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

варьирования состава, который можно изменять либо путем изменения величины R = Li/Nb, либо путем легирования как металлическими, так и неметаллическими катионами [1, 2]. Многочисленные точечные дефекты катионной подрешетки в виде катионов и вакансий (V) располагаются в структуре кристалла LiNbO3 вдоль полярной оси (NbLi, Nbv, V i и др.) не равномерно, а ассоциируются в кластеры, размеры которых могут достигать несколько десятков элементарных ячеек. Такие крупные кластеры из точечных дефектов формируют особенности спонтанной поляризации и поляризуемости кислородно­ октаэдрических кластеров МеОб (где Me — Nb5+, Li+, V, примесный катион), определяющих нелинейно­ оптические и сегнетоэлектрические свойства кристалла LiNbO3. Особенности формирования кислородно­ октаэдрических кластеров МеОб в структуре кристалла LiNbO3 в настоящее время являются предметом интенсивных исследований, поскольку именно они оказывают существенное влияние на такие практически значимые физические характеристики, как композиционная однородность кристалла и его стойкость к повреждению лазерным излучением [3]. Основными точечными д еф ек т ам и , оказывающими влияние на фотоиндуцированное изменение показателя преломления (эффект фоторефракции — optical damage), являются катионы ниобия, расположенные в позициях катионов лития (NbLi), являющиеся глубокими электронными ловушками [2, 4, 5]. Легирование катионами с постоянной валентностью, как и увеличение отношения R = Li/Nb, уменьшает в кристалле концентрацию точечных дефектов NbLi [2, 4]. Легирование кристалла ниобата лития является наиболее эффективным способом изменения физико-химических и, прежде всего, оптических свойств кристалла. Так, легирование редкоземельными элементами улучшает эмиссионные свойства кристаллов, что важно для осуществления лазерной генерации на ионах редкоземельных элементов и преобразования частоты лазерного излучения. В настоящее время эффективным способом исследования особенностей расположения (в том числе особенностей кластеризации) основных и примесных катионов вдоль полярной оси кристалла LiNbO 3 является компьютерное моделирование в сочетании с экспериментальными данными дифракционных (полнопрофильный рентгеноструктурный анализ, метод Ритвельда) и динамических (комбинационное рассеяние света, электронный парамагнитный резонанс) методов исследования структуры вещества. При этом необходимо решать две взаимосвязанные задачи: определение порядка расположения катионов вдоль полярной оси кристалла и определение геометрии кислородно-октаэдрических кластеров МеОб. В данной работе, опираясь на данные рентгеноструктурного анализа кристалла LiNbO3, легированного эрбием [6], выполнено моделирование особенностей формирования кластеров ЕЮб. Полученные нами расчетные данные приведены в таблице. Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 4. С. 95-99. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 4. P. 95-99. Энергия кластера до и после оптимизации Исходное отношение Li/Nb Конечное отношение Li/Nb Энергия до оптимизации Энергия после оптимизации БК ЛК БК ЛК БК ЛК 0,92 0,885390 0,897816 -130,1501 -217,5270 -241,8938 -250,7727 0,95 0,911545 0,923972 -128,2540 -215,8165 -241,9212 -249,1462 0,96 0,922278 0,933481 -128,23 -213,6450 -242,8900 -248,3951 0,97 0,937434 0,948517 -126,7215 -213,8088 -243,5790 -247,7550 0,98 0,944850 0.955373 -119,02 -214,8086 -246,2900 -250,5516 1,00 0,965041 0,976307 -124,2239 -214,3362 -242,5227 -252,0593 Примечание. БК — кристалл без примесных ионов; ЛК — кристалл, легированный ионом 3+. Из приведенных данных видно значительное искажение в легированных кристаллах по сравнению с номинально чистыми кристаллами кислородных октаэдров Об, а также порядка чередования катионов вдоль полярной оси. На основе этих данных рассчитывались координаты ионов в кластере с использованием элементарной гексагональной ячейки кристалла ниобата лития, состоящей из 30 ионов. Для моделирования были рассмотрены кластеры с разным отношением Li/Nb (от 0,92 до 1,00), а также с разным процентным содержанием эрбия (5, 7 и 10 мольных процентов). Полученные гексагональные координаты с помощью разработанного нами программного пакета были переведены в декартовы координаты и оттранслированы на объем моделируемых кластеров (порядка семи тысяч ионов). При этом кластер строится на основании кислородных октаэдров, а не элементарных ячеек, что даёт определённые преимущества. Прежде всего, © Стародуб О. Р., Сидоров Н. В., Палатников М. Н., 2023 96