РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТІВ
В даному розділі описані технології вирощування досліджуваних кристалів ІАП та НЛ, методики підготовки зразків для досліджень, а також методики самих експериментальних досліджень властивостей даних кристалів.
2.1. Вирощування монокристалів YАlO3
Монокристали YАlO3-Nd та YAlO3-Tm були вирощені в НВП "Карат" (м. Львів) методом Чохральського на установці GALAXIE (Франція) з автоматичним контролем діаметра кристалу ваговим методом і радіочастотним індукційним нагрівом. Для вирощування кристалів використовувались іридієві тиглі. Кристали вирощувались в потоці аргону або азоту. Всі кристали вирощувались в напрямку [010] (напрямок b в установці Pbnm). Особливості технології вирощування кристалів ІАП-Nd та ІАП-Tm представлені в [76, 77]. Основні параметри вирощування кристалів приведені в таблиці 2.1.
Для підготовки шихти використовувались особливо чисті оксиди Y2O3 та Al2O3 із вмістом основної компоненти не менше 99.99 ваг.%. Вихідні оксиди попередньо відпалювались на повітрі при 1300 К в платинових тиглях, а потім змішувались в стехіометричному співвідношенні і пресувались в таблети. Твердофазний синтез пресованих таблет здійснювався на повітрі при температурі 1550-1600 К протягом 12 годин. Легуюча домішка неодиму у вигляді Nd2O3 вводилась безпосередньо в тигель перед розплавленням шихти в кількості 1 ваг.%, що відповідає ~1 ат.% Nd по відношенню до Y. Домішка тулію у вигляді TmAlO3 змішувалась з шихтою Y2O3+Al2O3 перед пресуванням у таблетки. Вміст TmAlO3 в шихті складав 7 ваг.%, що відповідає 4.7 ат.% Tm по відношенню до Y.
Кристали S1-S6 вирощувались послідовно - після кожного технологічного процесу в тигель додавалась шихта в такій кількості, щоб рівень розплаву в тиглі в кожному процесі був однаковим.
Постійний температурний градієнт в напрямку витягування кристалу та близька до плоскої границя розділу кристал-розплав в процесі вирощування забезпечувались за допомогою теплового вузла спеціальної конструкції. Детальний опис ростового блоку представлений в роботах [76, 77]. Конструкція камери дозволяла здійснювати післяростове охолодження кристалу з швидкістю 80-100 К/год при зменшенні електричної потужності нагрівача з швидкістю 4-5 % за годину.
Отримані монокристали ІАП-Nd та ІАП-Tm були структурно досконалими, без тріщин і помутнінь (див. рис. 2.1). Двійники спостерігались лише в кристалі С1, як наслідок випуклої в сторону розплаву границі розділу кристал-розплав, що мала місце в процесі вирощування даного кристалу. Зменшення випуклості границі розділу в наступних ростових процесах дозволило отримати бездвійникові кристали. Крім цього в кристалі С1 циліндрична поверхня мала хвилеподібний вигляд, що свідчить про коливання швидкості кристалізації в процесі вирощування.
Рис. 2.1. Свіжовирощений кристал ІАП-Nd (S5).
В роботі також досліджувались кристал ІАП-Tm (1.7 ат.%) (позначений WT)?, кристали ІАП-Nd (позначені YAP8 та YAP22)? та номінально чистий ІАП (YAP16)? вирощені в Боннському Університеті (Німеччина) методом Чохральського за технологією описаною в роботі [75], а також номінально чистий кристал ІАП (позначений F1) та кристали ІАП-Er (Y0.5Er0.5AlO3), ІАП-Но (0.1 ат.%), ІАП-Но (0.3 ат.%), ІАП-Но (5 ат.%), одержані в Інституті Технології Матеріалів Електроніки (м. Варшава, Польща), умови вирощування яких описані в [116].
Таблиця 2.1.
Основні ростові параметри досліджуваних кристалів ІАП, ІАП-Nd та ІАП-Tm.
КристалСклад
розплаву?
Атмосфера вирощув., тиск, атмШвидкість обертання, об/хвШвидкість витягування, мм/годЗакристалізована фракція ІАП-NdС1YAlO3+Nd2O3 (1 ваг.%)Ar, 1.0018-143.00.3S1??//??Ar, 1.0018-143.00.1S2Добавлено 380г шихти Ar, 1.0016-123.00.4S3Добавлено 1660г шихти Ar, 1.0018-143.00.3S4Добавлено 1290г шихти Ar, 1.0015-93.00.2S5Добавлено 955г шихти Ar, 1.0015-93.00.3S6Добавлено 1300г шихти N2, 1.0015-93.00.3YAP848/51/1Ar, 0.095123.00.1YAP2249.5/50/0.5Ar, 0.3412-303.00.6ІАПYAP1648/52/0Ar, 0.8212-303.00.4ІАП-TmST1YAlO3+ TmAlO3 (7 ваг.%)Ar, 1.0015-93.00.1ST2Добавлено 380г шихти Ar, 1.0015-93.00.3? для кристалів YAP8, YAP22 та YAP16 склад розплаву відповідає Al2O3/Y2O3/Nd 2O3.
Монокристали ІАП, леговані марганцем, а також кристали додатково леговані церієм та кальцієм були вирощені в Державному Університеті міста Норфолк (США) методом Чохральського з іридієвих тиглів в слабоокислювальній атмосфері (N2 + 0.2 % О2) [6]. Нами досліджувались наступні кристали, вирощені за цією технологією: ІАП-Mn (0.05 %); ІАП-Mn (0.5 %); ІАП-Mn (0.5 %), Се (0.5 %); ІАП-Mn (0.5 %), Са (0.5 %), Се (0.5 %); ІАП-Се (0.5 %). Концентрація домішкових іонів в даних кристалах відповідає ат.% (по відношенню до Y чи Al) в розплаві кристалів. За даними [6] концентрація іонів марганцю в кристалі є в 10-12 разів меншою в порівнянні з концентрацією в розплаві.
2.2. Вирощування монокристалів LiNbO3
Досліджувані монокристали номінально чистого НЛ та НЛ-МgО (5 мол.%) вирощувались в НВП "Карат" методом Чохральського з конгруентного розплаву на установці GALAXIE (Франція) з автоматичним контролем діаметра кристалу ваговим методом і радіочастотним індукційним нагрівом. Для вирощування кристалів НЛ використовувались платинові тиглі. Монокристали НЛ вирощувались в напрямку оптичної осі. Детальний опис технології вирощування та монодоменізації кристалів НЛ представлений в роботах [77, 117]. Дана технологія дозволяє одержувати монокристали НЛ великого розміру, високої структурної та оптичної якості, з високим ступенем однорідності, що задовольняє вимоги для застосування монокристалів в поляризаційній, нелінійній оптиці та електрооптиці. Вміст неконтрольованих домішок в кристалах НЛ становив <10-4 ваг.%.
В роботі також досліджувались монокристали НЛ, леговані рідкісноземельними та перехідними елементами в різних концентраціях, та додатково леговані МgО. Дані кристали були вирощені з конгруентного розплаву в Інституті Технології М