Закономерности формирования дефектной структуры, люминесцентных и фоторефрактивных свойств керамик и монокристаллов ниобата лития одинарного и двойного легирования цинком и магнием, полученных по разным технологиям, в зависимости от концентрации легирующих элементов

Методами фотолюминесцентного анализа, фотоиндуцированного рассеяния света, оптической абсорбционной спектроскопии в области собственного поглощения, ИК-спектроскопии в области валентных колебаний ОН- групп выполнены комплексные исследования влияния стехиометрии, типа и концентрации легирующих примесей Zn, Mg, Fe на состояние дефектности и композиционной однородности монокристаллов ниобата лития (LiNbO3) различного состава, полученных по разным технологиям. В качестве объектов исследования были использованы номинально чистые кристаллы конгруэнтного и стехиометрического состава, полученные по разным технологиям (LiNbO3конг, LiNbO3стех и LiNbO3стех(6.0 мас.% K2O)), конгруэнтные кристаллы, легированные цинком и магнием в широком диапазоне концентраций (0.04 ÷ 5.19 мол. % ZnO, 0.19 ÷ 5.23 мол. % MgO в кристалле), а также ряд кристаллов двойного легирования (LiNbO3:Mg,Zn (MgO=1.00, 1.09 и 1.16 мол. % и ZnO=3.87, 3.84 и 3.68 мол. % в кристалле) и LiNbO3:Mg:Fe(MgO=5.15 мол.% и Fe2O3=0.005 мол.% в кристалле)). По данным оптической абсорбционной спектроскопии для всех исследуемых кристаллов были определены край собственного поглощения, энергия Урбаха, соотношение Li/Nb, ширина запрещённой зоны при прямых и непрямых переходов, энергия фононов. Выполнен анализ влияния особенностей технологий на практически значимые физические характеристики кристалла. Определены составы шихты и технологические факторы, необходимые для получения наиболее композиционно однородных монокристаллов, обладающих низким эффектом фоторефракции. Для серии кристаллов LiNbO3:Zn(0.04 ÷ 5.19 мол. % ZnO) установлены причины смещения края оптического поглощения с точки зрения эффекта Бурштейна-Мосса. Для исследованных кристаллов изучена кинетика раскрытия во времени индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света, по результатам расчёта фотоэлектрических полей определён вклад компонент фотовольтаического и диффузионного полей в эффект фоторефракции. Впервые установлено, что особенности фотолюминесценции кристалла LiNbO3 зависят от места возбуждения с распределением интенсивности в оптической области спектра. Впервые показано, что в области максимальной концентрации поверхностных дефектов возбуждается собственная фотолюминесценция электронно-дырочных NbNb-O пар, которая слабо зависит от состава, технологии легирования, концентрации легирующей примеси и которая подобна люминесценции от керамических твердых растворов ANbO4 (A – редкоземельный или щелочной элемент). Установлено, что в «объёме» кристалла люминесценция в оптической области спектра обусловлена точечными и комплексными дефектами кристаллической структуры, которая сильно зависит от стехиометрии, концентрации и типа легирующей примеси. Показано, что фотолюминесценция в видимой области спектра обусловлена биполяронными парами NbLi-NbNb. Предложен механизм свечения в ближней ИК-области за счёт излучательной рекомбинации NbLi-O пар и рекомбинации при перескоке электрона между NbNb4+ и NbLi5+. Выполнен анализ влияния стехиометрии и технологии выращивания номинально чистых кристаллов LiNbO3 на их фотолюминесценцию в оптической области. Показана закономерность влияния Zn и Mg на собственную люминесценцию кристалла ниобата лития в оптической области спектра. Установлено, что зависимость фотолюминесценции в видимой и ближней ИК-области от концентрации ZnO/MgO в кристалле носит пороговый характер. В сильнолегированных кристаллах LiNbO3:Zn(4.46-5.19 мол. % ZnO) и LiNbO3:Mg(5.23÷5.29 мол. % MgO) впервые обнаружен «новый» центр свечения в виде электронно-дырочной NbNb-O пары в присутствии дефектов ZnLi/MgLi и VLi и установлена зависимость интенсивности свечения данного центра от типа и концентрации легирующей примеси. В ближней ИК-области фотолюминесценция зависит как от типа легирующего элемента и её концентрации, так и от метода легирования. На основании данных по ИК-спектроскопии поглощения в области валентных колебаний ОН- групп рассчитана концентрация гидроксильных групп для каждого исследованного кристалла LiNbO3. Для кристаллов LiNbO3:Mg(1.66÷5.29 мол.% MgO) впервые показан аддитивный характер вкладов в общий люминесцентный сигнал в ближней ИК-области от собственных дефектов и центров свечения, интенсивность которых зависит от концентрации гидроксильных групп в кристалле. Показано, что кристаллы LiNbO3:Zn(2.01 мол.% ZnO, прямое легирование) и LiNbO3:Mg(5.23 мол.% MgO, твердофазное легирование) обладают наиболее дискретными эмиссионными свойствами и наименьшей спонтанной излучательной рекомбинацией центров люминесценции в оптической области, что позволяет использовать их в качестве перспективных материалов с эффектом квазисинхронизма для преобразования лазерного излучения на регулярных доменных структурах субмикронного размера. Наиболее значимые результаты проекта были опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6 статьях в научных сборниках и 3 тезисах конференции. Материалы проекта были представлены на 8 конференциях различного уровня в качестве устных и стендовых докладов.