Способы упрочнения монокристаллов KGd(WO 4) 2:Nd 3+

Рис. 1. Структура кристалла KGd(WO4)2 в послойном (1, 2, 3) представлении [4]

На сегодняшний день важнейшей задачей квантовой электроники является расширение спектрального диапазона частот источников лазерного излучения. Кристаллы калий-гадолиниевого вольфрамата (КГВ) с примесью редкоземельных элементов широко используются в лазерной технике.

На исследуемых нами кристаллах, легированных примесью Nd3+, получают эффекты вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и спонтанного ком- бинационного рассеяния (СКР), в результате которого возникает когерентное излучение с частотой, сдвинутой относительно частоты основного излучения на величину, равную или кратную частоте молекулярного колебания вещества.

Указанные свойства зависят не только от совершенства кристаллов и распределения активной примеси, рассмотренных в работе [1], но и от механической прочности.

Структура вольфрамата на молекулярном уровне составлена ионами кислорода с гексагональной упаковкой в плоскости (010), в октаэдрических пустотах которых рядами располагаются через свободный ряд в направлении [001] ионы гадолиния, калия и вольфрама (рис. 1). Затем следует второй слой, в котором заполненные ряды октаэдров смещены на один ряд, а в третьем слое наблюдается структура первого слоя. Образуется трехслойный пакет, ограниченный плоскостями (100), (010) и (001), в состав которого входят три формульных единицы ионов: К-4, Gd-4 , W-8, O-32.

Во время роста формируется кристалл с плоскостями (001), (100) и (010). Плоскость (010) является плоскостью спайности, а нарастание по ней происходит с максимальной скоростью.

Под действием упругих сил может происходить смещение октаэдров вдоль рядов по плоскости (100) в направлении [001]. В результате этого появляется лишняя полуплоскость (001) и образуется краевая дислокация с вектором Бюргерса в направлении [001], линией дислокации в направлении [010] и плоскостью скольжения (100).

Исследование кристаллов

Для исследования использовались плоскопараллельные пластины КГВ размером 15x5x2 мм среза (010), выращенных раствор-расплавным методом, с различной концентрацией (1, 2, 3, 5 %) неодима в расплаве. Образцы подвергались гидротермальному травлению. В качестве травителя был использован 5 %-ный раствор КОН при давлении p = 20 атм и температуре t = 200 ° C.

Поверхность образцов исследовалась при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4 с увеличением x375.

Рис. 2. Типичная кривая упрочнения кристаллов (схема). т - напряжение сдвига, 8 - сдвиговая деформация [3]

Упрочнение кристаллов без примеси неодима основано на дислокационном механизме, где распространение слоев пластической деформации происходит по плоскости (010) в направлении [100]. Из (рис. 2) следует, что пластическая деформация зависит от величины приложенного напряжения.

На первом участке происходит образование и смещение слоя деформации, на втором линейном участке представлено распространение деформационного слоя с постоянной скоростью, на третьем – проявляется процесс торможения слоев деформации.

В основу механизма упрочнения положена теория Оро- вана [2, 3], согласно которой фронт слоя деформации образован винтовыми дислокациями с вектором Бюргерса и линией дислокации одного направления (рис. 3).

Скорость перемещения относительной деформации можно оценить исходя из формулы 8 = bpv , где 8 - скорость относительной деформации, р и V - плотность и скорость переме- щения дислокации, b – вектор Бюргерса.

Рис. 5. Торможение слоев деформации на участках нарушенной поверхности. x375

Рис. 3. Слои деформации плотностью (5–8)·102 см–1, образованные совокупностью винтовых дислокаций. x375

Рис. 4. Взаимодействие слоев деформации с отдельными краевыми дислокациями и стенкой дислокации. x375

Механические параметры кристаллов KGd(WO4)2:Nd3+

Направление	[100]	[010]	[001]
Параметры элементарной ячейки, Å	8,098	10,417	7,583
Модуль Юнга G для пластинчатой структуры, ГПа	115,8	152,5	92,4

Напряжение, необходимое для образования слоев деформации, можно оценить по формуле (1) т = 0,3 Н/м²:

Gb т =      ,

2 п г

Торможение слоев деформации происходит за счет взаимодействия с одиночными дефекта- ми, такими как краевые дислокации и макроскопические включения, которые играют роль «стопоров». Их упругое напряжение рассчитывается, исходя из формулы (2) т е 0,85 Н/м2:

Gb τ = D ,

где G – модуль Юнга, D – расстояние до дефекта или между смежными дефектами (точечными). Согласно Оровану [3], при достижении критического напряжения дислокационный сегмент расширяется и проходит мимо «стопора» (рис. 4).

Сила взаимодействия F = b τ D . Радиус прогиба при прохождении между дефектами:

Gb

R =     .

2 τ

Две краевые дислокации с вектором Бюргерса одного знака при больших расстояниях между ними r взаимно отталкиваются. Однако, если r ≤ V2 h , они притягиваются, и положение их стабильно, когда они находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, где h – расстояние между плоскостями скольжения. Если знаки дислокаций разные, то они притягиваются при r ≥ V2 h и отталкиваются при r ≤ V2 h . Пару дислокаций противоположного знака принято называть дислокационным диполем, и для его разрушения требуется приложить дополнительное

напряжение:

Gb τ =            .

8 π (1 - v ) h

Первый механизм упрочнения кристалла происходит за счет взаимодействия винтовой дис-

локации напряжением (1) с краевой τ =

Gb 2 π (1 - v )

GbN или с группой дислокаций τ=         . Дли-

8 π (1 - v ) h

h на пути перемещения винтовой дислокации λ= 2 . При взаимодействии с дефектами слои bπ деформации резко меняют направление или тормозятся (рис. 5). Также среди отдельных дефектов встречается «лес» дислокаций – группы, у которых линии дислокаций пересекают плоскость (010) под разными углами.

При включении ионов примеси неодима Nd3+ увеличивается плотность краевых дислокаций и макроскопических включений, при этом границы деформации преобразуются в границы слоев роста и носят прямолинейный характер параллельно плоскости (100). На участках выхода краевых дислокаций и макроскопических примесей наблюдается смещение слоев (рис. 6).

Рис. 6. Взаимодействие макровключений и краевых дислокаций со слоями роста на поверхности плоскости (010)

Рис. 7. Граница блока образованная стенками краевых дислокаций x375, угол разориентировки составляет 3·10–3 рад

На рис. 7 проявляется блочная структура с границами, образованными стенками краевых дислокаций. Угол разориентировки для прямолинейных простых границ можно оценить по формуле Q = b/d , где d – расстояние между дислокациями, b – вектор Бюргерса.

Под слоями роста обнаруживается пластинчатая субструктура (рис. 8).

Пластинчатость сохраняется и на дефектных участках повреждения поверхности механическим способом. Ямки травления на участках макровключений имеют плоское дно, а на дислока- циях – острое, но контуры ямок сохраняют геометрическую форму согласно симметрии иссле- дуемой поверхности (010), форма пластинок и дефектных ямок травления имеют симметрию грани (010) и молекулярного трехслойного пакета.

Рис. 8. а) бездефектная поверхность x375; б) участки, поврежден ные абразивным материалом в процессе обработки x200

Вторым способом упрочнения кристаллов является пластинчатая субструктура. Она является следствием распределения тепловой энергии в открытой термодинамической системе. При выращивании кристаллов излучение энергии при охлаждении происходит с поверхности, преимущественно рассеиваясь в окружающую среду и на дефектах кристаллов. Благодаря низкой теплопроводности кристалла часть энергии сохраняется внутри, распределяется по ячейкам, в данном случае пластинчатой формы в соответствии с симметрией решетки кристалла.

Дислокационный стопорный механизм и пластинчатость являются следствием процесса са- моорганизации кристаллов.

На (рис. 9) представлена зависимость твердости кристалла от концентрации неодима. Испытания на твердость проводились на микротвердомере ПМТ-3 по методу Кнуппа. Из графика видно, что с увеличением концентрации неодима твердость кристаллов возрастает

Обсуждение результатов

Представлено два механизма упрочнения кристаллов КГВ с примесью неодима.

450 ■

430 ■ м < 410 ■

2 390 ■

^ 370 ■*

I 350 ■

В 330 "

§ 310 ■

« 290 ■

“ 270 ■

250   -----------1-----------1-----------1i

1         2         3         45

Концентрация C, %

Рис. 9. Зависимость упрочнения монокристаллов КГВ в зависимости от процентного содержания неодима

Первый механизм связан с взаимодействием слоев деформации, образованных винтовыми дислокациями с краевыми дислокациями и макроскопическими включениями, которые являются «стопорами» для деформационных слоев.

Образование пластинчатой субструктуры является еще одним механизмом упрочнения кристаллов.

Пластинчатая субстуктура возникает за счет перераспределения тепловой энергии в открытой термодинамической системе. В результате низкой теплопроводности часть тепловой энергии рассеивается на дефектах и в окружающую среду, а другая – сохраняется и распределяется внутри кристалла, образуя пластинки. Данный механизм согласуется с теорией самоорганизации И.Р. Пригожина.