Исследование фоторефрактивных свойств монокристаллов ниобата лития разного составапо параметрам индикатрисы рассеянного излучения

Литература

1. Широкая А.А., Дрогобужская С.В. Влияние хлорид-иона на извлечение благородных металлов из модельных растворов волокном ФИБАН АК-22 // Сборник докладов IX науч.-технич. конф. молодых ученых, специалистов и студентов вузов (Апатиты, 15-17 апреля 2015 г.) / Мин. обр. и науки Мурманской области. - Апатиты: КНЦ РАН, 2016 - с. 133-137.

2. Широкая А.А., Черкун Ю.А., Дрогобужская С.В. Изучение влияния серной кислоты на извлечение благородных металлов из модельных растворов волокном ФИБАН АК-22 // Сборник докладов IX науч.-технич. Конф. молодых ученых, спец-в и студентов вузов (Апатиты, 15-17 апреля 2015 г.)/ Мин. обр. и науки Мурманской области. - Апатиты: КНЦ РАН, 2016 - с. 130-133.

3. Черкун Ю.А., Широкая А.А., Дрогобужская С.В. «Сорбционное извлечение платиновых металлов из хлоридно-нитратных и хлоридно-сульфатных растворов волокном ФИБАН АК-22» //Сборник тезисов X межрегиональной науч. - техн. конф. молодых ученых, спец-в и судентов вузов, Апатиты 20-22 апреля 2016 г./ Мин. обр. и науки Мурманской области. - Апатиты: КНЦ РАН, 2016 - с. 138-141.

Сведения об авторах

Широкая Анна Александровна,

аспирант, младший научный сотрудник, ИХТРЭМС КНЦ РАН, serenity.ksc@mail.ru.

Дрогобужская Светлана Витальевна,

кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник ИХTРЭМС КНЦ РАН,

Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru.

УДК: 535.36:548

А. М. Шувалова, А. А. Яничев, А. А. Габаин

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ РАЗНОГО СОСТАВА

ПО ПАРАМЕТРАМ ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Аннотация

По параметрам рассеянного излучения были определены значения напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического ^^Л^^) и конгруэнтного ^=0,946) состава, а также конгруэнтного состава, легированных катионами Mg2+, B3+, Gd3+, Y3+, ^2+, Zn2+. Показано, что при длине волны возбуждающего излучения А=532 нм наибольшими значениями напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей обладают, соответственно, кристаллы LiNbOз:Y [0,46 мол. %] и LiNbOз стех.; наименьшими - LiNbOз:Zn [0,018 мол. %] и LiNbOз:Cu [0,007 мол. [0,02 мол. %], соответственно.

Ключевые слова:

монокристалл ниобата лития, фоторефрактивный эффект, фотовольтаическое поле, диффузионное поле

A. M. Shuvalova, A. A. Yanichev, A. A. Gabain

INVESTIGATION OF PHOTOREFRACTIVE PROPERTIES OF LITHIUM NIOBATE SINGLE CRYSTALS WITH DIFFERENT COMPOSITION BY SCATTERED LIGHT PARAMETERS

Abstract

The values of the photovoltaic and diffusion fields intensities in nominally pure lithium niobate single crystals of stoichiometric

2+ 3+ 3+ 3+ 2+ 2+

compositions and congruent composition doped with Mg , B , Gd , Y , Cu , Zn cations were determined by the parameters of scattered light. It is shown that at a wavelength of the exciting radiation Л = 532 nm crystal LiNbO3:Y [0,46 mol. %] and crystal LiNbO3 stoich. are characterized by the largest values of the photovoltaic and diffusion fields intensities, correspondingly; crystal LiNbO3:Zn [0,018 mol. %] and crystal LiNbO3:Cu [0,007 mol. %]:Gd [0,02 mol. %] are characterized by the lowest ones, correspondingly.

Keywords:

lithium niobate single crystal, photorefraction, photovoltaic field, diffusion field Введение

Фоторефрактивный кристалл ниобата лития, благодаря уникальному набору свойств, нашел широкое применение в качестве функционального материала устройств преобразования излучения, голографической записи информации и др. [1-3].

При взаимодействии кристалла НЛ с лазерным излучением кристалле возникает пространственное разделение заряда, что приводит к возникновению внутреннего электрического поля и локальным изменениям показателя преломления. Это, в свою очередь, приводит к проявлению фоторефрактивного рассеяния света. Исследование параметров рассеянного вследствие фоторефрактивного эффекта света является важным методом экспериментальной оценки фотоэлектрических полей в кристалле. Подобные исследования чрезвычайно важны с точки зрения создания новых функциональных материалов на основе монокристалла ниобата лития с контролируемыми структурными и фоторефрактивными характеристиками [4].

Одним из наиболее важных свойств кристалла НЛ как фазы переменного состава с широкой областью гомогенности на фазовой диаграмме является возможность варьирования стехиометрии и катионного состава кристалла, а, следовательно, и его характеристик путем легирования различными примесями. Так, например, легирование НЛ катионами «нефоторефрактивных» примесей (Zn, B, Gd, Y, Mg и др.) приводит к уменьшению величины фоторефрактивного эффекта. В свою очередь, легирование катионами «фоторефрактивных» примесей (Cu, Fe и др.) позволяет повысить фоторефрактивный отклик кристалла, что, например, необходимо при использовании НЛ для голографической записи информации.

В данной работе по параметрам рассеянного излучения при длине волны возбуждающего излучения ^=532 нм были определены значения напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического (R=Li/Nb=1) и конгруэнтного (R=0,946) состава, а также конгруэнтного состава, легированных катионами Mg2+, B3+, Gd3+, Y3+, Cu2+, Zn2+.

Методика эксперимента

Исследованные в данной работе монокристаллы НЛ выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского на установке «Кристалл-2» по единой методике. Использовалась оригинальная гранулированная шихта ниобата лития с высокой насыпной плотностью, синтезированная в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяющая получать абсолютно бесцветные (water white) номинально чистые монокристаллы ниобата лития. Легирующая примесь вводилась в шихту в виде MeO [легирующий металл] квалификации ОсЧ. Подробно методика роста кристаллов и приготовление шихты описаны в работе [5]. Особое внимание было уделено контролю концентрации следовых количеств примесных многозарядных катионов (Fe, Rh, Cu, и др.), поскольку их присутствие, наряду с собственными дефектами с локализованными на них электронами, определяют величину фоторефрактивного эффекта. Содержание указанных примесей не превышало 5-10"4^1-10-3 вес. %.

Образцы для исследований имели форму параллелепипедов с ребрами, параллельными кристаллофизическим осям X, Y, Z. Ось Z совпадала по направлению с полярной осью кристалла Ps. Грани параллелепипедов тщательно полировались.

Регистрация параметров индикатрисы рассеянного излучения в кристаллах ниобата лития разного состава осуществлялась с помощью установки, принципиальная схема которой изображена на рис. 1. Излучение лазера Spectra Physics 2018-RM (^ = 532 нм, P = 160 мВт) (1) заводится в светонепроницаемую камеру (2), где рассеивается на исследуемом кристалле ниобата лития (3). Рассеянное излучение регистрируется фотодиодом (4), сигнал с которого поступает на мультиметр (5).

Рисунок 1 — Принципиальная схема экспериментальной установки для определения интенсивности и угла рассеянного излучения

Кристалл устанавливался так, чтобы направление главной оптической оси совпадало с направлением поляризации (вектор Е) лазерного излучения. При таком взаимном расположении оси Z и вектора E сечение рассеянного излучения представляло собой «перевернутую восьмерку». Фотодиод располагался так, что имелась возможность изменять его положение в плоскости падения для измерения угла раскрытия индикатрисы и интенсивности рассеянного излучения при разных углах. Нулевое значение угла определяло направление луча накачки. Отрицательный и положительный углы соответствовали отрицательному и положительному направлениям полярной оси, соответственно.

Сначала фотодиод устанавливался в центральной области картины рассеяния, далее его положение изменяли с шагом в 3° в положительном и отрицательном направлениях и фиксировали показания мультиметра, установленного в режим амперметра. При каждом измерении ожидали стабилизации показания прибора, когда процессы перекачки энергии сводились к минимуму.

Расчет величин фотовольтаического и диффузионного полей в исследованных кристаллах осуществлялся в программе Mathcad 15.0.

Обработка результатов и выводы

Итоговое значение величин фотовольтаического и диффузионного полей определялись по следующим формулам [6]:

Р ___Я

Еру

2п

пегззЛ/cosdg cos\ ¡+пещг51 \tane ™sind ™sin

р __Я

En — -

2п

nlr33Jcoseincos^^+nen^r51Jtaneinsineinsin^f-^j

где Еру - напряженность фотовольтаического поля, Е0 - напряженность диффузионного поля, X - длина волны, 0$п - угол рассеянного излучения, Г-С и Г+С - коэффициенты усиления (индексы «-» и «+» указывают направление рассеянного излучения против и вдоль направления полярной оси кристалла, соответственно), пе и п0 — показатели преломления необыкновенного и обыкновенного луча, соответственно, г33 и г51 — электрооптические коэффициенты для LiNbOз.

Показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей определялись из эмпирических уравнений, приведенных в [7]:

пе = 4,5 5 6 7 + 2,6 0 5 • 1 0 - ' • Г2 + _ 2'24 ' 10"2 ' ^

п0 = 4, 9 1 з о + оД^з+1,б5.ю-^ _ 2 , 7 8 . 1 о - 2 . ¿2 (^

0 ' Л2-(0,212+2,7-10-8-Т2)2 4 '

Эффективный интервал взаимодействия соответствует расстоянию между точками, где появляется рассеивающая компонента (центр рассеяния) и границей освещенной области, и может быть рассчитан следующим образом [6]:

V/ = з пРи ^ < агс Ып ©<

eff ~ 2Sinei11

l

при > агс tan ,

где Wp - диаметр падающего лазерного луча, d - ширина кристалла в направлении прохождения излучения.

Затем определяли коэффициенты усиления для положительного и отрицательного направлений главной оптической оси кристалла ниобата лития [6]

r(9in)=~

Lp

In

/s

где ¡5 и — интенсивности рассеянного излучения и первичного рассеяния, соответственно. В свою очередь, ¡£0 определялось по формуле:

I,

л _

50 1+(Л±стси)2'

где ¡£0, — начальная интенсивность первичного рассеяния (падающего луча), П±ста1 — расстройка частоты падающего луча вдоль и против направления полярной оси кристалла.

Определенные из уравнений 1 и 2 значения напряжённостей фотовольтаического и диффузионного полей для разных кристаллов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения напряжённостей фотовольтаического и диффузионного полей для монокристаллов ниобата лития разного состава при ^=532 нм

№ Кристалл Epv, кВ/см Ed, кВ/см

1 LiNbO3 конг. 6,157 0,168

2 LiNbO3:Mg [0,35 мол. %] 7,049 0,409

3 LiNbO3:B [0,08 мол. %] 5,46 0,572

4 LiNbO3:Gd [0,002 мол. %]:Mg [0,4 мол. %] 6,139 0,282

5 LiNbO3:Gd [0,05 мол. %] 5,613 0,712

6 LiNbO3:Y [0,46 мол. %] 10,2 0,597

7 LiNbO3:Zn [2,93 мол. %] 6,885 0,228

8 LiNbO3:Zn [0,018 мол. %] 2,909 0,278

9 LiNbOs:Cu [0,007 мол. %]:Gd [0,02 мол. %] 5,848 0,064

10 LiNbO3 стех. 4,06 1,749

Таким образом, нами по параметрам индикатрисы рассеянного излучения была проведена количественная оценка напряженностей фотовольтаического и диффузионного полей в фоторефрактивных монокристаллах ниобата лития разного состава. При возбуждении фоторефрактивного рассеяния света излучением лазера (160 мВт, 532 нм) наибольшим значением напряженности фотовольтаического поля обладает кристалл конгруэнтного состава, содержащий 0,46 мол. % Y, наименьшим — конгруэнтного состава, содержащий 0,018 мол. % Zn. В свою очередь наибольшим значением напряженности диффузионного поля характеризуется кристалл стехиометрического состава, наименьшим — конгруэнтного состава, содержащий 0,007 мол. % Cu и 0,02 мол. % Gd.

Литература

1. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. - 264 с.

2. Сидоров Н.В. Волк Т.Р. Маврин Б.Н. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. М.: Наука, 2003. - 255 с.

3. Volk T., Wohlecke M. Lithium niobate. Defects, photorefraction and ferroelectric switching. Springer, 2008. - 258 p.

4. Сюй А.В., Сидоров Н.В., Палатников М.Н., Штарев Д.С., Антонычева Е.А., Гапонов А.Ю., Чехонин К.А. Фотоэлектрические поля в кристаллах ниобата лития // Оптический журнал, 2015. 82(5). С.1-5.

5. Бирюкова И.В. Высокотемпературный синтез и модификация свойств сегнетоэлектрических монокристаллов и шихты ниобата и танталата лития: дис. к.т.н.: 05.17.01/ Бирюкова Ирина Викторовна. Апатиты, 2005. - 132 с.

6. Goulkov M., Imlau M., Woike Th. Photorefractive parameters of lithium niobate crystals from photoinduced light scattering // Physical Review B, 2008. 77. 235110. P.1-7.

7. Гурзадян Г.Г., В.Г. Дмитриев, Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.

Сведения об авторах

Шувалова Анастасия Максимовна,

студентка 4 курса, Апатитский филиал

ФГБОУ ВО «Мурманский государственный технический университет»

Академгородок, д. 50а, e-mail: shuvanas@gmail.com

Яничев Александр Александрович,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ИХТРЭМС КНЦ РАН

мкр. Академгородок, 26 а, e-mail: yanichev@chemy.kolasc.net.ru

Габаин Алексей Анатольевич,

инженер, ИХТРЭМС КНЦ РАН

мкр. Академгородок, 26 а, e-mail: fleischermed@gmail.com

УДК 544.773.3

В. А. Щербаков, Л. Х. Хасанова, А. И. Ракитин, С. А. Широких, М. Ю. Королёва, Е. В. Юртов

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ ИНИЦИАТОРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ НА РАЗМЕР ПОР ВЫСОКОПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

В работе изучено влияние природы инициатора радикальной полимеризации на структуру высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола, полученного при полимеризации дисперсионной среды обратной эмульсии. Установлено, что при использовании водорастворимого пероксидисульфата аммония средний диаметр пор составил 3,8 ± 0,2 мкм, маслорастворимого пероксида бензоила - 20,8 ± 0,4 мкм. Зависимость размера пор от природы инициатора обусловлена тем, что эмульсии с пероксидисульфатом аммония в дисперсной фазе были более устойчивы к оствальдову созреванию и коалесценции до полимеризации дисперсионной среды, чем эмульсии с дистиллированной водой, из-за наличия осмотического давления в водных каплях эмульсий. Кроме того, при использовании водорастворимого инициатора пероксидисульфата аммония сокращалось время полимеризации до 2,5 ч по сравнению с пероксидом бензоила - 3,5 ч, соответственно, снижалась вероятность коалесценции капель в эмульсии до окончания процесса полимеризации.

Ключевые слова:

высококонцентрированная обратная эмульсия, высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, пористая структура, высокопористый полистирол, инициатор радикальной полимеризации.