4. Основные свойства ниобата лития

Открытие сегнетоэлектрических свойств конгруэнтного ниобата лития LiNbO₃(CLN) было сделано Матиасом и Ремейкой на основе наблюдения петель диэлектрического гистерезиса. CLN– собственный одноосный сегнетоэлектрик, класс симметрии –С_3V. Он обладает необычно высокой температурой КюриТ_с1210°С, что близко температуры плавления (1260°С). Структура CLN при комнатной температуре является сильно искаженной структурой перовскита, а при температурах выше точки Кюри структура должна быть перовскитовой. В соответствии с изменением симметрии при фазовом переходеm3mв кристаллахLNвозможны только 180° антипараллельные домены. При фазовом переходе происходит смещение подрешеток положительных ионов лития и ниобия/тантала относительно подрешетки анионов кислорода. Направление смещения катионов определяет направление вектора спонтанной поляризации в сегнетофазе.

Химический состав ниобата лития описывается формулой LiNbO₃лишь в частном случае. Реальные монокристаллы заметно отклоняются от стехиометрического состава без изменения структуры и выделения второй фазы.

Домены в CLN были впервые обнаружены Нассау с соавторами. Боковой рост доменов в CLNпосле их сквозного прорастания происходит за счет анизотропного движения доменных стенок, что приводит к образованию доменов шестиугольной (гексагональной) в сечении перпендикулярном полярной оси (Рис.8). В этом случае доменные стенки оказываются параллельныYкристаллографическим направлениям.

Рис.8 Форма доменов в CLN

Макроскопическое боковое движение стенок в CLNсвязано с распространением вдоль стенок ступеней микроразмеров (Рис.9). Это наблюдение оправдывает применимость модели послойного роста к движению стенок. Согласно этой модели, боковое движение доменных стенок в сегнетоэлектриках может быть рассмотрено как результат генерации ступеней на стенке за счет 2D пристеночного зародышеобразования и последующего движения ступеней вдоль стенки за счет 1D пристеночного зародышеобразования (Рис.10). При этом оба типа зародышей (1D и 2D), появляющиеся на доменной стенке вблизи полярной поверхности, в процессе своего прорастания сквозь образец ограничены заряженной доменной стенкой. Это должно приводить к появлению сильных локальных электрических полей и, как следствие, к проявлению электрооптических эффектов. Образование 2Dступеней вLNпроисходит преимущественно на трех не смежных вершинах шестиугольника.

Рис.9 Движение микроступеней вдоль доменных стенок в CLN. Переключение с жидкими электродами. Оптическая визуализация.

Рис. 10 Схематическое изображение процессов зародышеобразования различной размерности. Показаны направление распространения ступеней (черная стрелка) и результирующее направление движения доменной стенки (серая стрелка).

5. Модификация поверхностного слоя методом протонного обмена

Процесс протонного обмена в ниобате лития заключается в частичном замещении атомов лития Li⁺на поверхности кристалла на атомы водорода Н⁺(Рис.11) и может быть описан следующей формулой, гдех– степень замещения:

LiNbO₃ + xH⁺  H_xLi_1-xNbO₃ + xLi⁺(21),

Рис. 11 Изменения кристаллографической структуры вследствие протонного обмена.

Комплекс HNbO₃является полностью несегнетоэлектрическим.

Широкое использование протонного обмена в технологии интегральной оптики началось в 1982 году с формирования оптических волноводов в CLNметодом протонного обмена в расплаве бензойной кислоты (C₆H₅COOH) при 200-250^oC. Волноводы имели ступенчатый профиль показателя преломления, и приращение показателя преломления наблюдалось только для е-луча

(~ 0.12). При этом в данном расплаве волноводы успешно формировались на X-иZ-срезахCLN, однако дляY-среза формирование волноводов было невозможно вследствие поверхностной деструкции.

Для управления параметрами протонообменных волноводов могут также использоваться дополнительные технологические операции постобменного отжига (APE волноводы) или обратного протонного обмена (RPE и/или REAPE волноводы).

В последнее время предложены и разработаны различные как органические, так и неорганические источники протонного обмена.