Электрооптические свойства кристаллов молибдата гадолиния с примесью неодима

Одной из проблем современной оптоэлектроники является определение возможностей для модуляции и сканирования лазерного излучения с помощью сегнетоэлектрических кристаллов [1]. Определено несколько перспективных кристаллов, в том числе PMN (Рb 3 MgNb 2 O 3 ). Имеются предположения, что с этой целью можно использовать кристаллы молибдата гадолиния с примесью р.з.э. (редкоземельные элементы). Кристаллы с управляемым значением показателя и растянутым во времени переходом в другую фазу дают возможность использовать их для сканирования лазерного излучения.

Кристаллы ГМО относятся к сегнетоэлектрикам-сегнетоэластикам типа смещения. Низкотемпературная фаза точечной симметрии Cv–mm2 ромбопирамидального класса с параметрами элементарной ячейки а = 1,039 A; b = 1,042 А; с = 1,070 А и элементами симметрии L 2 2P. Высокотемпературная фаза D 2d –2m тетрагонально-скаленоэдрического класса с элементами симметрии L₄2L₂2P [2]. С переходом в высокотемпературную фазу объем ячейки удваивается. Температура перехода для кристалла ГМО без примеси неодима составляет ~159 °С [3].

В работе [4] приведены результаты исследования кристаллов ГМО с примесями неодима Gd i _{— x} Nd _x (MoO₄)₃ концентрации ~10 и 15 вес. %. Использовались образцы среза (001) и (100), вырезанные перпендикулярно и параллельно оси поляризации кристалла. Изменение доменной структуры под воздействием температуры и электрического поля наблюдалось в поляризованном свете, а доменная структура вблизи точки фазового перехода фиксировалась методом гидротермального травления [5].

При комнатной температуре в образце среза (001) проявляется два типа доменов: узкие шириной ~10–5–10–4 см и широкие ~10–4–10–5 см, тогда как на срезе (100) проявляются только широкие домены. Границы доменов прямолинейные и лежат в плоскостях симметрии (110) и (110) [6].

Рис. 1. Доменная структура кристалла ГМО, полученных в поляризованном свете (а) и гидротермальным травлением (б). Срез (001), х200.

Гидротермальным травлением в растворе Na 2 CO 3 установлено, что границы узких доменов поверхностные глубиной ~0,3–0,5 мм, а границы широких доменов проходят через весь кристалл.

Помимо завершенных границ наблюдаются незавершенные поверхностные границы (рис. 1), которые в работе [7] названы зигзагообразными (ЗОДГ) в отличие от завершенных (ПДГ). В ра- боте [8] показана возможность управления доменной структурой магнитным полем, но не указано какого типа границы используются объемного или поверхностного.

При нагревании кристаллов под действием электрического поля или при механическом воздействии происходит боковое смещение границ доменов, в первую очередь поверхностных, а затем объемных. На участках с максимальной концентрацией примеси смещение границ происходит при более высокой температуре. Экспериментально установлено, что натяжение объемных доменных границ составляет ~5∙10^–4 Дж/м². Смещение границ доменов начинается при напряженности поля Е ~ 3∙10⁵ В/м, а заканчивается переходом в монодоменную структуру при Е ~ 14∙10⁵ В/м, спонтанная поляризация составляет 10⁴ В/м.

Определение диэлектрической восприимчивости проводилось с помощью моста Р-НМ при частоте 2,5 кГц с погрешностью ~1,5 %. Использовался метод сравнения емкости ячеек с кристаллом и без кристалла:

£0 SA

A C = -0— ( £ - 1) или £ = 1 +

d

Температура фазового перехода с примесями неодима составляет ~175 °С вместо 159 °С, причем для кристаллов с большей концентрацией (15 %) значение диэлектрической проницаемости ниже, чем для кристаллов с концентрацией ~10 % (рис. 2, а). Достигается максимум в том и другом случаях постепенно и резко падает при температуре фазового перехода. Более длительное время достижения максимума у кристаллов с высокой концентрацией примеси неодима.

Рис. 2. Изменение диэлектрической проницаемости кристаллов ГМО с примесями неодима (а) и тангенса потерь ( б) : концентрации примеси 10% (1)и 15% (2)

Максимум тангенса потерь для кристаллов с большей концентрацией в 2,5 раза выше, чем для кристаллов с меньшей концентрацией. Температура фазового перехода и в этом случае составляет 175 °С (рис. 2, б).

Исследовалась магнитная восприимчивость, которая определяется уравнением Кюри–Вейса с эффективным моментом:

^ эфф

3 ------« 4,83 ^ ,

Б

2N где N =--A - число атомов гадолиния в одном грам-µ ме вещества, NA – число Авогадро, μ – молярная масса ГМО, μБ – магнетон Бора. С внедрением ионов Nd3+ меняется магнитный момент кристаллов.

Для кристаллов с меньшей концентрацией примеси закон Кюри–Вейса соблюдается до 140 °С, а для кристаллов с большей концентрацией – до 150 °С.

В кристаллах ГМО с примесью неодима проявляются два типа доменов объемные и поверхностные с разными компонентами внутренней деформации: для поверхностных η1 и для объемных η2, причем по экспериментальным данным η1 < η2. В таком случае в термодинамический потенциал войдет инвариант η1η2E линейный по Е, обеспечивающий возможность возникновения спонтанной поляризации [4, 9].

Для термодинамического потенциала имеем

^ф (T , E, П 1 Л 2 ) = ^ф 0^{( T} ) + a'(T ^- T o ) • ⁽ П 12 + П 22 ) ⁺ b i • ⁽ П 12 + П 2) 2 ⁺ b 2 П 12 П 2 ^- а П 1 П 2 E ^- 2 £ о E 2.

где а ' = da / dT , Т 0 – температура фазового перехода, а и b i – постоянные величины, причем а < 0 при Т <  Т 0 , а b 1 и b 2 всегда больше 0 и не зависят от температуры Т . Поляризуемость кристалла:

Брызгалов А.Н., Кабилов Н.Ф., Ахметшин К.Ф.

Электрооптические свойства кристаллов молибдата гадолиния с примесью неодима

„ дФ                           aa (T - T)     _ Л

P = -^ = аП1П2 + £oEa , Pc = аП1П2 =т;---г0" при Е = 0, дE                                 4 b1 + b 2

откуда следует, что поляризуемость кристалла возникает и при Е = 0:

a p

£ =-- д E

ε ₀

a ²

^{£ 0 +} 4 b 1 + b ₂

при T > To, при T < To.

Диэлектрическая проницаемость постепенно возрастает с приближением к точке фазового перехода и резко снижается с превышением Т 0 . Из двух возможных случаев поляризуемости только первый является сегнетоэлектрическим, связанный с объемными границами, во втором случае n ~ 0 и P ~ ап^П 2 ~ 0, поэтому степень поляризации выражена слабо. Откуда следует, что для тонких кристаллов основной вклад в поляризуемость вносят поверхностные домены, а для толстых – объемные.

В ГМО с активирующей примесью неодима установлена генерация когерентного излучения. Взаимно перпендикулярные границы доменов образуют дифракционную решетку с управляемым переменным параметром d , это открывает возможность применения переменной доменной структуры для управления модулированием лазерного излучения. Дифракционное рассеяние посредством решетки определяется уравнением угла рассеяния

G = 1,22 - .

d

При этом образуется два взаимно перпендикулярных луча рассеяния с максимальным углом расширения пучка при наибольшей плотности доменов и постепенно убывающим до нуля с переходом к монодоменной структуре.

Переменная диэлектрическая проницаемость ∆ ε определяет изменение показателя преломления ∆ n кристаллов в процессе перехода к другой фазе, что дает возможность использовать кристаллы ГМО для сканирования лазерного излучения. Одним из способов применения кристаллов ГМО с примесью неодима для сканирования пучка является использование свойства изменения угла смещения луча ∆ β при пропускании излучения через призму с углом при вершине α . Склонение угла ∆ β , когда луч направлен параллельно основанию призмы, определяется уравнением:

Ав =

2 А n sin(2 a )

cos2( a + в )

.

• 1.    Установлено, что в кристаллах ГМО имеются домены, управляемые внешним воздействием. Определена напряженность электрического поля, при котором начинается смешение границ и переход кристаллов к монодоменному состоянию.

• 2.    Границы доменов образуют дифракционную решетку с переменным периодом, с помощью которой можно управлять лазерным излучением – модулировать. При этом минимальный угол равняется нулю, а максимальный определяется наибольшей плотностью доменов.

• 3.    Примеси неодима в ГМО препятствуют движению границ, что приводит к смещению температуры фазового перехода от 159 °С к 175 °С и увеличению его во времени.

• 4.    С увеличением времени протекания процесса фазового перехода постепенно меняются величины диэлектрической постоянной и показателя преломления. В этом случае открывается возможность использования кристаллов ГМО для сканирования лазерного излучения.

• 1.    Кузьминов, Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением // Ю.С. Кузьминов. – М.: Наука, 1982.

• 2.    Рабинович, А.Э. / А.Э. Рабинович, Л.И. Сафонов // Тезисы докладов на VI Всесоюзной конференции по сегнетоэлектричеству. – Рига: Изд-во ЛатвГУ, 1968.

• 3.    Акустические кристаллы: справочник // М.: Наука, 1982. – С. 426.

• 4.    Брызгалов, А.Н. Физические свойства кристаллов ГМО с примесями неодима / А.Н. Брызгалов, В.В. Мусатов // Материалы итоговой научной конференции ЧГПУ. – 1999. – С. 126–131.

• 5.    Брызгалов, А.Н. Свойства и дефекты оптических кристаллов (кварц, корунд, гранат): ав-тореф. дис  д-ра физико-математических наук / А.Н. Брызгалов. – Уфа, 1998. – 32 с.

• 6.    Брызгалов, А.Н. Особенности доменной структуры кристаллов (Gd 1– x Nd x ) 2 (MoO 4 ) 3 / А.Н. Брызгалов, Б.М. Слепченко, Б.П. Вирачев // Известия высших учебных заведений. Серия «Физика». – Томск: 1989. – № 11. – С. 111–113.

• 7.    Злоказов, М.В. Взаимодействие зигзагообразной и плоской доменных границ в кристаллах Gd 2 (MoO 4 ) 3 в электрическом поле / М.В. Злоказов, Н.А. Тихомирова // Кристаллография. – 1987. – Т. 32. – Вып. 3. – С. 788–791.

• 8.    Федорова, С.А. Влияние магнитного поля на формирование структуры ГМО в области фазового перехода / С.А. Федорова, Н.Л. Цинман // Кристаллография. – 1987. – Т. 3. – Вып. 4. – С. 1047–1048.

• 9.    Струков, Б.А. Сегнетоэлектричество // Б.А. Струков. – М.: Наука, 1979.