Особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO3:Cu и их проявление в спектре ИК-поглощения в области валентных колебаний атомов водорода ОН- -групп

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Методом спектроскопии ИК-поглощения в области валентных колебаний ОН --групп исследованы кристаллы LiNbO 3: Cu (0,005 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,015 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,022 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,042 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,46 мас.%), выращенные методом Чохральского по технологии прямого легирования шихты конгруэнтного состава. Обнаружено, что регистрируемые полосы поглощения в инфракрасном спектре в диапазоне частот 3469-3490 см-1 связанны c отклонением состава кристалла LiNbO 3: Cu от стехиометрического, вследствие дефицита катионов Li + в его структуре. Вхождение легирующей примеси Cu 2+ приводит к разупорядочению катионной подрешетки и заметной деформации кислородных октаэдров, за счет увеличением длин связи О - О . При этом в ИК-спектре регистрируется новая полоса поглощения с частотой 3487 см-1, соответствующая комплексному дефекту VLi-ОН . Расчет объемной концентрации ОН--групп показал наибольшее значение для кристаллов LiNbO 3: Cu (0,005 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,015 мас.%) LiNbO 3: Cu (0,022 мас.%). Данные изменения происходят вследствие одновременного формирования в структуре кристалла двух видов комплексных дефектов: CuLi+-ОН-CuNb3- и VLi-ОН . Изменение механизма вхождения легирующей примеси в структуру кристалла LiNbO 3: Cu (0,042 мас.%) приводит к уменьшению концентрации ОН --групп.

Об авторах

Николай Васильевич Сидоров

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева - обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр РАН

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник с исполнением обязанностей заведующего, сектор колебательной спектроскопии, лаборатория материалов электронной техники

Любовь Александровна Бобрева

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева - обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр РАН; Мурманский арктический университет

Email: l.bobreva@ksc.ru
к.т.н., научный сотрудник, сектор колебательной спектроскопии лаборатории материалов электронной техники, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева - обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»; доцент кафедры физики, биологии и инженерных технологий ФГАОУ ВО «Мурманский арктический университет»

Михаил Николаевич Палатников

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева - обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр РАН

д.т.н., главный научный сотрудник с сохранением обязанностей заведующего, лаборатория материалов электронной техники

Александр Юрьевич Пятышев

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, лаборатория комбинационного рассеяния света

Михаил Константинович Тарабрин

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

к.т.н., научный сотрудник лаборатории

Андрей Алексеевич Бушунов

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

научный сотрудник лаборатории

Список литературы

  1. Kovács, L. New trends in lithium niobate: from bulk to nanocrystals / L. Kovács, G. Corradi // Crystals. - 2021. - V. 11. - I. 11. - Art. № 1356. - 4 p. doi: 10.3390/cryst11111356.
  2. Qi, Y.Integrated lithium niobate photonics / Y. Qi, Y. Li // Nanophotonics. -2020. - V. 9. - I. 6. - P. 1287-1320. doi: 10.1515/nanoph-2020-0013.
  3. Сидоров, Н.В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. - М.: Наука, 2003. - 255 с.
  4. Палатников, М.Н. Фундаментальные аспекты технологии сильно легированных кристаллов ниобата лития / М.Н. Палатников, Н.В. Сидоров, О.В. Макарова, И.В. Бирюкова. - Апатиты: КНЦ РАН, 2017. - 241 с.
  5. Lеngyel, K. Growth, defect structure, and THz application of stoichiometric lithium niobate / K. Lengyel, Á. Péter, L. Kovács et al. // Applied Physics Reviews. - 2015. - V. 2. - I. 4. - Р. 040601-1-040601-28. doi: 10.1063/1.4929917.
  6. Shur, V.Ya. Micro- and nano-domain engineering in lithium niobate / V.Ya. Shur, A.R. Akhmatkhanov, I.S. Baturin // Applied Physics Reviews. - 2015. - V. 2. - I. 4. - Р. 040604-1-040604-22. doi: 10.1063/1.4928591.
  7. Iyi, N.Comparative study of defect structures in lithium niobate with different compositions / N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi et al. // Journal of Solid State Chemistry. - 1992. - V. 101. - I. 2.- P. 340-352. doi: 10.1016/0022-4596(92)90189-3.
  8. Cabrera, J.M. Hydrogen in lithium niobate /j.M. Cabrera, J. Olivares, M. Carrascosa et al. // Advances in Physics. - 1996. - V. 45. - I. 5. - P. 349-392. doi: 10.1080/00018739600101517.
  9. Kovács, L. On the lattice site of trivalent dopants and the structure of Mg2+ -OH- -M3+ defects in LiNbO3:Mg crystals / L. Kovács, L. Rebouta, J. C. Soarest et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. - 1993. - V. 5. - I. 7. - P. 781-794. doi: 10.1088/0953-8984/5/7/006.
  10. Kaczmarek, S.M. Thermal and radiation stability of pure and doped with Cu, Fe and Cr ions lithium niobate single crystals for optical applications / S.M. Kaczmarek // Ferroelectrics. - 2001. - V. 256. - I. 1. - P. 175-188. doi: 10.1080/00150190108015982.
  11. Pracka, I. Growth and characterization of LiNbO3 single crystals doped with Cu and Fe ions / I. Pracka, A. L. Bajor, S. M. Kaczmarek et al.// Crystal Research and Technology: Journal of Experimental and Industrial Crystallography. - 2019. - V. 34. - I. 5-6. - P. 627-634. doi: 10.1002/(SICI)1521-4079(199906)34:5/6<627::AID-CRAT627>3.0.CO;2-0.
  12. Sugak, D. Optical investigation of the OH- groups in the LiNbO3 doped by copper / D. Sugak, U. Yakhnevych, I.I. Syvorotka et al. // Integrated Ferroelectrics. - 2019. - V. 196. - I. 1. - P. 32-38. doi: 10.1080/10584587.2019.1591981.
  13. Kruk, A.A. Raman spectra of copper-doped lithium niobate crystals as a function of excitation wavelength / A.A. Kruk, N.V. Sidorov, A.A. Yanichev et al.// Journal of Applied Spectroscopy. - 2014. - V. 81. - I. 1. - P. 1-6. doi: 10.1007/s10812-014-9878-9.
  14. Sidorov, N.V. Photorefractive properties of lithium niobate single crystals doped with copper / N.V. Sidorov, A.A. Yanichev, A.A. Gabain et al. // Journal of Applied Spectroscopy. - 2013. - V. 80. - I. 2. - P. 226-231. doi: 10.1007/s10812-013-9750-3.
  15. Abrahams, S.C. Ferroelectric lithium niobate. Single crystal X-ray diffraction study at 24 °C / S.C. Abrahams, J.M. Reddy, J.L. Bernstein // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1966. - V. 27. - I. 6-7. - P. 997- 1012. doi: 10.1016/0022-3697(66)90072-2.
  16. Li, C.-Y. Investigations on the spin-Hamiltonian parameters and local structure of the orthorhombic Cu2+ center in PbTiO3 crystal / C.-Y. Li, L-.B. Cheng, X.-M. Zheng // Acta Physica Polonica A. - 2015. - V. 127. - № 6. - P. 1671-1674. doi: 10.12693/APhysPolA.127.1671.
  17. Zhang, H.-M. Investigations on the EPR parameters and defect structures due to Jahn-Teller effect for the Cu2+ and Ni+ centers in LiNbO3 / H.-M. Zhang, W.-B. Xiao // Journal of Alloys and Compounds. - 2018. - V. 745. - P. 586-591. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.209.
  18. Теплякова, Н.А. Особенности дефектной структуры монокристалла LiNbO3:Cu (0,015 мас.%) / Н.А. Теплякова, Н.В. Сидоров, М.Н. Палатников // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 215-222. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.215.
  19. Klauer, S. Influence of the H-D isotopic substitution on the protonic conductivity in LiNbO3 crystal / S. Klauer, M. Wöhlecke, S. Kapphan // Physical Review B. - 1992. - V. 45. - I. 6. - P. 2786-2799. doi: 10.1103/physrevb.45.2786.
  20. Shannon, R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R.D. Shannon // Acta Crystallographica Section A. - 1976. - V. 32. - I. 5. - P. 751-767. doi: 10.1107/S0567739476001551.
  21. Kuang, M.-Q. Theoretical studies on the local structure and spin Hamiltonian parameters for the orthorhombic Cu2+ center in LiNbO3 / M.-Q. Kuang, S.-Y. Wu, H.-M. Zhang // Optik. - 2012. - V. 123. - I. 18. - P. 1601-1604. doi: 10.1016/j.ijleo.2011.08.032.
  22. Tsuboi, T. Site symmetries of Cu2+ ions in LiNbO3 crystals / T. Tsuboi, M. Grinberg, S.M. Kaczmarek // Journal of Alloys and Compounds. - 2002. - V. 341. - I. 1-2. - P. 333-337. doi: 10.1016/S0925-8388(02)00032-4.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).