Влияние структурных искажений на физико-химические свойства нелинейно-оптически активных кристаллов ниобата лития двойного легирования с низким фоторефрактивным эффектом
Руководитель: Токко Ольга Владимировна
Заказчик: Российский научный фонд
Срок выполнения: 23.03.2022 − 31.12.2023
В настоящее время изучение кристаллов ниобата лития является актуальной задачей, так как материал имеет чрезвычайно важное значение как для гражданского сектора экономики, так и для оборонно-промышленного комплекса РФ. Широкий спектр применения обусловлен удачным сочетанием пьезоэлектрических, сегнетоэлектрических и нелинейно оптических свойств. Так, функционирование аппаратуры, реализующей современные оптоэлектронные и телекоммуникационные технологии, во многом связано с кристаллами ниобата и танталата лития. Они широко используются в сотовой связи, интегральной оптике, для сверхбыстрого интернета, имеют целый ряд чисто оптических приложений: генерация оптических гармоник, параметрическая генерация, преобразование частот лазерного и широкополосного излучения, электрооптика, в качестве среды для записи оптических фазовых голограмм. Кроме того, это широко распространенные акустоэлектронные материалы для полосовых фильтров и линий задержки на ПАВ. Современные оптические модуляторы повышенного качества из кристаллов ниобата лития обеспечивают передачу информации по одному оптоволокну со скоростью от 8 до 800 Гбит/сек.
Структурное состояние кристаллов, в частности распределение примесных и собственных дефектов в решётке ниобата лития, напрямую связано с их физическими свойствами, которые в свою очередь и определяют область применения данных материалов. На структурное состояние кристаллов ниобатов лития значительное влияние оказывает технология получения (легирования).
Легирование кристаллов различными примесями является одним из наиболее эффективных способов воздействия на их физико-химические свойства, при этом практический и фундаментальный интерес представляет введение в кристалл в различном концентрационном соотношении двух допирующих примесей, так как сочетания легирующих примесей открывает новые возможности в управлении нелинейно-оптическими свойствами кристаллов.
При двойном легировании каждая примесь вносит свой вклад в структурное состояние кристалла, в перераспределение его дефектов как примесных, так и собственных, что в свою очередь отражается на свойствах получаемых материалов.
Монокристаллы LiNbO3 при высоких уровнях легирования цинком (LiNbO3:Zn) и магнием (LiNbO3:Mg) перспективны в качестве оптических материалов с низкими значениями напряженности коэрцитивного поля и эффекта фоторефракции для преобразования лазерного излучения на искусственно созданных периодически поляризованных доменах субмикронных размеров. Однако было показано [Guanfeng X., Jianbin Zh., Bing X. et al. // Cryst. Res. Technol. 1996. V. 31. № 2. P. K20. 17. Xiaolong Y., Guanfeng X., Heping L. et al. // Cryst. Res. Technol. 1996. V. 31. № 4. P. 521.], что при двойном легировании данными примесями LiNbO3:Mg:Zn имеет место существенное повышение нелинейно-оптических коэффициентов по сравнению с кристаллами LiNbO3:Mg и LiNbO3:Zn.
В гранте рентгенографическими методами будет исследовано структурное состояние кристаллов ниобата лития двойного легирования магнием и цинком (LiNbO3:Mg:Zn), будет проведено исследование взаимосвязи тонких особенностей структуры и важных для практического использования свойств кристаллов ниобата лития. Будет показано, что сочетание методов рентгеноструктурного анализа и компьютерного моделирования позволяет получить информацию об изменениях в атомной структуре, протекающих при легировании кристаллов ниобата лития, и проанализировать влияние структурных изменений на физические свойства.
Важной характеристикой материалов применяемых в оптических приборах является диэлектрический отклик таких материалов. Метод химической связи позволяет получить значение диэлектрического ответа кристаллов, зная их кристаллографическую структуру, и рассчитать линейные и нелинейные оптические свойства. Тем самым выполняемый по полученным структурным характеристикам расчёт нелинейно-оптических свойств позволит установить связь между реальным структурным состоянием и теоретическими расчётами. Накопленный в результате данного научного исследования экспериментальный и теоретический материал позволит составить схему: метод легирования − концентрация элемента − модель структуры − свойства. Результаты работы могут быть использованы при совершенствовании технологии легирования кристаллов ниобата лития с целью снизить возникающий в них эффект фоторефракции и тем самым улучшить оптические свойства.
