Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO3:Cu и их проявление в спектре ИК-поглощения в области валентных колебаний атомов водорода ОН– -групп

Н.В. Сидоров1, Л.А. Бобрева1,2, М.Н. Палатников1, А.Ю. Пятышев3, М.К. Тарабрин4, А.А. Бушунов4

1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
2 ФГАОУ ВО «Мурманский арктический университет»
3 ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук»
4 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.277

Оригинальная статья

Аннотация: Методом спектроскопии ИК-поглощения в области валентных колебаний ОН−-групп исследованы кристаллы LiNbO3:Cu (0,005 мас.%), LiNbO3:Cu (0,015 мас.%), LiNbO3:Cu (0,022 мас.%), LiNbO3:Cu (0,042 мас.%), LiNbO3:Cu (0,46 мас.%), выращенные методом Чохральского по технологии прямого легирования шихты конгруэнтного состава. Обнаружено, что регистрируемые полосы поглощения винфракрасном спектре в диапазоне частот 3469-3490 см-1 связанны c отклонением состава кристалла LiNbO3:Cu от стехиометрического, вследствие дефицита катионов Li+ в его структуре. Вхождение легирующей примеси Cu2+ приводит к разупорядочению катионной подрешетки и заметной деформации кислородных октаэдров, за счет увеличением длин связи О–О. При этом в ИК-спектре регистрируется новая полоса поглощения с частотой 3487 см-1, соответствующая комплексному дефекту VLi-ОН. Расчет объемной концентрации ОН—-групп показал наибольшее значение для кристаллов LiNbO3:Cu (0,005 мас.%), LiNbO3:Cu (0,015 мас.%) LiNbO3:Cu (0,022 мас.%). Данные изменения происходят вследствие одновременного формирования в структуре кристалла двух видов комплексных дефектов: CuLi+-ОН-CuNb3- и VLi-ОН. Изменение механизма вхождения легирующей примеси в структуру кристалла LiNbO3:Cu (0,042 мас.%) приводит к уменьшению концентрации ОН—-групп.

Ключевые слова: ниобат лития, фоторефрактивная примесь, точечные дефекты, комплексные дефекты, ИК-спектроскопия

  • Сидоров Николай Васильевич – д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник с исполнением обязанностей заведующего, сектор колебательной спектроскопии, лаборатория материалов электронной техники, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
  • Бобрева Любовь Александровна – к.т.н., научный сотрудник, сектор колебательной спектроскопии лаборатории материалов электронной техники, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», доцент кафедры физики, биологии и инженерных технологий ФГАОУ ВО «Мурманский арктический университет»
  • Палатников Михаил Николаевич – д.т.н., главный научный сотрудник с сохранением обязанностей заведующего, лаборатория материалов электронной техники, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева – обособленное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
  • Пятышев Александр Юрьевич – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, лаборатория комбинационного рассеяния света, ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук»
  • Тарабрин Михаил Константинович – к.т.н., научный сотрудник лаборатории, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
  • Бушунов Андрей Алексеевич – научный сотрудник лаборатории, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Ссылка на статью:

Сидоров, Н.В. Особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO3:Cu и их проявление в спектре ИК-поглощения в области валентных колебаний атомов водорода ОН– -групп / Н.В. Сидоров, Л.А. Бобрева, М.Н. Палатников, А.Ю. Пятышев, М.К. Тарабрин, А.А. Бушунов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 277-288. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.277.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Kovács, L. New trends in lithium niobate: from bulk to nanocrystals / L. Kovács, G. Corradi // Crystals. – 2021. – V. 11. – I. 11. – Art. № 1356. – 4 p. DOI: 10.3390/cryst11111356.
2. Qi, Y. Integrated lithium niobate photonics / Y. Qi, Y. Li // Nanophotonics. –2020. – V. 9. – I. 6. – P. 1287-1320. DOI: 10.1515/nanoph-2020-0013.
3. Сидоров, Н.В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. – М.: Наука, 2003. – 255 с.
4. Палатников, М.Н. Фундаментальные аспекты технологии сильно легированных кристаллов ниобата лития / М.Н. Палатников, Н.В. Сидоров, О.В. Макарова, И.В. Бирюкова. – Апатиты: КНЦ РАН, 2017. – 241 с.
5. Lеngyel, K. Growth, defect structure, and THz application of stoichiometric lithium niobate / K. Lengyel, Á. Péter, L. Kovács et al. // Applied Physics Reviews. – 2015. – V. 2. – I. 4. – Р. 040601-1-040601-28. DOI: 10.1063/1.4929917.
6. Shur, V.Ya. Micro- and nano-domain engineering in lithium niobate / V.Ya. Shur, A.R. Akhmatkhanov, I.S. Baturin // Applied Physics Reviews. – 2015. – V. 2. – I. 4. – Р. 040604-1-040604-22. DOI: 10.1063/1.4928591.
7. Iyi, N. Comparative study of defect structures in lithium niobate with different compositions / N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi et al. // Journal of Solid State Chemistry. − 1992. − V. 101. − I. 2.− P. 340-352. DOI: 10.1016/0022-4596(92)90189-3.
8. Cabrera, J.M. Hydrogen in lithium niobate / J.M. Cabrera, J. Olivares, M. Carrascosa et al. // Advances in Physics. – 1996. – V. 45. – I. 5. – P. 349-392. DOI: 10.1080/00018739600101517.
9. Kovács, L. On the lattice site of trivalent dopants and the structure of Mg2+ -OH- -M3+ defects in LiNbO3:Mg crystals / L. Kovács, L. Rebouta, J. C. Soarest et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 1993. – V. 5. – I. 7. – P. 781-794. DOI: 10.1088/0953-8984/5/7/006.
10. Kaczmarek, S.M. Thermal and radiation stability of pure and doped with Cu, Fe and Cr ions lithium niobate single crystals for optical applications / S.M. Kaczmarek // Ferroelectrics. – 2001. – V. 256. – I. 1. – P. 175-188. DOI: 10.1080/00150190108015982.
11. Pracka, I. Growth and characterization of LiNbO3 single crystals doped with Cu and Fe ions / I. Pracka, A. L. Bajor, S. M. Kaczmarek et al.// Crystal Research and Technology: Journal of Experimental and Industrial Crystallography. – 2019. – V. 34. – I. 5-6. – P. 627-634. DOI: 10.1002/(SICI)1521-4079(199906)34:5/6<627::AID-CRAT627>3.0.CO;2-0.
12. Sugak, D. Optical investigation of the OH− groups in the LiNbO3 doped by copper / D. Sugak, U. Yakhnevych, I.I. Syvorotka et al. // Integrated Ferroelectrics. – 2019. – V. 196. – I. 1. – P. 32-38. DOI: 10.1080/10584587.2019.1591981.
13. Kruk, A.A. Raman spectra of copper-doped lithium niobate crystals as a function of excitation wavelength / A.A. Kruk, N.V. Sidorov, A.A. Yanichev et al.// Journal of Applied Spectroscopy. – 2014. – V. 81. – I. 1. – P. 1- 6. DOI: 10.1007/s10812-014-9878-9.
14. Sidorov, N.V. Photorefractive properties of lithium niobate single crystals doped with copper / N.V. Sidorov, A.A. Yanichev, A.A. Gabain et al. // Journal of Applied Spectroscopy. – 2013. – V. 80. – I. 2. – P. 226-231. DOI: 10.1007/s10812-013-9750-3.
15. Abrahams, S.C. Ferroelectric lithium niobate. Single crystal X-ray diffraction study at 24°C / S.C. Abrahams, J.M. Reddy, J.L. Bernstein // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 1966. – V. 27. – I. 6-7. – P. 997- 1012. DOI: 10.1016/0022-3697(66)90072-2.
16. Li, C.-Y. Investigations on the spin-Hamiltonian parameters and local structure of the orthorhombic Cu2+ center in PbTiO3 crystal / C.-Y. Li, L-.B. Cheng, X.-M. Zheng // Acta Physica Polonica A. – 2015. – V. 127. – № 6. – P. 1671-1674. DOI: 10.12693/APhysPolA.127.1671.
17. Zhang, H.-M. Investigations on the EPR parameters and defect structures due to Jahn-Teller effect for the Cu2+ and Ni+ centers in LiNbO3 / H.-M. Zhang, W.-B. Xiao // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – V. 745. – P. 586-591. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.209.
18. Теплякова, Н.А. Особенности дефектной структуры монокристалла LiNbO3:Cu (0,015 мас.%) / Н.А. Теплякова, Н.В. Сидоров, М.Н. Палатников // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 215-222. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.215.
19. Klauer, S. Influence of the H-D isotopic substitution on the protonic conductivity in LiNbO3 crystal / S. Klauer, M. Wöhlecke, S. Kapphan // Physical Review B. – 1992. – V. 45. – I. 6. – P. 2786-2799. DOI: 10.1103/physrevb.45.2786.
20. Shannon, R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R.D. Shannon // Acta Crystallographica Section A. – 1976. – V. 32. – I. 5. – P. 751-767. DOI: 10.1107/S0567739476001551.
21. Kuang, M.-Q. Theoretical studies on the local structure and spin Hamiltonian parameters for the orthorhombic Cu2+ center in LiNbO3 / M.-Q. Kuang, S.-Y. Wu, H.-M. Zhang // Optik. – 2012. – V. 123. – I. 18. – P. 1601-1604. DOI: 10.1016/j.ijleo.2011.08.032.
22. Tsuboi, T. Site symmetries of Cu2+ ions in LiNbO3 crystals / T. Tsuboi, M. Grinberg, S.M. Kaczmarek // Journal of Alloys and Compounds. – 2002. – V. 341. – I. 1-2. – P. 333-337. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)00032-4.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒