кристалла, выращенного по обычной технологии, характерна поляронная проводимость, а для кристалла, выращенного из конгруэнтного расплава с щелочным флюсом, - прыжковая. Для кристаллов ниобата лития, легированных цинком, был выявлен состав, имеющий наиболее упорядоченную катионную подрешетку. Максимум, проявляющийся в зависимости фрактальной размерности от времени первого слоя ФИРС, раскрывается быстрее всего в кристалле LiNbO3:Zn (0.52 вес. %). Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта «Ведущие научные школы» № НШ-487.2014.3. 408