WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Роль ян-теллеровских ионов в оптическом формировании доменов в ниобате лития © Н.Л. Батанова, А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Р.И. Калимуллин Казанский государственный энергетический университет, 420066 Казань, Россия E-mail: kalru@newmail.ru (Поступила в Редакцию 6 декабря 2005 г.) Исследованы процессы локальной переполяризации в первоначально монодоменных кристаллах LiNbO3, содержащих ионы железа, под действием сфокусированного лазерного излучения. Установлена зависимость возникновения локальных доменов и периодических доменных структур от температуры и напряженности приложенного электрического поля. Показано, что эти эффекты определяются общей концентрацией ионов железа и соотношением концентраций ионов Fe2+ и Fe3+.

Работа поддержана РФФИ (грант № 05-02-17142).

PACS: 77.84.Dy, 77.80.Dj, 71.70.Ej 1. Введение ется только процесс перераспределения фотоиндуцированных носителей заряда между донорными и акцепторРазвитие опто- и акустоэлектроники во многом опре- ными примесными ионами, приводящий к образованию деляется использованием новых сред, обладающих лополя пространственного заряда. В результате вследствие кальной наноразмерной анизотропией диэлектрических, электрооптического эффекта, создается периодическое магнитных, нелинейных оптических или упругих харак- изменение диэлектрических или упругих характеристик теристик, в виде регулярных периодических структур кристаллов без центра симметрии. Однако в ряде ра(фотонные, фононные или магнонные кристаллы) или бот (начиная с [7,8]) сообщалось об обнаружении инотдельных доменов [1,2]. В связи с этим в последнее вре- вертированных доменов в ходе термической фиксации мя не ослабевает интерес к классу перовскитоподобных фоторефрактивной решетки, что являлось, по мнению оксидов сегнетоэлектриков с общей формулой ABO3 авторов этих работ, причиной устойчивости решеток к (LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3, KNbO3), содержащих при- последующим оптическим воздействиям. Позднее оптимесные ионы железа, меди, марганца и хрома. Важной чески возбужденные домены и периодические доменные их особенностью является то, что они относятся к структуры наблюдались также в ниобате лития [9,10] ионам с переменной валентностью, одно из состоя- и титанате бария [11]. Интерес к фотоиндуцированноний которых принадлежит ян-теллеровских (Я-Т) ионам му возникновению устойчивых доменных структур не (Fe2+, Cu2+, Mn3+, Cr2+, Cr4+). При этом оптическое случаен, поскольку таким путем можно формировать или термическое воздействие позволяет в пределах разнообразные доменные структуры в виде решеток одной и той же общей концентрации примеси изменять или одиночных доменов с микро- или наноскопическим концентрацию именно Я-Т ионов [3,4]. Пока наиболее периодом.

значимым для практических применений является со- Существуют определенные различия в распространездание фоторефрактивных (голографических) решеток, нии оптических или акустических волн через фотореформируемых с помощью двух интерферирующих ла- фрактивные решетки и регулярные доменные структуры.

зерных пучков на поверхности указанных выше мате- В первом случае соседние слои будут отличаться значериалов. Поскольку фоторефрактивные решетки легко ниями показателей преломления или упругих модулей стирались при последующем оптическом воздействии, вследствие значительных градиентов оптически индуцидля повышения их стойкости был разработан терми- рованных электрических полей [2], поэтому фоторефракческий способ фиксации [5], основанный на записи тивные решетки можно рассматривать как одномерные решеток при повышенной температуре (150-200C) с фотонные или фононные кристаллы. Во втором случае последующим облучением при комнатной температу- диэлектрические проницаемости и модули упругости ре пространственно однородным оптическим пучком. одинаковы внутри всех доменов, но на границах доменов Известно несколько модельных механизмов фиксации будут изменять знак элементы тензоров третьего ранга, решеток, но ни один из них не может полностью описывающие квадратичную диэлектрическую восприи однозначно описать этот процесс даже в рамках имчивость и пьезоэффект. Таким образом, границы дофеноменологических моделей. Более того, до сих пор менов вносят дополнительный вклад в оптическую или нет полной ясности в вопросе о влиянии свойств самих акустическую нелинейность кристаллов, что расширяет Я-Т ионов на фотоиндуцированные процессы. В боль- возможности использования таких нелинейных эффекшинстве работ (наиболее полный обзор дан в [6]) в тов, как генерация высших гармоник и параметрические качестве механизма образования решеток рассматрива- преобразования частоты.

7 2018 Н.Л. Батанова, А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Р.И. Калимуллин Размеры образцов, концентрации ионов железа, соотношение Несмотря на практическую ценность результатов концентраций ионов Fe2+ и Fe3+, измеренные коэрцитивные последних лет, пока нет полного понимания роли поля Я-Т ионов в образовании фотоиндуцированных доменов и роли самих доменов в формировании устойчивых № X Y Z, mm C, at.% CFe2+/CFe3+ Ec (106 V · m-1) фоторефрактивных решеток, хотя в ряде работ рассматривались возможные механизмы оптического образо- 1 2.3 2.4 5.1 0.01 0.3 1.вания доменных структур в оксидных диэлектриках и 2 3.2 2.5 5.2 0.03 0.3 1.3 3.0 2.4 5.1 0.05 0.3 1.сегнетоэлектриках [12,13]. Это обстоятельство послужи4 3.1 2.4 5.1 0.08 0.1 1.ло основной причиной наших исследований механизмов 5 3.1 2.5 5.2 0.1 0.3 1.влияния Я-Т ионов на процессы переполяризации монодоменных образцов и образования фотоиндуцированных доменов. В качестве объектов исследований были выбраны монокристаллы ниобата лития, содержащие примесОкончание процесса переполяризации определялось по ные ионы железа, поскольку именно такие образцы были исчезновению тока переполяризации. Поскольку время объектами большинства исследований по фотоиндуциропереполяризации зависит от отношения напряженнованным эффектам в оксидных сегнетоэлектриках.

сти внешнего поля к полю переполяризации, было необходимо выдерживать каждое значение внешнего поля до полного окончания процесса. Это позволи2. Техника эксперимента ло определять значение коэрцитивного поля Ec кажИсследовались первоначально монодоменизирован- дого образца по величине внешнего электрического ные кристаллы LiNbO3 : Fe, выращенные в НИИ „По- поля в момент окончания процесса переполяризации.

люс“ (г. Москва) и изготовленные в виде прямоугольных Шаг изменения внешнего поля составлял 1% от поля параллелепипедов. Их размеры, общая концентрация переполяризации. Все измерения коэрцитивного поля ионов железа и отношение концентраций Fe2+/Fe3+ выполнялись в термостатированном образце при темприведены в таблице. С помощью разработанного ра- пературе 180C, поскольку эта температура наиболее нее [3,4] метода термического отжига в атмосфере часто использовалась в экспериментах по термической азота было создано отношение концентраций ионов фиксации решеток. Точность поддержания температуFe2+/Fe3+ в пределах 0.25-0.35, поскольку ранее именры составляла ±1C. Во избежание ошибок в опрено в таком диапазоне наблюдался оптимальный режим делении зависимости коэрцитивного поля от температермической фиксации фоторефрактивных решеток. На туры все образцы нагревались одновременно в терпротивоположные торцы образцов, перпендикулярные мостате.

оси поляризации z, были нанесены электроды, что Когерентное оптическое облучение y-поверхности позволяло прикладывать к образцам постоянное элекобразцов создавалось пучком второй гармоники трическое поле. Переполяризация в приложенном в ( = 514 nm) лазера на ИАГ в виде импульсов обратном направлении поле контролировалась по току, длительностью 90 ns в двух вариантах. В первом — в сопровождавшему этот процесс. Степень переполяривиде полоски шириной порядка 1 mm, перпендикулярной зации определялась по интегральному значению тока.

оси z, во втором — в виде интерференционного пучка, созданного двумя лучами от одного и того же лазера, что соответствовало хорошо известному способу создания фоторефрактивных решеток [14]. Период решетки составил 25 µm.

Было измерено пространственное распределение вдоль оси z трех параметров: коэффициента оптического поглощения, показателя преломления и направления вектора электрической поляризации в приложенном электрическом поле после оптического облучения (при 180C) и охлаждения образцов. Эти измерения выполнялись при распространении вдоль оси x сфокусированного ( = 20 µm) пучка маломощного He-Ne лазера. Позиция образца при его перемещении вдоль Рис. 1. Блок-схема установки для идентификации 180 дооси z относительно луча He-Ne лазера и фотодетектора менов: 1 — фотодетектор, 2 — линза, 3 — бипризма, фиксировалась с точностью до 20 µm. Измерения пока4 — зеркало, 5 — компенсатор Берека, 6 — маломощный зателя преломления выполнялись по компенсационной He-Ne лазер, 7 — образец, 8 — источник регулируемого схеме (рис. 1), а вектора электрической поляризации — опорного напряжения, 9 — область, облученная мощным лазером на ИАГ, 10 — микроамперметр. интерференционным способом [2].

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Роль ян-теллеровских ионов в оптическом формировании доменов в ниобате лития 3. Основные результаты 3.1. П е р е п о л я р и з а ц и я о б р а з ц о в в п р и л о ж е н н о м э л е к т р и ч е с к о м п о л е. Исследовалось влияние примесных ионов на процесс переполяризации без оптического воздействия. Электрическое поле прикладывалось при температуре 180C навстречу полю поляризации монодоменного образца. По характеристикам токов переполяризации было обнаружено некоторое уменьшение величины коэрцитивного поля в более легированных образцах (см. таблицу). Было установлено, что коэрцитивное поле уменьшается примерно на 5-7% начиная с концентрации ионов железа 0.05 at.%. Ниже этой концентрации коэрцитивное поле было одинаковым для образцов 2 и 3. Также более высокий порог Рис. 2. Распределение оптического поглощения вдоль оси z образца относительно центра облучения (1) и распределение переполяризации сохранялся для образца 4, в котором интенсивности оптического пучка (2).

отношение ионов Fe2+/Fe3+ было порядка 0.1. Возникновение поляризации в обратном направлении также было обнаружено по изменению знака вектора поляризации оптического пучка He-Ne лазера.

3.2. Фотоиндуцированные эффекты при облучении образцов лазерным пучком в в и д е п о л о с к и. Были изучены эффекты, возникающие в образцах при облучении пучком лазера на ИАГ при температуре 180C и в отсутствие приложенного поля. По окончании фотоиндуцированных процессов образцы охлаждались до комнатной температуры, а затем облучались пространственно однородным некогерентным пучком галогенной лампы. Другими словами, создавались экспериментальные условия, обычные для записи фоторефрактивных решеток.

В результате лазерного облучения были обнаружены следующие особенности, во многом сходные с результатами работы [6]. Вблизи области облучения со Рис. 3. Распределение напряженности фотоиндуцированного стороны отрицательного полюса первоначальной пополя вдоль оси z образца.

ляризации (-z ) наблюдалось увеличение оптического поглощения, а со стороны +z, наоборот, просветление в виде полосок шириной 0.3-0.4mm (рис. 2). Области -z также соответствовало уменьшение показателя прелом- Этот факт можно интерпретировать, что уже предполагалось в [11], как возникновение одиночных мелких ления, а области +z — его увеличение. Этим данным можно сопоставить фотоиндуцированное пространствен- (субмикронного размера) доменов с антипараллельной полю первоначальной поляризации ориентацией.

ное перераспределение концентрации ионов Fe2+ и Fe3+, поскольку изменения в поглощении наблюдались вблизи 3.3. Ф о т о и н д у ц и р о в а н н ы е э ф ф е к т ы п р и длины волны 600 nm, что характерно для оптических оптическом облучении образцов, нахопереходов ионов Fe2+. Необходимые для последующих дящихся в приложенном электрическом экспериментов в приложенном электрическом поле зна- п о л е. Поскольку при облучении в отсутствие причения фотоиндуцированного поля Eph определялись из ложенного электрического поля не удалось получить величины изменений показателя преломления полную переполяризацию образцов, в данном случае необходимое поле создавалось суммой фотоиндуцироn = n3r113Eph/2, ванного поля и внешнего поля. Используя результаты п. 3.1, где были оценены значения фотоиндуцированных где n0 — показатель преломления обыкновенного луча, r113 — электрооптический коэффициент. Распределе- полей Eph, напряженность внешнего поля E выбирали ние Eph вдоль оси z представлено на рис. 3. Для образ- таким образом, чтобы суммарное поле E = Eph + E цов 3 и 5 после облучения наблюдалось размытие чет- превышало поле переполяризации Ec. При выполнении кой интерференционной картины в области облучения, этого условия в образцах 1 и 5 наблюдалось возникнохарактерной для подобного облучения при комнатной вение области переполяризации в случае оптического температуре в приложенном электрическом поле [11]. облучения в виде полоски при приложении внешнего 7 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2020 Н.Л. Батанова, А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Р.И. Калимуллин нетоэлектриках в приложенном электрическом поле [2], по которой они возникают вначале в виде острых игл наноразмеров. Именно такие иглообразные домены уже наблюдались в ниобате лития [16]. Однако до настоящего времени не решен вопрос о том, какие центры являются зародышами доменов. По нашему мнению, ими могут быть ионы Fe2+. Известно, что ионы Fe2+ и Fe3+ занимают одни и те же позиции в кристаллической решетке, например замещая ионы лития. Вследствие условий зарядовой компенсации ионы железа смещаются относительно первоначальных положений, занимаемых ионами Li+. Эти смещения должны приводить к локальным изменениям поляризации окружения ионов железа.

Наибольший вклад вносят ионы Fe2+, поскольку они сильно связаны с ближайшим решеточным окружением, что обусловлено эффектом Яна-Теллера. Их дополниРис. 4. Изменение знака поляризации вдоль оси z образца.

тельные смещения могут создавать значительную дополнительную поляризацию кристаллического окружения, причем направление этой поляризации противоположно поля с напряженностью порядка 4 · 105 V · m-1 и темнаправлению спонтанной поляризации, как следует из пературе 180C. Возникновение переполяризации региданных мессбауэровской спектроскопии [17]. В этом стрировалось по току и, главное, по инвертированию случае направления электрической поляризации оптического p = qu/a3, пучка He-Ne лазара (рис. 4). Индуцированный в виде где q — заряд иона, a — размер элементарной ячейки, полоски домен пространственно совпадал с областью u — локальная Я-Т деформация оптического облучения.

Фотоиндуцированные домены не исчезали после охлаu = /c, ждения образцов в приложенном электрическом поле.

Pages:     || 2 |



© 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.