Сравнительный анализ внутреннего строения кристаллов YAG:Nd, полученных разными методами

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ И ФИЗИКА

УДК 548.50 ББК 24.522

Рыбина Эльвира Нафизовна

аспирант

кафедра общей и теоретической физики Челябинский государственный педагогический университет

г. Челябинск Rybina Elvira Nafizovna Post-graduate Chair of General and Theoretical Physics Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk

Сравнительный анализ внутреннего строения кристаллов YAG:Nd, полученных разными методами Comparative Analysis of the Internal Crystal Structure of YAG:Nd Obtained by Different Methods

Проведено исследование кристаллов концентрационного ряда

Y3-xAl5O12+Ndx. Гидротермальным травлением установлена субструктура кристаллов, полученных методом Чохральского и направленной кристаллизации. Определён механизм роста и захвата примеси Nd, выявлен характер распределения примеси при разных способах выращивания.

Crystals of the concentration range Y3-xAl5O12+Ndх have been investigated. Substructure of crystals grown by the Czochralski method and directional solidification are revealed by the method of hydrothermal etching. The growth mechanism and impurity capture Nd, the nature of the impurity distribution at different ways of growing are revealed.

Ключевые слова: кристалл, алюмоиттриевый гранат с неодимом

(YAG:Nd), примесь, субструктура, гидротермальное травление.

Key words: crystal, Yttrium Aluminum Garnet with neodymium (YAG: Nd), impurity, substructure, hydrothermal etching.

Проведено исследование кристаллов концентрационного ряда

Y3-xAl5O12+Nd^ выращенных методом Чохральского и направленной кристаллизации. Оптические свойства кристаллов YAG:Nd зависят от химического состава и концентрации активной примеси в нём. Наличие неодима (Nd) в YAG в качестве активной примеси обуславливают лазерные свойства кристалла [1,2].

Основными задачами исследования являются:

- определение концентрации активной примеси неодима в кристаллах YAG спектрально-оптическим и методом Фарадея;

- применяя метод гидротермального травления установить субструктуру кристаллов и оптимальную концентрацию примеси неодима.

- на основе исследования провести сравнительный анализ двух методов выращивания: Чохральского и направленной кристаллизации.

3_1_

Кристаллы УЛО:Кё выращены методом Чохральского, с выпуклым фронтом роста, а методом направленной кристаллизации - с вогнутым фронтом роста. Данный факт влияет на распределение примеси в монокристаллах, выращенных в условиях разнонаправленных конвективных потоков. Направление указанных потоков в методах Чохральского и направленной кристаллизации имеет вид, представленный на рис.1. На рис.2. приведена соответствующая картина распределения примесей в зависимости от геометрической формы фронта роста [3].

I

/

2

Рис.1. Конвективные потоки в расплаве (показаны стрелками) при выращивании монокристаллов в условиях 1- выпуклого и 2-вогнутого фронтов кристаллизации. Кристаллы обозначены штриховкой.

а б

Рис.2. Распределение примеси (показано штриховкой) в зависимости от направления конвективных потоков.

Форма фронта роста: а - выпуклая, б - вогнутая.

Видно, что примесь при выпуклом в сторону расплава фронте роста в методе Чохральского скапливается в центре монокристалла, а при вогнутом (метод направленной кристаллизации) фронте роста - на периферии. Таким образом, в случае роста кристалла методом Чохральского в качестве активных элементов квантовых генераторов нужно использовать только часть периферии, а в случае направленной кристаллизации - центральную область.

Гидротермальным методом установлено, что в кристаллах метода Чохральского существует «эффект грани», где имеются сектора роста по границам которых располагается примесь неодима. Выявлены три вида субструктуры: секториальность, ячеистость и зонарность. Образцы имеют хорошо развитое секториальное строение, причём видимые секторы занимают до 30% площади.

3 1

Отчётливо просматривается зонарность плотностью 2,5 10 лин см- . Границы зонарности в секторах роста параллельны границам центрального сектора. По мере приближения к периферии кристалла границы зонарности для цилиндрической були принимают форму концентрических окружностей, при этом плотность границ увеличивается. На границе перехода от секториальной области к зонарной наблюдается искривление линий зонарности: они принимают волнообразную форму, появляется ячеистая субструктура [4].

Однако, для кристаллов выращенных методом направленной кристаллизации, гидротермальным травлением установлено, что кристаллы имеют ячеистое строение, т.е. ионы неодима распределяются по ячейкам. С увеличением концентрации примеси возрастает плотность ячеек, а с превышением предельной концентрации образуются включения не растворившейся примеси.

Для двух методов выращивания характерны два механизма роста: послойный и нормальный. Несмотря на то, что природа остаточных напряжений зависит от многих факторов, роль механизма роста весьма существенна. В случае когда рост кристалла проходит при вогнутом фронте области граней располагаются в периферийной части фронта роста. На рис.3. приведена картина остаточных напряжений в монокристалле УЛО:Кё, снятая в поляризованном свете. На рисунке видно, что на стыке двух форм роста возникают устойчивые поля

напряжений, связанные с неодинаковыми коэффициентами термического расширения. Так как область, примыкающая к гранной форме, сжата, то очевидно, что коэффициента для гранных форм роста выше, чем для негранных. Избавиться от таких напряжений невозможно, поскольку эти напряжения определяются строением монокристалла [5].

Рис.З.Картина остаточных механических напряжений, обусловленная действием двух механизмов роста. Поляризованный свет.

Увеличение *10

Отличительной особенностью кристаллов с примесью неодима является зональное распределение примеси, причём в центральной области нарастание кристалла проходит наслоением по гранкам, в периферийной области - по нормальному механизму, а в средней области - потеем ячеистого роста, что отражается на распределение примеси и совершенстве кристалла. Иной же характер распределения примеси проявляется у кристаллов, полученных способом направленной кристаллизации. Нами исследовались кристаллы, выращенные в направлении, близком к [001], с различной концентрацией неодима. Для определения концентрации использовались методы оптический и магнитный, а для выявления субструктуры - гидротермальное травление.

Для определения концентрации магнитным методом использовался способ Фарадея, основанный на взаимодействии образца с неоднородным магнитным полем. УЛО без примеси неодима диамагнитен, тогда как окись неодима парамагнитна. При образовании твёрдого раствора У3-хЛ15012+Шх по мере увеличения концентрации неодима снижаются диамагнитные свойства согласно закону Кюри-Вейса (1):

где Лх изменение магнитной восприимчивости вещества при последовательном замещении ионов одной активности на ионы другой, N -количество атомов примеси в одном грамме вещества, ц - эффективный магнитный момент иона, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, в - точка Кюри. В качестве контрольного образца использовался кристалл АИГ с концентрацией примеси ~0,2 ат. %, определённой оптическим методом.

Таблица 1

Таблица 1. Концентрация неодима в кристаллах, % ат.

Магнитный метод Оптический метод

0 0

0,20 0,20

0,35 0,32

0,65 0,38

0,95 0,56

1,23 0,78

3,79 3,0

Из таблицы следует, что значение концентрации примеси, определённое магнитным способом, выше, чем оптическим. Оптический метод указывает на концентрацию примесных ионов, вошедших изоморфно в решётку кристалла, а магнитный указывает, на полную концентрацию в кристалле. По разнице концентраций можно судить о количестве примеси, не вошедшей в решётку.

С увеличением концентрации примеси в исходной среде возрастает её концентрация как в решётке кристалла, так и вне её.

С приближением к концентрации ~ 1 ат.% помимо диамагнитной составляющей на отдельных участках образцов обнаруживается примесь с парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости. При концентрации выше ~ 1,23 ат.% проявляется только парамагнитная составляющая. На рис.4. представлены субструктуры кристаллов УЛО с различной концентрацией примеси. Основным элементом субструктуры у кристаллов с концентрацией до 0,65 ат.% является ячеистость. Ячейки соответствуют симметрии исследуемой

плоскости, границы их вытравливаются в виде бороздок, что указывает на повышенную концентрацию примеси на этих участках.

Рис.4. Ячеистое строение кристаллов УЛС с примесью ^ с концентрацией

а - 0,6 ат.% и б -0,7 ат.% Плоскость [001], Увеличение х 500 раз

С увеличением концентрации неодима до 0,7 ат.% возрастает плотность ячеек (рис.4б.), контуры ячеек становятся более широкими и глубокими, а внутри ячеек появляются поперечные бороздки. Дальнейшее увеличение примеси до 0,8-0,9 ат.% приводит к пластинчатым выделениям, тогда как контрастность ячеек снижается. Согласно магнитным изменениям пластинчатые выделения связаны с выделением примеси неодима. С концентрацией примеси выше ~ 1% в кристаллах наблюдаются крупные сферические образования не растворившейся примеси неодима (не проплавы). Обнаруживается при этом и вторая фаза - алюминат иттрия.

Как зональность, так и ячеистость обусловлены неравновесным избыточным содержанием примеси. При температуре выращивания примесь может находиться в равновесном состоянии с матрицей, но по мере охлаждения примесь попадает в неравновесное состояние и оттесняется кристаллом к границам ячеек. Эффективность «самоочистки» кристалла снижается с повышением концентрации примеси. Коэффициент захвата неодима УЛО составляет ~ 0,2-0,3, тогда как коэффициент захвата примеси неодима алюминатом иттрия К ~ 1, поэтому концентрация примеси неодима в кристалле резко возрастает с образованием второй фазы. Сферические образования представляют собой макроскопические включения оксида неодима.

Таким образом, между концентрацией примеси и субструктурой УЛО с примесями неодима имеется некоторая связь. Причём зональность и ячеистость по-разному влияют на оптические свойства кристаллов.

Выводы:

1. Кристаллы полученные разными методами отличаются механизмом распределения примеси: в кристаллах метода Чохральского примесь распределяется по границам зонарности, т.е. более равномерно, а в кристаллах направленной кристаллизации примесь располагается по ячейкам.

2. Предельная концентрация примеси в кристаллах метода Чохральского составляет 0,9%, а направленной кристаллизации 0,6%.

3. Элементы граней в кристаллах метода Чохральского проявляются в центральной области, а кристаллов направленной кристаллизации - в периферийной.

4. В кристаллах УЛО:№, выращенных методом направленной кристаллизации, наблюдается проявление «эффекта грани» в виде секториально-сти, а в УЛО, полученных методом Чохральского, в виде секториально-зонального строения.

5. Получают кристаллы методом Чохральского при выпуклом фронте роста, а направленной кристаллизации при вогнутом.

Библиографический список

1. Багдасаров, Х.С. Выращивание кристаллов иттрий-алюминиевого граната [Текст]/ Х.С. Багдасаров, И.И. Карпов, Б.Н. Трегумников // Обзоры по электронной технике. Серия: Квантовая электроника.- Т.10, в.1. - 1976. -С. 106.

2. Бычков, В.З. Выращивание монокристаллов АИГ с примесью неодима [Текст]/ В.З. Бычков, С.А. Федулов, А.С. Власов// Кристаллография. - Т.14, в.6 . - 1969. - С. 1115-1116.

3. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава [Текст]/ М.:Физматлит.-2004.-С. 40,61-62.

4. Брызгалов, А.Н. Зависимость субструктуры кристаллов алюмоиттриевого граната от условий их выращивания [Текст]/ А.Н. Брызгалов, Э.Т. Эмир-беков, А.О. Иванов// Физика кристаллизации. - Калинин. - 1981. - С. 7073.

5. Брызгалов, А.Н.Распределение примеси неодима в кристаллах АИГ, полученных способом направленной кристаллизации [Текст]/ А.Н. Брызгалов,

Э.Т. Эмирбеков, А.Я. Аксеновских, В.А. Письменный// Физика кристаллизации. - Калинин. - 1990. - С. 65-69.

Bibliography

1. Bagdasarov, Kh.S. Growing Crystals of Yttrium Aluminum Garnet [Text] / Kh.S. Bagdasarov, I.I. Karpov, B.N. Tregumnikov // Electronic Reviews. Series: Quantum Electronics. - V.10, Iss.1. - 1976. - P. 106.

2. Bagdasarov, Kh.S. High Temperature Crystallization From the Melt [Text] / M.

- 2004. - P. 40, 61-62.

3. Bryzgalov, A.N. Substructure Dependence of Yttrium Aluminum Garnet Crystals On the Conditions of Their Growth [Text] / A.N. Bryzgalov, E.T. Emirbe-kov, A.O. Ivanov / / Physics of Crystallization. - Kalinin - 1981. - P. 70-73.

4. Bryzgalov, A.N. The Distribution of Neodymium Impurity in YAG Crystals Obtained by Directional Solidification Method [Text] / A.N. Bryzgalov, E.T. Emir-bekov, A.Ya. Aksenovskikh, V.A. Pismenny / / Physics of Crystallization. - Kalinin. - 1990. - P. 65-69.

5. Bychkov, V.Z. Growth of Single YAG Crystals Doped with Neodymium [Text] / V.Z. Bychkov, S.A. Fedulov, A.S. Vlasov / / Crystallography. - V.14, Iss.6 -1969. - P. 1115-1116.