Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
1 кВ/см при Т = 180 °С. Для контроля степени монодоменизации применяются визуальный контроль и избирательное травление.
Рис. 9.25. Схема ориентации совокупностей доменов в кристаллах со структурой перовскита в фазах:
а - тетрагональной 4mm; б ромбической mm2 [44]
204
9.6. ПОЛУЧЕНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР
Периодические или регулярные доменные структуры (РДС) привлекают к себе внимание тем, что:
а) создают возможность использовать электрооптический эффект для управления лучом без применения поляризационной оптики;
б) позволяют реализовать нелинейное оптическое взаимодействие в условиях квазисинхронизма. Особенности и преимущества квази-синхронного нелинейного оптического взаимодействия были кратко рассмотрены ранее.
Для описания РДС можно ввести вектор пространственной периодичности к - пп/2d, где п - нормаль к поверхности доменной границы; d - ширина домена (расстояние между доменными границами). Условия, необходимые для формирования РДС, можно создавать как при выращивании кристалла, так и в процессе послеросто-вой электротермической обработки или электрического воздействия. Принципиальная возможность получения РДС имеется в любых сег-нетоэлектриках, так как полидоменное состояние сегнетоэлектрика является энергетически более выгодным. Реально РДС получена на практически наиболее важных кристаллах - ниобате и танталате лития. Поэтому ниже будут рассмотрены возможности получения РДС именно в этих кристаллах. При переходе из парафазы в сегнетофазу в кристаллах ниобата и танталата лития (Зш -> 3 т) утрачивается единственный элемент симметрии - центр инверсии, поэтому векторы Ps в соседних доменах должны быть антипараллельны. По условиям симметрии ориентировка доменных границ в кристаллах симметрии 3 ш может быть произвольной. Однако, если к составляет с осью 3 угол, не равный 90 град, на доменной границе возникают связанные (поляризационные) заряды, что резко увеличивает энергию границы. Поэтому существование доменных границ, для которых направление к неортогонально оси 3, возможно только в тех случаях, когда при формировании доменных границ возможна компенсация связанных зарядов свободными, т.е. при условии высокой электропроводности. Эти условия легко создаются в кристаллах ниобата лития, у которых температура Кюри близка к температуре кристаллизации.
9.6.1. Формирование регулярных доменных
СТРУКТУР В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
Образование регулярных доменных структур при выращивании сег-нетоэлектрических кристаллов [45, 46] происходит при колебаниях
205
S fV
ч. " V"
условий кристаллизации. Давно замечена однозначная связь между ростовой полосчатостью и доменными стенками [47, 48]. Эта связь проявлялась как в легированных, так и в чистых кристаллах. Поскольку концентрационная неоднородность наиболее ярко проявляется в легированных кристаллах, для получения РДС при росте LiNbCb и ЫТаОз использовались кристаллы, легированные примесью иттрия с концентрацией до 0,1 % (масс.) [49 - 51]. Обнаружена зависимость структуры доменных стенок от концентрации иттрия [51]. Доменная граница возникает там, где градиент концентрации иттрия (grad[Yj) меняет знак. При резком изменении знака grad[Y] образуется ровная стенка, а при плавном изменении знака grad[Y] - неровная, зубчатая (рис. 9.26). Качественная связь ростовой полосчатости и доменной структуры [52] объясняется появлением поля объемного заряда в областях кристалла с неоднородным распределением примесей. При легировании кристаллов LiNb03 ионами иттрия возникают заряженные центры (Yи)2+ или (Уиь)2, заряд которых могут компенсировать либо точечные дефекты (вакансии лития или кислорода), либо подвижные носители электронной подсистемы (подвижность электронов в состоянии малых поляронов может быть весьма низкой и соизмеримой с подвижностью точечных дефектов). Объемный заряд возникает [52] при амбиполярной диффузии из-за разницы подвижностей ионов Y3+ и компенсирующих их заряд дефектов и из-за упругих искажений, вызванных разницей ионных радиусов катионов матрицы. В результате между примесными и компенсирующими зарядами возникает расстояние Ах, индуцированная поляризация Р„- = qAx и соответствующее ей электрическое поле
Рис. 9.26. Связь ростовой полосчатости со структурой домеииых границ [51): а - концентрация примеси в ростовых полосах; б - градиент концентрации и соответствующее ему электрическое поле; в - форма доменных границ
Е, = [qAx!{zA)\,
(9.6)
где q - заряд разделенных дефектов.
Таким способом, создавая ростовую неоднородность, например, за счет вращения растущего кристалла в неоднородном тепловом по-206
ле, можно получить РДС с расстоянием между доменными стенками в несколько микрон. Недостатком этого метода является то, что форма и ориентация доменных границ определяются формой и ориентацией фронта кристаллизации, а размер доменов - параметрами процесса роста (колебаниями температуры, условиями формирования ростовой полосчатости и т.д). Это существенно ограничивает возможности управляемого формирования РДС. В частности, это затрудняет получение плоских доменных границ, так как фронт кристаллизации обычно не является идеально плоским. Это затруднение было преодолено с помощью так называемого гранного роста. Известно, что кристаллы стремятся ограниться определенными простыми формами. В ниобате лития такой простой формой является ромбоэдр (псевдокуб) -(1012}. Кристалл тем лучше ограняется, чем ближе положение фронта кристаллизации к положению грани этой простой формы.
