Труды КНЦ вып.4(ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ) вып. 3/2020(11)

INFLUENCE OF TRACE AMOUNTS OF BORON ON STRUCTURAL DEFECTS OF LITHIUM NIOBATE CRYSTAL R. A. Titov, N. V. Sidorov, N. A. Teplyakova, M. N. Palatnikov, I. V. Biryukova Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC “ Kola Science Centre RAS ” , Apatity, Russia Abstract The analysis of structural particularities of nominally pure LiNbO 3 : B grown with using of B 2 O 3 flux was performed by methods of Raman and photoinduced light scattering, infrared absorption and laser conoscopy. It was established that the non-metallic element boron is included in the vacant tetrahedrals of LiNbO 3 crystal structure at trace amounts. In this case, boron substantially deforms the oxygen octahedra of the structure and changes their polarizability. It affects the nonlinear optical properties of the crystal. Boron, as an active complexing agent, structures the melt and aligns value of the distribution coefficients of lithium and niobium in the growing process. Boron in the tetrahedrals reduces both the number of Nb Li defects and the content of multiply charged uncontrolled impurities in the crystal, enhancing the optical damage. Keywords: single crystal, lithium niobate, doping, boron, Raman and photoinduced light scattering, infrared absorption, defects, compositional uniformity, optical damage. Введение Монокристалл ниобата лития (LiNbO 3 ) является перспективным кислородно-октаэдрическим сегнетоэлектриком, интерес к которому вызван сочетанием уникальных электрооптических, нелинейно-оптических и фоторефрактивных свойств [1]. Будучи фазой переменного состава с достаточно широкой областью гомогенности [2], ниобат лития обладает сильно развитой дефектной структурой. Кристаллические структуры фаз переменного состава отличаются повышенной пространственной неоднородностью и большим количеством протяжённых и точечных дефектов. Для регулирования дефектности кристалла и эффекта фоторефракции (optical damage) кристалл LiNbO 3 принято легировать катионами металлов, входящими в октаэдрические пустоты структуры. Способ легирования, а также тип и концентрация легирующей примеси оказывает влияние на упорядочение структурных единиц катионной подрешётки, концентрацию собственных и примесных дефектов, величину фотополей и эффект фоторефракции кристалла LiNbO 3 . При легировании происходит встраивание катионов металлов Me n + в литиевый, ниобиевый или вакантный октаэдры структуры кристалла LiNbO 3 . Особенности распределения катионов по октаэдрам вдоль полярной оси кристалла определяются природой и концентрацией легирующих катионов. Изменяя концентрацию легирующих катионных примесей, можно регулировать концентрацию точечных дефектов (Nb Li , V Li и др.) и связанных с ними комплексных дефектов, обусловленных наличием гидроксильных групп ОН в структуре кристалла. Однако легирование металлами, особенно при высоких концентрациях легирующих примесей, близких к пороговым, приводит к снижению композиционной однородности кристалла, к появлению в нем микрообластей, кластеров и других пространственных дефектов, существенно ухудшающих качество оптических материалов. Новым способом снижения концентрации структурных дефектов Nb Li (являющихся глубокими ловушками электронов) в номинально чистых кристаллах LiNbO 3 является выращивание кристаллов из шихты конгруэнтного состава с применением флюса В 2 О 3 . Данный подход позволяет выращивать кристаллы LiNbO 3 , обладающие повышенным упорядочением структурных единиц катионной подрешётки и повышенным сопротивлением к повреждению лазерным излучением. В таких кристаллах понижена концентрация структурных дефектов (Nb Li , V Li и др.) и величина стехиометрии лежит в пределах 0,946 < R = Li / Nb < 1. В данной работе методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), ИК-спектроскопии поглощения, фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС) и лазерной коноскопии исследованы особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO 3 , выращенных с применением флюса В 2 О 3 . Были исследованы кристаллы LiNbO 3 : B, содержащие в шихте 0,55, 0,69 и 0,83 мол. % В 2 О 3 соответственно. Результаты исследований сравнивались с результатами, полученными для номинально чистых кристаллов стехиометрического (LiNbO зстех. ) и конгруэнтного (LiNbO зконг. ) составов. Эксперимент Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского на установке «Кристалл-2», снабженной системой автоматического весового контроля. Содержание следовых 196