WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Севостьянов Олег Геннадьевич ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В НЕСТЕХИОМЕТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ И ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ НА ИХ ОСНОВЕ (Специальность 02.00.04 – физическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Кемерово 2006

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики ГОУ ВПО “Кемеровский государственный университет”.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, доцент Кострицкий С.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Полыгалов Ю.И.

доктор физико-математических наук, профессор Шандаров В.М.

Ведущая организация: Уральский государственный университет им. А.М.

Горького (г. Екатеринбург)

Защита состоится 22 декабря 2006 г., в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.088.03 в ГОУ ВПО “Кемеровский государственный университет” по адресу: 650043, г.Кемерово, ул. Красная, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского государственного университета.

Автореферат разослан 22 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.088.03, доктор химических наук, профессор Б.А. Сечкарев 2

Общая характеристика работы

Актуальность темы Фоторефрактивный эффект (ФРЭ), обнаруженный Ашкиным с сотрудниками Bell Lab’s в 1966 г. как “оптическое повреждение” кристаллов LiNbO3 (НЛ) и LiTaO3 (ТЛ) и заключавшийся в изменении (уменьшении) их показателя преломления под действием лазерного излучения, сразу привлек к себе внимание специалистов, занимающихся проблемами и приложениями оптики нелинейных сред.

Многочисленные применения явления фоторефракции подробно описаны в литературе и относятся к ряду активно развиваемых научно-технических направлений [1,2]. Например, в последние годы значительно возрос интерес к разработке оптических систем записи, хранения и обработки информации на основе фотосегнетоэлектриков (и в частности, - ниобата лития), что связано с перспективами создания полностью оптических и гибридных поточных комплексов обработки данных, и других интересных приложений, прежде всего в области телекоммуникационных технологий. С другой стороны, по-прежнему широк круг задач, определяющих необходимость поиска путей подавления ФРЭ в ниобате лития [1-4]. Так, высокие электро- и нелинейно-оптические коэффициенты материала обусловили его широкое использование в качестве компонентов нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения, фазовых и амплитудно-фазовых модуляторов световых пучков, переключателей каналов, дефлекторов, различных оптических сенсоров (в т. ч. в интегральном исполнении) и т. д., т. е. технических устройств, требующих отсутствия фотоиндуцированного дрейфа показателя преломления кристалла. Для решения обеих задач необходимы фундаментальные исследования, направленные на выяснение механизмов ФРЭ в фотосегнетоэлектриках вообще, и активно используемом ниобате лития, в частности. Вопросы, касающиеся природы фоторефракции в LiNbO3, постоянно поднимались за время, прошедшее с момента открытия эффекта, но многие их аспекты до сих пор являются предметом острой дискуссии. При этом основные трудности в интерпретации результатов работ связаны с выявлением особенностей сложной взаимосвязи сразу нескольких физических процессов (электро-, пьезо-, пиро-, термо- оптических и электрических), протекающих в фоторефрактивных материалах под действием света в реальных экспериментальных условиях, специфической дефектной структурой НЛ и неясной микроскопической картиной переноса заряда при фотовозбуждении непростого набора собственных и примесных ловушек. Если в ранних работах 70-80-х годов прошлого века появление ФРЭ в LiNbO3 интерпретировалось преимущественно по примесному фотовольтаическому механизму (что, в общем, не вызывает сомнений и теперь в отношении кристаллов LiNbO3:Fe и легированных примесями других переходных металлов), то совершенствование технологий очистки ростового сырья, достигнутое в последнее время, и позволившее получать кристаллы, имеющие концентрацию примесей С 10-4-10-5 ат.%, выдвинуло на первый план проблемы определения “собственного” механизма фоторефракции. Было установлено, что “собственный” фоторефрактивный эффект в ниобате лития по-видимому связан с наличием специфических антиструктурных дефектов, появляющихся на этапе роста кристалла вследствие давно отмеченной его толерантности к нестехиометрии, выражающейся в отклонении [Li]/[Nb] от единицы (в сторону уменьшения) даже при стехиометрическом составе расплава [3,4]. Т. к. NbLi и Li вакансии могут быть определены в качестве основных дефектов компенсации дефицита Li2O в кристалле LiNbO3, то неизвестные вторичные фоторефрактивные центры ранее были идентифицированы как малые поляроны NbLi [5]. При этом современные представления о дефектной структуре LiNbO3 трактуют схему транспорта заряда при фотовозбуждении кристалла в тесной взаимосвязи с появлением вторичных фоторефрактивных центров NbLi4+ и NbNb4+ и возможным возбуждением предполагаемой антиструктурной связки NbLi-NbNb, с вытекающей отсюда последовательностью физических процессов, приводящих в конечном счете к изменению показателя преломления кристалла в освещенной области [3]. Положения этой концепции и возможность ее использования при анализе результатов прикладных работ, связанных с химической модификацией LiNbO3, нуждаются в комплексном экспериментальном подтверждении. Попытка такого исследования и была предпринята в данной работе.

Целью диссертационной работы является систематическое исследование фоторефрактивного эффекта в кристаллах ниобата лития и ионообменных волноводах на их основе в условиях интенсивного лазерного, а также термических воздействий для выявления связи фоторефрактивного эффекта с собственной и примесной дефектной структурой материала.

Основные задачи, определяемые целью работы:

• Прямые измерения величины и кинетики фоторефрактивного отклика кристаллов ниобата лития с различной начальной нестехиометрией в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения.

• Исследование фотолюминесценции кристаллов ниобата лития в инфракрасном диапазоне длин волн при лазерном возбуждении различной мощности и частоты.

• Исследование особенностей фоторефрактивного эффекта в объемных кристаллах ниобата лития в условиях неоднородного нагрева образцов.

• Изучение возможностей направленного синтеза оптических волноводов на подложках кристаллов ниобата лития для получения планарных волноводных структур, способных обеспечить высокую фоторефрактивную чувствительность, необходимую для технических приложений.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Проведено детальное исследование зависимости величины фоторефракции от степени нестехиометрии кристаллов ниобата лития и интенсивности лазерного излучения, в результате чего установлено наличие дополнительного вклада в заполнение вторичных фоторефрактивных центров, обусловленного диссоциацией дефектных комплексов собственной природы.

2. Выполнено систематическое исследование инфракрасного фотолюминесцентного отклика нестехиометричных монокристаллов LiNbO3.

3. Изучены процессы формирования фоторефрактивного отклика при неоднородном нагреве образцов, в результате чего найдены условия и объяснены причины появления обнаруженного квазистационарного подавления фоторефракции, а так же термической фиксации фоторефрактивных голограмм в нелегированных кристаллах LiNbO3.

Практическая значимость результатов работы:

1. Определены оптимальные параметры синтеза фоторефрактивных оптических LiNbO3 волноводов, получаемых в комбинированной методике протонного обмена и He+-ионной имплантации, и обладающих повышенной фоторефрактивной чувствительностью. Разработан способ получения ионобменных фотохромных фоторефрактивных LiNbO3 оптических волноводов.

2. Сформулирован принцип тестирования оптического качества монокристаллов LiNbO3 для технических приложений, основанный на определении в исследуемой серии образцов минимального порогового значения интенсивности вводимого излучения Jt, при которой зависимость светоиндуцированного изменения показателя преломления от отношения [Li]/[Nb] меняет направление с ростом интенсивности J тестирующего излучения.

3. Предложена методика определения степени нестехиометрии кристаллов LiNbO3 с химическим составом близким к стехиометрическому, заключающаяся в измерении интенсивности фотолюминесценции образцов в ближней ИК-области спектра при лазерном возбуждении в видимом диапазоне длин волн.

4. Определены условия нестационарного подавления фоторефракции и термической фиксации фазовых голограмм в нелегированных кристаллах ниобата лития, что может найти применение в устройствах, имеющих оптические LiNbOкомпоненты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Существует дополнительный вклад в заполнение вторичных фоторефрактивных центров, появляющийся вследствие фотодиссоциации дефектных комплекcов [NbLiNbNb]2-, доминирующий в случае нелегированных кристаллов ниобата лития и определяемый из прямых измерений фоторефракции и фотолюминесценции образцов.

2. В условиях слабого внешнего неоднородного нагрева кристаллов LiNbOвозможен процесс подавления фоторефрактивного отклика, эффективность которого зависит от степени нестехиометрии, коэффициента дополнительного поглощения образца характеризующего концентрацию собственных дефектов [NbLi-NbNb]2-, и величины приложенного градиента температуры.

3. За счет термической активации примесной протонной проводимости при неоднородном нагреве нелегированных кристаллов LiNbO3 возможно осуществление термической фиксации фоторефрактивных микроголограмм, с эффективностью, зависящей от степени нестехиометрии кристалла и величины темнового тока, возрастающего при термовозбуждении собственных дефектов.

4. Путем варьирования состава ионообменных сред и режимов постобменного отжига в комбинированной методике протонного обмена и He+-ионной имплантации на подложках кристаллов ниобата лития могут быть получены оптические волноводы, обладающие экстремально высокими значениями фоторефрактивной чувствительности, требуемыми для перспективных интегрально-оптических устройств.

5. Методами комбинированного ионного обмена, сочетаемого с последовательностью окислительных и реструктурирующих отжигов на подложках монокристаллов ниобата лития могут быть получены фотохромные фотерефрактивные протонзамещенные волноводы, обладающие высокими значениями коэффициента фотоиндуцированного поглощения при УФ-облучении.

Апробация: Основные результаты работы докладывались на: Международной научной конференции по физике диэлектриков “Диэлектрики-93”, С-Петербург, 1993;

VI-th International Topical Meeting NOLPC, Ai-Danil, Crimea, UA; 3 European Conference On Application of Polar Dielectrics, Bled, Slovenia, 1996; 7-ом Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков-полупроводников”, РГПУ, Ростов-на-Дону, 1996; Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах", Кемерово, 1998, 2001, 2004; 8-th Europhysical Conference On Defects in insulating Materials, Keel, UK, 1998; 9-th European Conference on Integral Optics and Technical Exhibition, Torino, Italy, 1999; EMRS-2000, Strasburg, France; Fourth Annual Meeting of the "Applications of nonlinear optical Phenomena" and Workshop on LiNbO3, Budapest, Hungary, 2001; Eight european conference on application of polar dielectrics (ECAPD-8), Metz, France, September 2006; семинарах Московского института электронной техники (МИЭТ), института физики и физических технологий технологического университета Клаусталь – (IPPT TU Clausthal, Niedersachsen, Deutschland).

Публикации: основные результаты исследования изложены в 19 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора: Подготовка и выполнение всех описанных экспериментов. Анализ, первичная систематизация и обсуждение всех результатов, а также участие в постановке задач и интерпретации результатов, описанных в разделах главы 3 и 4.2.

Структура и объем: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, в котором перечислены основные полученные результаты и выводы.

Список использованных источников включает 95 ссылок. В работе имеется рисунков и 4 таблицы. Полный объем 135 страниц.

Содержание диссертации Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и дается ее краткая характеристика.

В первой главе рассмотрены вопросы феноменологии фоторефрактивного эффекта в кристаллах ниобата лития. Приведены основные соотношения, описывающие появление фоторефрактивного отклика и амплитуду фоторефракции в рамках предлагавшихся в разное время моделей ФРЭ. Дано представление о современном состоянии проблем в исследованиях природы и механизмов фоторефракции в легированном примесями переходных металлов, и нелегированном ниобате лития с учетом имеющихся сведений о собственной и примесной дефектной структуре кристалла.

Вторая глава содержит описание экспериментального исследования связи фоторефрактивного эффекта и собственной дефектной структуры кристаллов LiNbO3.

В разделе 2.1 изложены результаты прямых оптических измерений фоторефрактивной дефокусировки в нестехиометричных кристаллах ниобата лития различного химического состава (от конгруэнтного - [Li]/[Nb]=0.9380.942 до почти стехиометрического - [Li]/[Nb]=0.983). Отношение [Li]/[Nb] для всех использованных сертифицированных индустриальных монокристаллов LiNbO3 проверялось и уточнялось из анализа результатов измерений ширин линий 1/2 в спектрах комбинационного рассеяния света (КРС). Данные метода спектроскопии КРС дополнялись с помощью прецизионных измерений оптических спектров поглощения, которые показали, что все исследуемые кристаллы имеют слабое дополнительное поглощение =0.01-0.2 см-1 в диапазоне длин волн 330-700 нм, наличие и величина которого не обнаруживают прямой корреляции с отношением [Li]/[Nb] образца, причем положение и форма полосы дополнительного поглощения подобны наблюдаемым для химически восстановленных нелегированных кристаллов LiNbO3.

Поэтому полагается, что индустриальные кристаллы ниобата лития, полученные по стандартным технологиям, могут рассматриваться как очень слабо восстановленные.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»