Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллы ниобата литих (НЛ), благодаря удачному сочетанию электрооптических, пьезоэлектрических, нелинейнооптических свойств с относительно высоким качеством их промышленных образцов, получили широкое применение в приборах оптоэлектроники. Поскольку эффективность электро- и акустооптических взаимодействий при концентрации излучения в волноводном слое кристалла повышается, устройства, управляющие оптическим сигналом, монтируют в виде интегральнооптических схем.
Одну из возможностей реализации высокопреломляющего волноводного слоя в кристаллах НЛ представляет частичное протонное легирование их приповерхностной области. Несмотря на то, что данная методика была предложена более пятнадцати лет Назад и нашла широкое применение в интегральной оптике, исследовательский интерес к протонзамещенным (ГО) волноводам в НЛ не ослабевает. Идет интенсивный поиск способов уменьшения потерь излучения в данных волноводах, повышения стабильности профиля показателя преломления, а также способов целенаправленного изменения .других свойств.
В то же время, разрабатываются методы, которые были бы эффективны при исследовании ПЗ волноводов в НЛ. В рамках этой проблемы обращает на себя внимание слишком узкий подход к применению методов колебательной спектроскопии в' исследованиях ПЗ волноводов в НЛ. Широкое распространение получил только один из них, а именно метод ИК-поглощения, который, как правило, используется для оценок концентрации протонов в образцах по интенсивности спектральной полосы в области валентных ОН-колебаний. В то же время игнорируется существование методов ИК-отражеиия и нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), положительно зарекомендовавших себя в области изучения слоистых структур и поверхности кристаллов. Отсутствие результатов исследования ПЗ волноводных слоев НЛ методом ИК-отражения обусловлено, по-видимому, более сложной методикой экспериментальных измерений (в сравнении с ИК-погяощением) и относительной сложностью теоретического аппарата, применяемого для описания взаимодействия поверхностных
возбуждений кристаллов с ИК-излучением. Преимущество же данного метода заключается в том, что снехтр ИК-отражения несет информацию о колебательных состояниях приповерхностной области исследуемых объектов. Влияние остального объема образцов при этом сводится К минимуму.
Изложенное показывает актуальность выбранного направления работы, суть которого можно сформулировать как исследование особенностей взаимодействия ИК-излучения с ГО слоем кристаллов НЛ и построение теоретической модели данного взаимодействия, чго даст возможность получения информации о профиле концентрации протонов в приповерхностной области кристаллез НЛ непосредственно из спектров ИК-отраасеиия. С другой стороны, поскольку существует интерес к легированным медью ПЗ слоям НЛ как фотррефрахтивным оптическим волноводам, представляется актуальным экспериментальное исследование спектральных свойств Cu:H:Li№03 слоев в НЛ, полученных различным сочетанием низкотемпературных нонно-обменных реакций. . Цель работы. ' Решение методических и теоретических проблем ИК-спектросколии ПЗ слоев НЛ для реализации больших потенциальных возможностей метода ИК-отражения к получению параметров профиля концентрации протонов в приповерхностной области кристаллов НЛ, а также исследование названным методом легированных медью ПЗ слоев НЛ, подвергнутых дополнительно протонному легированию или обратному ионному обмену. Для достижения данной цели требовалось решить следующие задачи:
-
Экспериментально исследовать особенности взаимодействия ИК-шлучення с ПЗ слоем кристаллов НЛ в области валентных ОН-колебаннй при нормальном падении излучения на поверхность образца и при углах падения отличных от 0.
-
Построить теоретическую модель взаимодействия ИК-излучения (в случае его падения на поверхность образца под углом отличным от нуля) с Полярными колебаниями ОН-групп приповерхностного ПЗ слоя кристаллов НЛ для определения зависимости спектральных характеристик от параметров профиля концентрации протонов в слое, что позволило бы использовать метод ИК-отражения для исследования ПЗ волноводов в кристаллах НЛ.
-
Исследовать нарушенные приповерхностные слои полированных пластин кристаллов НЛ методом ИК-отражения с использованием вышеназванной модели.
-
Исследовать Oa:H:LiNbQj слои кристаллов НЛ для определения связи между условиями проведения процесса легирования и профилями концентрации меди (Сс«) и протонов (СРХ а также определить возможности изменения данных профилей путем ряда комбинаций ионообменных реакций в приповерхностном слое НЛ с целью получения многослойных структур.
Основные положения, выдвигаемые на защиту:
-
Наличие протонзамешенного приповерхностного слоя с контрастной для ИК-излучения внутренней границей приводит к эффекту аномального уменьшения отражательной способности кристаллов НЛ на частотах валентных ОН-колебаний. Данный эффект обусловлен прямым (без призмы связи) взаимодействием падающего на кристалл ИК-излучения с обобщенными поляритонами про-тоизамещенного слоя в области аномальной дисперсии его диэлектрической проницаемости. "
-
Полированные монокристаллические пластины НЛ, используемые на практике, имеют нарушенные по химическому составу приповерхностные слои (с меньшим, чем в объеме, соотношением [Li]/[Nb]), наружная часть которых обогащена протонами до Ср ~ 10м- 10м см"3 на глубину 0.4 - 0.65 мкм (в зависимости от способа получения полированной поверхности и среза кристалла) с квазиступенчатым профилем концентрации протонов. Обработка полированных пластин кристаллов НЛ в расплаве LuNOj позволяет уменьшить концентрацию протонов в приповерхностном слое на порядок.
-
Низкотемпературное (249аС) легирование медью приповерхностного слоя кристаллов НЛ протекает за счет ионного обмена между медьсодержащим рас-
. плавом бензойной кислоты и твердым раствором Lii.»HxNb03, образование которого требует предварительного протонного легирования НЛ.
4. Обработка Cii:H:LiNbOj слоя НЛ в расплаве LiNOj при 290'С понижает соот
ношение [Cu+]/[Cu2+] в названном слое, а обработка в расплаве бензойной кисло
ты при 249<6 повышает данное соотношение.
5. Чередование обратного ионного обмена протонов и ионов меди Cu:H:LiNb03 слоя НЛ на ионы лития расплава LiN03 и приповерхностного протонного легирования Cu:H:LiNbOj слоя НЛ дает возможность получения многослойных структур со сложным профилем концентрации протонов и меди. Научная новизна
-
Впервые спектроскопия ИК-отражения применена для исследования приповерхностных протонзамещенных слоев кристаллов НЛ, а также многослойных структур на основе Cu:Hl,iNbOj слоев данных кристаллов. С помощью названного метода определена сила осциллятора для компоненты с частотой 3506 см"! полосы валентных ОН-колебаниЙ.
-
Обнаружен эффект аномального уменьшения отражательной способности ПЗ слоя НЛ в области валентных ОН-колебаний. Установлено, что данный эффект обусловлен прямым взаимодействием ИК-излучения с обобщёнными поляритон-ными возбуждениями в области аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости ПЗ слоя НЛ.
-
Разработана теоретическая модель вышеназванного эффекта, которая позволяет оценивать параметры профиля концентрации протонов в приповерхностной области кристаллов НЛ из спектров ИК-отражения в области ОН-колебаний.
-
Установлено, что низкотемпературное (249С) легирование медью приповерхностного слоя кристаллов НЛ требует предварительного образования твердого раствора Lii.»HxNoOj за счет протонного легирования. Обработка легированного медью ПЗ слоя НЛ в расплав; нитрата лития при 290"С позволяет плавно уменьшать соотношение [Си*]/[Си2*] в слое, а обработка в расплаве бензойной кислоты (БК) при 249С наоборот увеличивать данное соотношение в пределах 0.05 - 0.9 в зависимости от времени обработки. ' . ;.
Практическая ценность: 1. Предложен эффективный метод исследования протонзамещенных слоев кристаллов НЛ. позволяющий определить толщину слоя и оценить концентрацию прогонов в слое из спектров ПК-отражения в области частот валентных ОН-колебшшй.
-
Получены экспериментальные данные о наличии непреднамеренно обогащенного прогонами нарушенного слоя у полированных монокристаллических пластин НЛ, используемых на практике. Наличие такого слоя должно учитываться при оценках концентрации протонов в образцах НЛ, при расчетах силы осциллятора ОН-колебаниЙ и оценках отношения {Li]/[Nb] в данных кристаллах по форме контура ОН-полосы поглощения. '
-
Предложен метод уменьшения концентрации протонов в приповерхностном слое полированных пластин НЛ с 10м см"3 до 101' см"3 путем их обработки в расплаве нитрата лития при 290вС в течение 1-2 часов.
-
Показана возможность получения многослойных Cu:H:LiNbC>3 структур в НЛ со сложным профилем концентрации примесей меди и водорода. Обнаружено, что соотношение {Си*]/[Сиг+] в структурах данного типа плавно меняется со временем их обработки в расплаве нитрата лития в сторону уменьшения, а в расплаве бензойной кислоты - в сторону увеличения.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Республиканской школе-семинаре "Спектроскопия молекул и кристаллов" (Тер-нополь,І989 Г.), Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Дрез-ден.1989 г.), Всесоюзном семинаре "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" (Новрсибирск,1990 г.), Международной школе по физике сегнетозлектриков (Тверь, 1992 г.Х Европейской конференции поматериалам и технологиям "Восток-Запад" (Санкт-Петербург, 1993 г.), Европейской конферен-ции аспирантов физиков (Монпелье, 1994 г.) '.,'': Публикации.' ,
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, список которых представлен в конце автореферата. '....-
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы из 87 наименований. Работа содержит 132 страницы машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 4 таблицы.
