ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Монодомедизация кристаллов ниобата бария натрия из "Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением " Впервые монокристаллы НБН были получены Ван Уитерюм с сотрудниками [1, 2, 60]. В настоящее время выращиванпем НБН занимаются ведущие фирмы США, Англии, Японии. В Советском Союзе также успешно решена задача получения этих кристаллов [41—43] (гл. 4, [57]). [c.205] Ниобат бария-натрия имеет температуру плавления 1438°С [26], поэтому в качестве контейнеров для расплава могут быть использованы только платиновые тигли Иридиевые и платино-родиевые тигли не применяются, так как установлено внедрение материала тигля в растущий кристалл, который при этом приобретает светло-коричневую окраску [36, 61]. Кристаллы НБН выращиваются в окислительной (воздух, кислород) или нейтральной (аргон, азот) асмосфере. В последнем случае выращенные кристаллы должны быть отожжены в атмосфере кислорода. [c.205] Для еще большего подавления конвекции тигель заполнялся расплавом лишь наполовину и сверху закрывался платиновои крышкой е отверстием. Затравочный кристалл крепился к сапфировому стержню и вытягивался со скоростью 6,6 мм/ч при вращении 38 об/мин. Сразу после отрыва от расплава кристалл выводился из печи со скоростью 28,5 мм/мин. Используя такую технологию выращивания, авторам работы [61] удалось получить нерастрескивающиеся кристаллы диаметром менее 6 мм, кристаллы же большего диаметра растрескивались. Ограниченность размера диаметра является недостатком описываемого метода, так как кристаллы такого размера могут найти лишь ограниченное применение. Кроме того, использование печи сопротивления создает трудности для наблюдения за ростом кристалла регулировка температуры в процессе выращивания также осложнена вследствие большой тепловой инерционности системы. Далее, низкий градиент температуры на поверхности кристалл-расплав затрудняет отвод теплоты кристаллизации во время роста. Для НБН это тем более важно, потому что кристаллы со структурой вольфрамовой бронзы имеют низкую теплопроводность [64]. Создание оптимального градиента в печи сопротивления представляет значительную трудность, тогда как при использовании высокочастотного нагрева градиенты температуры можно варьировать в широких пределах. [c.207] При выращивании НБН по методу Чохральского необходимо постоянно контролировать мощность, подводимую к тиглю, так как кристалл имеет тенденцию расти очень неустойчиво, что проявляется в самопроизвольном резком увеличении или уменьшении его диаметра и даже отрыве от расплава. В особенности это имеет место при малых температурных градиентах на поверхности раздела фаз. Причина явления заключается в выделении скрытой теплоты кристаллизации, которая вследствие низкой теплопроводности кристаллов не успевает отводиться от фронта кристаллизации. [c.208] Стабилизации условий роста, что особенно важно при разращивании кристалла до нужного диаметра, способствует охлаждение газом дна тигля, которое изменяет распределение температур в расплаве [54]. Основной эффект, возникающий на межфазной границе в результате охлаждения дна, заключается в изменении формы фронта кристаллизации с образованием поверхности раздела, обращенной выпуклой стороной к расплаву. Кроме того, при охлаждении дна тигля стабилизируется движение расплава, и конвекция становится более регулярной. Однако эффекты охлаждения основания тигля незначительны по величине, и его целесообразно применять лишь в специфических случаях в условиях малых температурных градиентов и почти плоских поверхностей раздела. [c.208] Для технологии НБН серьезную проблему представляет склонность этих кристаллов к растрескиванию. Как уже было сказано, основной причиной растрескивания является аномально большое изменение параметра решетки вдоль оси с в области сегнетоэлектрического перехода в интервале от 400 до 600 °С (рио. 5.4). Ясно, что наличие градиента температуры вдоль оси с при прохождении кристалла через этот участок провоцирует растрескивание. [c.208] Содержание BaNbaOe в центре и на периферии кристалла составляет, по данным авторов работы [32], 66 и 69 мол.% соответственно. На наш взгляд, такая разница в составах может быть обусловлена только различием тепловых условий кристаллизации центра и периферии кристалла, так как диффузией в твердой фазе при охлаждении можно пренебречь. Основной причиной такого явления может служить вогнутая форма фронта кристаллизации вследствие неправильно подобранных градиентов температуры. Выращивание кристаллов большого диаметра также может сопровождаться перегревом расплава в центре вследствие малой теплопроводности кристалла и плохого отвода теплоты кристаллизации от границы раздела фаз. Избавляться от изменения состава по диаметру кристалла и вызываемой этим дополнительной тенденции к растрескиванию можно поддержанием в процессе роста плоского фронта кристаллизации. [c.209] К растрескиванию кристаллов НБН перпендикулярно оси роста (для с-осных кристаллов) может приводить, как было установлено в работе [32], наличие ростовых полос, возникающих при больших флуктуациях скорости роста. [c.209] Боллмен и др. [24] указывают еще на одну причину растрескивания кристаллов НБН. Вследствие возникающих при росте высокотемпературных деформаций в кристалле могут создаваться малоугловые границы и механические двойники, способствующие процессу растрескивания. [c.209] Рассмотрим более подробно двойникование в кристаллах НБН, поскольку без его устранения практическое применение этих кристаллов весьма ограничено. Как уже говорилось (см. 1), микродвойникование происходит при охлаждении во время фазового перехода из тетрагональной (4тт) в орторомбическую (тт2) модификацию при температуре 260 °С. Процесс двойникования действует в этом случае как механизм, ослабляющий внутренние напряжения в кристалле, вызванные этим переходом. Размер элементарной ячейки вдоль оси с при переходе остается почти постоянным, по еслп параметры а и Ь тетрагональной ячейки одинаковы, то в орторомбической они несколько различаются. Вследствие этого переход с простым изменением ориентации кристаллографических осей повлек бы за собой большие внутренние напряжения. Эти напряжения снимаются двойникованием кристалла. [c.213] Так как двойники зарождаются под влиянием внутренних напряжений, то их распределение в бездефектном материале должно быть однородным. Наличие же структурных нарушений создает дополнительные локальные напряжения и вызывает, таким образом, различную плотность двойниковых блоков. К числу таких нарушений относятся ячеистая структура, полосы роста, скопления точечных дефектов и дефекты, распространяющиеся в глубь кристалла от затравки [23, 531. [c.213] Кроме механического раздвойникования, от двойников в ниобате бария-натрия можно освободиться путем создания таких условий, цри которых тетрагональная фаза остается устойчивой при комнатной температуре. Это может быть достигнуто путем изменения состава кристаллов и замещения в них части катионов Ba или Na другими ионами. Как уже упоминалось выше, температура фазового перехода из тетрагональной структуры в орто-ромбическую зависит от отношения Nb/Ba, и при комнатной температуре тетрагональная фаза может существовать при Nb/Ba 2,8 (гл. 4, [78]). Авторы работы [22] сообщают, что кристаллы НБН, свободные от двойников при комнатной температуре, могут быть получены при избытке NbzOj в 10 вес.%. Однако кристаллы таких составов сильно напряжены и легко растрескиваются как во время роста, так и во время охлаждения. Кроме того, они обладают светорассеянием и имеют температуру фазового согласования для генерации второй гармоники ниже комнатной температуры, что весьма нежелательно с точки зрения практического применения кристаллов [21]. [c.216] Рио 5 26 Вид кристалла НБН, предназначенного для раздвойникования Плоскости двойни-кования указаны тонкими линиями. [c.217] Вернуться к основной статье