Труды КНЦ (Технические науки вып.4/2023(14))

Введение Нелинейно-оптический кристалл ниобат лития (LiNbO3) обладает уникальным набором свойств, что обеспечивает его широкое практическое применение, в частности, в качестве преобразователей частоты лазерного излучения на периодически поляризованных доменных структурах [1]. Для этой цели в настоящее время используют кристаллы LiNbO3 (~ 5,0 мол. % MgO) [2, 3], легированные магнием вблизи основного концентрационного порога (« 5,5 мол. % MgO) [4]. Кристаллы LiNbO3 (~ 5,0 мол. % MgO) обладают более низким значением коэрцитивного поля (~4 ,5 кВ/мм [5]), по сравнению с кристаллом ниобата лития конгруэнтного состава (LiNbOзконг, R = [Li]/[Nb] = 0,946, ~ 22,3 кВ/мм), что является важным критерием для их применения в качестве преобразователей частоты лазерного излучения. К недостатку кристаллов LiNbO3 (~ 5,0 мол. % MgO) можно отнести то, что такие сильно легированные кристаллы характеризуются низкой композиционной однородностью [6]. Помимо кристаллов LiNbO3 (~ 5,0 мол. % MgO) столь же низким значением коэрцитивного поля обладают кристаллы ниобата лития стехиометрического состава (LiNbOзстех, R = [Li]/[Nb] = 1, ~ 3,0 кВ/мм), выращенные из расплава с 58,6 мол. % Li 2 O. Однако ввиду высокой оптической неоднородности и наличия эффекта фоторефракции, применение кристаллов LiNbOзстех на практике ограничено. Низким эффектом фоторефракции и высокой композиционной однородностью обладают стехиометрические кристаллы, полученные с использованием флюса ^ О [7]. Однако по такой технологии существенно затруднено получение крупногабаритных кристаллов, а сам процесс выращивания кристаллов даже малого размера очень длительный. Существующие методы и подходы к получению кристаллов ниобата лития стехиометрического состава имеют свои преимущества и недостатки [7]. Основная сложность в получении кристаллов стехиометрического состава заключается в особенности фазовой диаграммы системы Li2O-Nb2O5 [8, 9] — стехиометрический состав фазы LiNbO3 находится на краю области гомогенности, а явно выраженный максимум на пересечении линий солидуса и ликвидуса отсутствует, что приводит к частичной диссоциации соединения, повышению эффекта фоторефракции и проводимости [10]. Гетеродесмический кристалл ниобата лития можно считать строго стехиометрическим при выполнении нескольких условий: отношение основных компонентов должно быть равно 1 (R = [Li]/[Nb] = 1); реализация идеального чередования основных катионов (Li, Nb) и вакансий (V) вдоль полярной оси кристалла (Li, Nb, V, L i...). Кроме того, должно быть определенное расположение в структуре дефектов в виде ОН-групп [7]. Безусловно, осуществить выполнение сразу нескольких условий— идеальный случай. Однако к состоянию структуры, близкому к идеальному, можно приблизиться. В частности, использование неметаллических легирующих компонентов (боросодержащих производных — B2O3 и H 3 BO 3 [7, 11]) позволяет из шихты конгруэнтного состава вырастить близкие по составу к стехиометрическим (R = [Li]/[Nb] ~ 1) боросодержащие кристаллы ниобата лития (LiNbO 3 :B), обладающие упорядочением структурных единиц катионной подрешётки, промежуточным между соответствующим упорядочением в кристаллах стехиометрического и конгруэнтного составов, высокой оптической и композиционной однородностью, а также низким эффектом фоторефракции [12, 13]. Несмотря на высокое оптическое качество и величину стехиометрии, близкую к 1, в кристаллах LiNbO 3 :B, согласно данным рентгеноструктурного анализа, имеются точечные структурные дефекты — катионы ниобия, локализованные в литиевых (Nbu, “niobium antisite”) и вакантных (Nby) октаэдрах структуры кристалла [13]. Наличие таких дефектов нарушает правильное чередование основных катионов вдоль полярной оси кристалла, а также становится одной из причин проявления эффекта фоторефракции. Таким образом, целью данной работы является исследование влияния концентрации катионов бора на тип и концентрацию структурных дефектов (NbLi, NbV) и выяснение наиболее вероятной локали зации катионов бора в гран ях вакантны х тетр аэдри чески х пустот кри сталла LiNbO 3 :B (144-10-5мас. % B в конусе). Э ксп ерим ен т Монокристалл LiNbO 3 :B (144 10-5 мас. % B в конусе) был выращен в направлении (001) методом Чохральского на ростовой установке «Кристалл-2» с индукционным типом нагрева в воздушной атмосфере из платинового тигля. Шихта для выращивания кристалла LiNbO 3 :B (144-10-5мас. % B в конусе) была получена методом прямого твёрдофазного легирования с использованием смеси Li 2 CO 3 :Nb 2 O 5 :H 3 BO 3 Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 4. С. 106-112. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 4. P. 106-112. © Титов Р. А., Кадетова А. В., Токко О. В., Сидоров Н. В., Палатников М. Н., 2023 107