WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 3 Природа низкочастотного комбинационного рассеяния света в конгруэнтных кристаллах ниобата лития © Н.В. Суровцев, В.К. Малиновский, А.М. Пугачев, А.П. Шебанин Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Объединенный институт геологии и геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия E-mail: malinovsky@iae.nsk.su (Поступила в Редакцию 4 июня 2002 г.) Изучено поведение спектров комбинационного рассеяния света (КРС) в конгруэнтном кристалле ниобата лития. Показано, что полоса КРС около 100 cm-1 представляет собой спектр первого порядка, индуцированный нестехиометричностью состава. Обсуждаются возможности различных моделей для описания этой полосы.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 02-0216112) и Фонда междисциплинарных исследований Сибирского отделения Российской академии наук.

Кристалл ниобата линия (LiNbO3) является одним лось „драматическое уменьшение интенсивности полосы из наиболее популярных объектов изучения в физике при температурах жидкого азота“. Большинство друтвердого тела. Интерес к этому сегнетоэлектрическому гих исследователей также описывает полосу 100 cm-1 кристаллу в немалой степени обусловлен его широким в LiNbO3 как КРС второго порядка [5,6,11–13], хотя применением в акустике, акустооптике, нелинейной оп- конкретное описание происхождения полосы не всегда тике, а также в устройствах записи информации.

совпадает у различных авторов. Например, в рабоХарактерной особенностью ниобата лития является тах [12,13] указывается, что симметрия полосы обусловвозможность выращивания больших кристаллов хорошелена колебаниями симметрии A1, а в работе [5] утверго качества конгруэнтного состава [1]. В конгруэнтных ждается, что полоса проявляется в спектрах фононов кристаллах [Li]/[Nb] 0.94, что значительно отличается как A1-, так и E-симметрии. В работах [14,15] предложеот стехиометрического состава [2] ([Li] и [Nb] — конна модель, связывающая появление полосы 100 cm-центрация атомов Li и Nb соответственно). Высокая с существованием сверхструктурной подрешетки кластеконцентрация собственных дефектов (около 6% кристалрообразных дефектов. В этой модели полоса является лических ячеек) делает кристалл ниобата лития интересспектром первого порядка от оптического фонона сверхным объектом для исследования физических эффектов, структурной подрешетки.

индуцированных беспорядком. Понимание роли беспоТаким образом, видно, что, несмотря на большое рядка в таком модельном объекте может дать новые число работ, не достигнуто согласие даже по основным идеи для описания сегнетоэлектрических релаксоров и экспериментальным свойствам полосы 100 cm-1 в аморфных материалов.

спектре КРС конгруэнтного кристалла ниобата лития.

Спектр комбинационного рассеяния света (КРС) Поэтому в настоящей работе было проведено исслениобата лития включает в себя рассеяние на оптических дование с целью установления основных свойств этой фононах A1- и E-симметрии [3,4]. Спектры конгруэнтных полосы: ее симметрии и порядка спектров КРС. Покристаллов LiNbO3 содержат относительно широкую лученные результаты сравниваются с ранее опубликонизкочастотную полосу около 100 cm-1 (в некоторых ванными, обсуждаются причины расхождения экспериработах описываемую как набор пиков). В настоящее ментальной информации. В разделе 2 обсуждаются развремя известно, что эта полоса отсутствует в чистых личные модели описания низкочастотной полосы КРС стехиометрических кристаллах [5,6]. Высказаны различв конгруэнтных кристаллах LiNbO3 и их соответствие ные точки зрения на природу этой полосы. В первых экспериментальным данным.

работах [7,8] полоса 100 cm-1 рассматривалась как КРС на фононах E-симметрии, причем ее появление в геометриях КРС-эксперимента, где разрешены только фо1. Экспериментальные результаты ноны симметрии A1, объяснялось нарушением правил отбора из-за существования внутренних механических напряжений в кристалле (авторы [9] также придержи- КРС-эксперимент проводился на кристаллах ниобата лития, вырезанных в виде параллелепипедов с ребрами, вались этой точки зрения). В более поздней работе [10] полоса 100 cm-1 в конгруэнтном LiNbO3 трактовалась параллельными кристаллографическим осям. Измерения как зона разностных тонов трех низкочастотных ветвей КРС-спектров были выполнены при комнатной темпеоптических колебаний A1- и E-симметрии и отмеча- ратуре на номинально чистых конгруэнтных кристаллах 506 Н.В. Суровцев, В.К. Малиновский, А.М. Пугачев, А.П. Шебанин Авторы работы [12] сделали заключение, что полоса 100 cm-1 не видна в КРС-эксперименте, когда разрешены фононы E-симметрии. Расхождение этого заключения с нашими результатами связано с тем, что в геометрии x(zx)y, использованной в [12] для E-фононов, линия 153 cm-1 гораздо мощнее полосы 100 cm-1, которая становится неразличимой на фоне линии 153 cm-при представлении результатов в линейном масштабе по интенсивности. Однако логарифмический масштаб по интенсивности на рис. 1 ясно визуализирует присутствие полосы 100 cm-1 и в этой геометрии КРС-эксперимента. Кроме того, существование полосы в геометрии x(zx)y можно проиллюстрировать сравнением со спектром стехиометрического кристалла (кружки на рис. 1). Сравнение спектров конгруэнтного и стехиометрического кристаллов свидетельствует о существовании Рис. 1. Спектры КРС конгруэнтного LiNbO3 при T = 300 K дополнительной полосы 100 cm-1 в случае конгруэнтдля четырех поляризационных геометрий: x(zz)y (1), ного кристалла и для геометрии x(zx)y. Таким образом, z (xx)y (2), z (xz)y (3), x(zx)y (4). Кружки — спектр стехиоанализ спектров, представленных на рис. 1, позволяет метрического ниобата лития для геометрии x(zx)y.

сделать вывод о том, что полоса 100 cm-1 проявляется в КРС-спектрах конгруэнтного кристалла LiNbOдля всех поляризационных геометрий, соответствующих фононам как A1-, так и E-симметрии.

ниобата лития, а также на кристаллах LiNbO3 с состаПри анализе КРС-спектров достаточно широкой повом, близким к стехиометрическому.

лосы необходимо избежать вклада флуоресценции, коРегистрация спектров КРС проводилась на двухрешеторая может вносить искажающий вклад в измеряемые точном спектрометре U1000. В качестве возбуждающего спектры. С целью проверки возможного вклада флуоресизлучения использовались линии 458, 514 nm аргоноценции, а также эффектов резонансного КРС мы сравнивого лазера, 647 nm криптонового лазера. Также было ли КРС-спектры ниобата лития, измеренные при разных измерено КРС образцов ниобата лития при возбуждедлинах волн возбуждения (рис. 2). Из этого рисунка нии линией 1064 nm непрерывного неодимого лазера видно, что все спектры практически одинаковы, что с регистрацией спектров на модифицированном спектпозволяет сделать вывод об отсутствии вклада флуоресрометре ДФС-24 [16]. Диапазон измерений составлял ценции для длины волны возбуждения >500 nm и 10-400 cm-1, а спектральная ширина щелей — 2 cm-1.

об отсутствии эффектов резонансного КРС. Небольшой Спектры КРС конгруэнтного кристалла при комнат- вклад флуоресценции для = 458 nm хорошо виден из ной температуре ( = 514 nm), измеренные в разных поляризационных геометриях, показаны на рис. 1. Для визуализации маломощных линий на рисунке использована логарифмическая шкала для интенсивности КРС.

Видно, что во всех поляризационных геометриях в области 100 cm-1 появляется полоса КРС, которая по интенсивности примерно на порядок слабее основных линий. Легко убедиться, что появление полосы 100 cm-1 в геометрии для A1(TO)-фононов не может быть связано с прохождением спектра E-симметрии из-за несовершенства кристаллов, как предполагалось в работах [7–9]. Действительно, во-первых, в этом случае должны наблюдаться все линии колебательных мод E-симметрии, т. е. полоса 100 cm-1 должна сопровождаться на порядок более мощной модой около 150 cm-1, что не соответствует экспериментальному спектру (рис. 1). Во-вторых, из рис. 1 ясно видно, что форма и спектральная позиция полосы 100 cm-1 Рис. 2. Спектры КРС конгруэнтного ниобата лития несколько различаются для геометрии, где разрешены при T = 300 K при разных длинах волн возбуждения:

A1(TO)-фононы, и для остальных геометрий КРС-экспе- = 458 nm (штриховая линия), = 514 и 647 nm (сплошные римента. линии), = 1064 nm (треугольники) в геометрии x(zz)y.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Природа низкочастотного комбинационного рассеяния света в конгруэнтных кристаллах... Легко показать, что отсутствие температурной зависимости для бозе-нормированной интенсивности полосы 100 cm-1 несовместимо с предположением, что она обусловлена КРС второго порядка. Например, если, следуя модели [10], предоположить некоторый вклад в полосу 100 cm-1 из-за разностного тона между модами 252 и 152 cm-1, то, учитывая, что интенсивность такого КРС пропорциональна [n( = 252 cm-1, T ) +1] · n( = 152 cm-1, T ), получаем изменение бозе-нормированной интенсивности на частоте 100 cm-1 в 8.5 раз при изменении температуры с 80 до 300 K. Такое изменение находится в противоречии с экспериментальным результатом (рис. 3).

Таким образом, результаты температурной зависимости КРС-спектров, представленные на рис. 3, однозначно свидетельствуют о том, что полоса 100 cm-1 является Рис. 3. Бозе-нормированные спектры КРС I/[(n + 1)] конгруполосой КРС первого порядка.

энтного ниобата лития при T = 300 (1) и 77 K (2). 3 —разЭто противоречит заключению авторов работ [5,10], ность двух спектров.

где делается вывод о соответствии температурной зависимости интенсивности полосы 100 cm-1 комбинационному рассеянию второго порядка. Расхождение сравнения с другими спектрами. Отсутствие малоинтенс работой [10] связано с тем, что авторы [10] сравсивного пика около 150 cm-1 для = 1064 nm связано с нивали КРС-спектры при разных температурах, исотсутствием фоторефрактивного эффекта [17] для этой пользуя нормировку на максимум моды 153 cm-1, и длины волны и соответственно с лучшим выполнением пренебрегали изменением ее ширины с уменьшением поляризационных условий эксперимента.

температуры. Нормировка интенсивностей спектров из Спектры конгруэнтного кристалла LiNbO3, измеренработы [10] на интеграл от моды 153 cm-1 приводит к ные при T = 300 и 77 K (геометрия x(zz)y), приведены выводу, что полоса 100 cm-1 обусловлена КРС перна рис. 3. Для того чтобы исключить тривиальную темвого порядка. В работе [5] авторы описывали полопературную зависимость (для стоксовой части спектра су 100 cm-1 как КРС второго порядка, апеллируя к I (n + 1), где n — фактор заселенности Бозе–Эйншрезкой температурной зависимости КРС при T > 600 K, тейна n = 1/[exp(h/kT) - 1]), КРС-спектры на рис. измеренной в работе [9]. Комментируя эту работу, представлены в нормированном виде: I/[(n + 1)]. Некоотметим, что на частотах 100 cm-1 действительно торое увеличение вклада линий E-симметрии при низсуществует вклад многофононного КРС, который, хокой температуре связано с ухудшением выполнения тя и слабо, проявляется при комнатной температуре поляризационных условий. Однако вклад этих линий ( 20% от интенсивности на 100 cm-1, рис. 3) и мал по интегральной интенсивности и не затрудняет должен стать доминирующим при высоких температупроведения анализа.

рах из-за более быстрой температурной зависимости.

Основные линии КРС-спектра сужаются с понижениОднако многофононный спектр является дополнительем температуры, так как время жизни фонона увелиным фоном к полосе 100 cm-1, имеет слабую чачивается [18]. КРС-спектры на рис. 3 нормированы на стотную зависимость, и его вклад резко уменьшается интегральную интенсивность линий 252 и 274 cm-1 (инпри уменьшении температуры. Таким образом, было тегрирование проводилось в диапазоне 170-315 cm-1), бы неверно на основании резкой температурной завичто позволяет корректно учесть сужение линий с симости полного сигнала на частотах 100 cm-1 при понижением температуры. Из рис. 3 видно, что инвысоких температурах делать вывод о том, что обсутенсивность полосы 100 cm-1 остается неизменной.

ждаемая полоса 100 cm-1 обусловлена КРС второго Небольшое увеличение интенсивности спектра в районе порядка.

100 cm-1 с повышением температуры на рис. 3 свяРезюмируя данные экспериментальных исследований зано с вкладом многофононного рассеяния и не превыКРС ниобата лития, можно сделать вывод, что полоса шает 20% от сигнала при температуре 300 K. Разность 100 cm-1 присутствует в спектрах конгруэнтных кридвух спектров в диапазоне 40-140 cm-1, показанная сталлов LiNbO3 и отсутствует в стехиометрических обна рис. 3, с хорошей точностью является константой или слабовозрастающей монотонной функцией (слабый разцах; она соответствует КРС первого порядка и проявнемонотонный вклад связан со смещением полосы при ляется во всех поляризационных геометриях КРС-экспеизменении температуры). римента.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 508 Н.В. Суровцев, В.К. Малиновский, А.М. Пугачев, А.П. Шебанин 2. Модели Рассмотрим различные модели для объяснения полосы КРС 100 cm-1 в конгруэнтных кристаллах ниобата лития.

a) Фундаментальная мода кристалла [7–9].

Эта модель не может объяснить отсутствие полосы 100 cm-1 в стехиометрических кристаллах. Кроме того, появление указанной полосы во всех поляризационных геометриях КРС-эксперимента исключает возможность приписать ее к фононам одной определенной симметрии.

b) Рассеяние второго порядка [5,6,11–13].

Модели, предполагающие, что полоса 100 cm-1 относится к спектру КРС второго порядка, не согласуются с результатами экспериментального исследования температурной зависимости интенсивности КРС.

Рис. 4. Спектр КРС x(zz)y конгруэнтного LiNbO3 при Таким образом, модели, объясняющие полосу T = 80 K и его описание суммой двух гауссовских (штриховая линия) или двух лоренцевских (сплошная линия) контуров.

100 cm-1, должны удовлетворять двум требованиям:

1) относить ее к КРС первого порядка; 2) учитывать отсутствие полосы для стехиометрических кристаллов.

Существуют две принципиально различные возможячейке дефекта стехиометрии. Кроме того, как показано ности для объяснения появления полосы 100 cm-1 в далее, существуют трудности в описании спектрального конгруэнтных кристаллах. Первая связана с созданием контура полосы в рамках рассматриваемой модели.

Pages:     || 2 | 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.