Математическое моделирование основных характеристик LiNbO3 периодических структур

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЬШБОз ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР Сулейменов А.Ж.

Сулейменов Азат Жексенбайулы — магистрант, кафедра нанотехнологий и наноматериалов, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: в настоящей работе рассматриваются методы создания и механизмы образования регулярной доменной структуры в кристаллах LiNbO3, изучаются особенности переполяризации при создании РДС методом ТЭО и устанавливается взаимосвязь характера доменных границ с дефектами структуры кристаллов.

Исходными заготовками для формирования РДС в монокристаллах ниобата лития в настоящей методике являются элементы типа ЛН-9-01-ЛН-9-06. Доменные границы в процессе формирования РДС формируются параллельно базовым плоскостям исходных элементов.

Монокристаллы ниобата лития с регулярной доменной структурой предназначены для использования в устройствах квантовой электроники, акустооптики и акустоэлектроники.

Ключевые слова: ниобат лития, температура Кюри, регулярная доменная структура, доменные границы, переполяризация, термоэлектрическая обработка, дефекты.

Введение

Полидоменные кристаллы - результат структурных фазовых переходов, связанных с изменением симметрии. При охлаждении кристалла через точку фазового перехода или в результате приложения внешних электрических полей обычно формируется тот или иной вид неупорядоченный доменный структуры. Хотя часто в процессе роста наблюдается относительное упорядочение доменов, действительно регулярные доменные структуры (далее РДС) могут быть получены только за счет точного выбора и контроля внешних воздействий, которые формируют РДС с заданными параметрами. При этом под влиянием упорядоченно расположенных доменных границ с заданными периодами, связанных с ними примесных и собственных точечных дефектов и внутренних электрических полей модулируются свойства по объему: электрооптические, акустооптические, линейные и нелинейные диэлектрические восприимчивости-и другие физические свойства, характеризующие материал.

РДС в одноосном сегнетоэлекрике - ниобате лития - образованы антипаралльными или 180 -

градусными доменами, у которых вектора спонтанной поляризации Р имеют противоположные

направления вдоль поляной оси.

Возможность применения кристаллов с РДС в различных областях техники известна давно. Предлагалось использование различных сегнетоэлектриков в акустоэлектронике, элекрооптике, акустооптике, нелинейной оптике для преобразования частоты лазерного излучения и т.д.

Вопрос применения кристаллов ниобата лития с РДС тесно связан с совершенствованием технологии их получения, так как эффективность устройств зависит от параметров доменной структуры. Для получения совершенных доменных структур необходимо преодолеть серьезные технологические препятствия, связанные с особенностями фазовых переходов в этих кристаллах: высокой температурой Кюри, близкой к температуре плавления, зависимостью температуры Кюри от состава, наличием сильных пирополей в кристалле и др.

Различаются технологии получения волноводных, поверхностных доменных структур при температурах далеких от фазовых переходов и объемных структур при температурах близких к температуре Кюри. К первым относятся электронно-лучевой метод, переполяризация кристаллов приложением полей с использованием электродов - масок. Ко вторым относятся методы выращивания кристаллов в ассиметричном тепловом поле, метод послеростовой термоэлектрической обработки и др. Эти методы имеют свои достоинства недостатки, но только объемные структуры наиболее перспективны для применения при преобразовании частоты достаточно мощного лазерного излучения неодим - содержащих лазеров. Для разных методов существуют ограничения по эффективной длине, стабильности периодов доменов, объему кристалла и минимальному получаемому периоду РДС.

Для оптимизации режимов формирования РДС необходимо определить влияния параметров технологического процесса на совершенство структур и найти комплексные параметры управления.

Одним из наиболее разработанных способов получения РДС является метод высокой электротермической обработки. Имеющееся технологическое оборудование позволяет получать

РДС с периодом в несколько десятков микрон при различной ориентации вектора Р

относительно доменных границ. Однако дальнейшее уменьшение размеров доменов требует как технологического изменения конструкции тепловой зоны установки, так и дополнительного изучения кинетики процессов прорастания доменов в объеме кристалла ниобата лития при воздействии импульсных знакопеременных полей малой напряженности и влияния исходной однородности кристаллов на эти процессы. Основная часть

Образование периодической доменной структуры обуславливается двумя типами физических процессов:

Возникновение поляризации определенной ориентации Р в процессе фазового перехода под

действием электрического поля, которое может быть внешним, приложенным к кристаллу, или иметь внутреннее происхождение;

Переполяризация кристалла в сегнетоэлектрической фазе при приложении электрического

поля, большего, чем коэрцитивное поле Ес .

Фазовый переход из пара - в сегнетоэлектрическое состояние в ниобате лития является переходом второго рода типа смещения. В процессе охлаждения кристалла при достижении

гр 0

температуры Кюри 1 с =1150 С, являющейся очень высокой и близкой к температуре плавления

Тпл = 1250 0 С, происходит смещение подрешетки катионов Ы + и ЫЪ 5+ относительно анионной подрешетки кислорода.

Рассмотрим область ЫЫЪО 3 с РДС, состоящую из двух соседних доменов, отличающихся знаком

Р8. Будем называть их домен "+" и домен "-". Так как при переходе от домена + к домену -направление Р8 меняется на противоположное, следовательно также меняется направление кристаллофизической оси Х3. Поскольку для класса симметрии 3т отсутствует энантиоморфизм, то

для сохранения правой тройки координат ось Х также должна сменить направление на противоположное (рис.1.). Поэтому матрица перехода системы координат домена "+" к домену "-" имеет вид, показанный на рис. 2. Используя выражение для изменения компанент тензора при переходе к новой системе координат, можно записать соотношения:

С + =С -

1 jkI тпрд

+ -

е, ., =-е

1 jk тпр

+ -

Г = Г

1jk тпр

V

Рис. 1. Визуализация доменов ЫМЬОЗ 74

Анализ литературы показал, что среди нескольких альтернативных методов получения РДС в LiNbO3 только при ТЭО можно формировать объемные структуры с заданными периодами, ограниченными несколькими десятками микрометров. Динамика переполяризации отдельных доменов, влияние на эти процессы дефектов структуры кристаллов и технологических режимов изучено недостаточно для выработки оптимальных условий получения структур с высокой регулярностью периодом в несколько микрон.

Рассмотрены технологические условия проведения переполяризации при температуре близкой к температуре Кюри и показано, что величина grad T в зоне переполяризации определяет постоянство размера доменов по длине кристалла и их минимальный период. Для сохранения постоянного grad T печи добавлен дополнительный керамический полученных структур [2, с. 322].

Изучено влияние дефектов на характер доменных границ. Определены технические требования к РДС. Показана связь между качеством РДС и исходной однородностью кристаллов. Основными дефектами, определяющими характер доменных структур, является изменение состава и объемные дефекты, на которых происходит закрепление доменов, искажение их плоской формы, вплоть до полного разрушения доменных структур.

Список литературы

1. Abrahams S.C., Reddy J.M. J. Phys. Sol-1966. V. 27. № 6-7. Р. 997-1012.

2. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: наука, гл. ред. физ-мат. лит, 1987. 322 с.

3. Ahrens L. Geochem. Cosmochem. Asta, 1952. P. 155.

4. СтуковБ.А. Сегнетоэлектричество. М.: наука, гл. ред.-мат. лит., 1979. 96 с.

5. Niizeki N. Jap J. Appl Phis., 1967. V. 6. № 3. Р. 318-327.

6. Boyd G.D., Nassau K. Appl. Phis.Lett., 1964. P. 234.

7. Nassau K. Appl. Phys. Lett., 1966. P. 228, 983.

8. Reisman A., Holzberg F. Heterogeneous Equilibria in Systems Li2O-Ag2 O-Nb2O5 and Oxide Models.-J.Am. Chem. Soc., 1958. V.80. № 24. P. 6503-6507.

9. Блистанов A.A., Бондаренко B.C., Чкалова B.B. под ред. Шаскольской // Акустические кристаллы. Справочник. М.: Наука, 1982. 632 с.

10. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития. Материалы для нелинейной оптики. М.: наука, гл. ред. физ-мат. лит. 223 с.