Труды КНЦ (Технические науки вып. 1/2024(15))

Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2024. Т. 15, № 1. С. 73-78. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 1. P. 73-78. For citation: Bobreva L. A. Study of structural features of LiNbO3:Cu crystals by ir absorption spectra in the region of stretching vibrations of hydrogen bonds // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 1. P. 73-78. doi:10.37614/2949-1215.2024.15.1.011. Кристалл ниобата лития (LiNbO 3 ) принадлежит к нестехиометрическим фазам переменного состава с широкой областью гомогенности на фазовой диаграмме [1]. Фоторефрактивную чувствительность кристалла LiNbO 3 можно повысить с помощью легирования примесями переходных металлов (Fe, Cu, Cr). Введение фоторефрактивных ионов влияет на фотоэлектрический эффект. Такие кристаллы могут быть использованы для создания голографических устройств, способных сохранять данные [2]. Кристаллы LiNbO 3 , как правило, обладают высокой степенью дефектности, главным образом это дефекты замещения атомов лития атомами ниобия (NbLi) внутри кислородного октаэдра. В идеальном стехиометрическом кристалле последовательность чередования катионов вдоль полярной оси имеет вид: [Li]-[Nb] — [□] (□ — вакантный октаэдр) [1]. В структуре катионной подрешётки идеального кристалла конгруэнтного состава нарушен порядок расположения катионов, в ней присутствуют ещё и точечные дефекты. Отрицательно заряженные точечные дефекты (Vu) образуются вследствие дефицита лития в структуре кристалла. Формирование положительно заряженных точечных дефектов (NbLi) связано с избытком ниобия в кристаллической решётке LiNbO 3 [1]. Введение легирующей примеси вносит изменения в расположении катионов вдоль полярной оси Z , в кристаллической структуре LiNbO 3 легирующая примесь при этом может занимать как позиции катионов Li и Nb, так и свободный октаэдр, тем самым позволяя направленно изменять свойства кристалла LiNbO3 [1-3]. Дефектную структуру кристалла LiNbO3 можно исследовать методом ИК-спектроскопии в области валентных колебаний водородных связей. Вхождение легирующих примесей как в основные позиции катионов Li, Nb, так и в свободный октаэдр влияет на интенсивность и число полос поглощения на ИК-спектре вследствие изменения длины связи (Ме-О и О-О) и искажения кислородного каркаса. При увеличении концентрации допирующей примеси выше концентрационного порога, при котором наблюдается перестройка катионной подрешётки кристалла, возможно появление новых полос поглощения в колебательном спектре. В искажённой кислородной плоскости имеется три длины О-О связи (272, 288 и 336 пм), на которых может расположиться атом водорода, присутствующий в структуре кристалла, выращенного в воздушной атмосфере. Атом водорода, образуя водородную связь с атомом кислорода, формирует дефект в виде гидроксильного комплекса ОН- . Присутствие атома водорода в структуре кристалла LiNbO 3 приводит к изменениям основных параметров полос поглощения на ИК-спектре в области валентных колебаний ОН--групп. Это происходит за счёт того, что атом водорода имеет малый размер и обладает высокой чувствительностью к изменениям кристаллического поля, возникающим при изменении отношения Li/Nb и легировании кристалла. Присутствие атомов водорода в структуре кристалла LiNbO 3 приводит к образованию с основными (Li+ и Nb5+) и легирующими катионами ^ е ) комплексных дефектов: Vu-OH, Nbu-OH, Ме-OH, МеЮИ-Ме [2, 4]. Цель данной работы — методом спектроскопии ИК-поглощения в области валентных колебаний водородной связи исследовать особенности локализации легирующей примеси Cu2+ и их влияние на комплексные дефекты, связанные с ОН-группами в кристаллах LiNbO 3 :Cu (0,015 и 0,46 мас. %). Методика эксперимента Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского по единой методике на установке «Кристалл-2». Применялся метод прямого легирования конгруэнтного расплава, когда легирующая примесь вводится в расплав в виде соответствующего оксида квалификации о. с. ч. Подробно методика роста кристаллов и приготовления шихты описана в работе [3]. Кристаллические образцы для исследований имели форму прямоугольных параллелепипедов (размеры ~ 8*7*6 мм3) с рёбрами, совпадающими по направлению с кристаллофизическими осями X, Y, Z, где ось Z — полярная ось кристалла. Грани параллелепипедов тщательно полировались. Регистрация спектров производилась с помощью спектрометра Bruker VERTEX 70x. © Бобрева Л. А., 2024 74