Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

две серии монокристаллов: первая — при концентрации ZnО в расплаве от 4,0 до 9,0 мол. % с шагом легирования 0,5 мол. %, вторая — от 5,3 до 7,0 мол. % ZnО в расплаве с шагом легирования 0,2 мол. %. Определены оптимальные условия получения монокристаллов LiNbO3 : РЗЭ и LiNbO3 : Zn. Ключевые слова: монокристалл ниобата лития, сегнетоэлектрики, редкоземельные элементы, расплав — кристалл, легирование, метод Чохральского. PECULIARITIES OF GROWING NOMINALLY PURE AND HEAVILY DOPED LITHIUM NIOBATE SINGLE CRYSTALS BY THE CZOCHRALSKI METHOD I. V. Biryukova, I. N. Efremov, M. N. Palatnikov I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre “Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences”, Apatity, Russia Abstract The study of melt—crystal system has been conducted and a series of LiNbO3 : REE single crystals has been grown in the range of dopant concentrations in the melt from 0,1 to 3,0 mass %. To evaluate the melt — crystal system LiNbO3 : Zn, two series of single crystals were grown under identical conditions: the first one is concentration of ZnO in the melt from 4,0 to 9,0 mol. % with a doping step of 0,5 mol. %, the second one is concentration range from 5,3 to 7,0 mol. % ZnO in the melt with an alloying step of 0,2 mol. %. Optimal conditions for obtaining single crystals were determined. Keywords: single crystal of lithium niobate, ferroelectrics, rare earth elements, melt — crystal system, doping, Czochralski method. Монокристаллы ниобата лития как функциональные диэлектрики занимают особое положение при формировании многих новейших направлений электроники, акусто- и оптоэлектроники, нелинейной оптики, лазерной техники благодаря уникальному сочетанию сегнетоэлектрических и лазерных, пиро- и пьезо­ электрических свойств, а также возможности модификации свойств путем легирования. Так, например, номинально чистые кристаллы ниобата лития обладают фоторефрактивными свойствами. Это ограничивает их применение в нелинейной и интегральной оптике, поскольку действие лазерного излучения приводит к искажению оптических характеристик [1, 2]. Повышения лазерной стойкости кристаллов ниобата лития можно добиться путем контролируемого введения легирующих нефоторефрактивных примесей (Mg, Zn, Gd, In, Sc, В...), подавляющих фоторефракцию [1-4]. Монокристаллы ниобата лития, легированные редкоземельными катионами (РЗЭ), сочетают в себе одновременно активные (лазерные ) и нелинейные свойства и перспективны для создания лазерных устройств. При легировании физико-химические свойства и структура расплава изменяются, особенно при введении высоких концентраций примеси. При этом условия выращивания номинально чистых и сильно легированных кристаллов ниобата лития существенно отличаются [4]. Сведения о коэффициентах распределения примесей достаточно противоречивы, что, по-видимому, является следствием зависимости Кэфф от конкретных тепловых условий выращивания, скоростей вращения и перемещения и от концентрации примеси в расплаве [4]. В связи с этим актуальными являются подробные исследования характера распределения примеси в системе «расплав — кристалл» в широком интервале концентраций легирующей добавки. Важно также изучение процессов получения кристаллов из номинально чистых и сильно легированных расплавов LiNbO 3 с целью определения оптимальных тепловых условий выращивания монокристаллов ниобата лития с высокой воспроизводимостью характеристик. Факторы, влияющие на химическую и структурную однородность номинально чистых и легированных монокристаллов ниобата лития При получении номинально чистых и легированных кристаллов LiNbO3 методом Чохральского из расплава существует ряд факторов, влияющих на характер распределения основных (Li, Nb), примесных и легирующих элементов в объеме кристалла. Эти факторы обусловлены, прежде всего, фундаментальными особенностями физико-химических свойств ниобатов щелочных металлов. Согласно фазовой диаграмме [5] монокристаллы LiNbO 3 представляют собой фазы переменного состава и с достаточно широкой областью гомогенности — от 44,5 до 50,5 мол. % оксида лития — образуют непрерывный ряд твердых растворов. Конгруэнтно плавящийся состав LiNbO 3 значительно отличается от стехиометрического и характеризуется недостатком по литию, т. е. R = Li / Nb < 1 [5]. Изменение соотношения основных компонентов R = Li / Nb является как причиной образования химической неоднородности, так и одним из основных источников возникновения точечных дефектов в кристаллах ниобата лития. Недостаток по литию приводит к появлению комплексных дефектов, содержащих вакансии лития и ионы ниобия в позиции лития [6], а избыток лития 542