铌酸锂晶体缺陷结构和性质的理论研究
发布时间：2021-10-31 12:14
铌酸锂（LiNbO3）晶体是一种集电光、声光、光折变和激光活性等多功能效应于一体的光学晶体材料,在光放大、光调制、光信息存储等诸多领域都得到了广泛应用。LiNbO3晶体优异的功能性很大程度上与晶体结构密切相关,LiNbO3晶体具有非中心对称结构且具有自发极化,使其表现出非线性光学特性以及铁电性;其晶体中含有大量的本征缺陷,能够作为光吸收中心使LiNb03晶体具有本征的光折变性质;LiNbO3晶体特殊的晶体结构使其能够容纳大多数种类的离子掺杂进入晶格,以调控其多种物理化学性能。然而,由于LiNb03晶体中Li和Nb位点具有类似的晶格环境,实验表征其缺陷结构,以及探究其光学性质等的来源存在一定困难,加之LiNbO3晶体的缺陷结构复杂,也为实验上表征和理解其微观结构与物理化学性能之间的关系带来一定的阻碍,导致目前对LiNb03晶体微观结构和性质尚未被充分认识。鉴于实验测试和表征的局限性,采用理论研究手段构建铌酸锂晶体微观缺陷结构和宏观功能特性之间的内在关联,是一种行之有效的方法。本论文以微观缺陷为基本出发点,研究了 LiNbO3晶体内部的本征点缺陷和畴壁缺陷,以及外在的光折变和抗光折变离子掺...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＬｉＮｂ０３晶体结构示意图，（ａ）顺电相，（ｂ）铁电相??
因此给实验上精确探测缺陷团簇结构形式带来挑战。??１．２．２畴壁缺陷??室温下ＬｉＮｂ０３晶体由于存在自发极化，造成体系因静电能增加而不稳??定。因此晶体内往往存在许多自发极化沿着同一方向的小区域，该小区域被??定义为晶畴（ｄｏｍａｉｎ）。两个相邻晶畴之间的自发极化方向不同，它们的分??界线则被定义为畴壁（ｄｏｍａｉｎ?ｗａｌｌ）?［３６，３７］。对于ＬｉＮｂ０３铁电晶体，Ｌｉ和??Ｎｂ的位移只有＋ｃ和－ｃ两个方向，因此晶体内仅有１８０°畴壁，即畴壁两侧自??发极化方向平行排列。如图１．２所示。当两个极化方向都指向界面时形成的??界面畴壁属于头碰头（ＨＨ）型畴壁，而两个极化方向都背向界面时形成的??属于尾对尾（ＴＴ）型畴壁［３８－４０］。从微观原子尺度来看，理想的畴壁结构是??由单原子层组成的，该原子层两侧晶畴的极化方向不同。但是实际情况下，??铁电畴壁的结构由于空间对称性的破坏，往往伴随着几个晶格的局部结构发??生畸变，是典型的二维界面缺陷结构。此外，畴壁界面因自发极化的方向中??断会产生不同于体介质的极化分量，从而引起畴壁区域的应力、光学和电学??性质等宏观性能发生变化［４１－４７］。??ＪＪＪ．?ｔｉｔ??ｔｉｔ?ｆｎ??图１．２ＬｉＮｂ０３中畴壁结构示意图：（ａ）ＨＨ畴壁，（ｂ）ＴＴ畴壁??近年来，由于畴壁为实现纳米尺度的功能性器件提供了可能性，铁电畴??壁的电学性质己经引起越来越多研宄工作者的兴趣。实验上发现，当载流子??浓度足够高时，周期性极化的ＬｉＮｂ０３和单晶ＬｉＮｂ０３晶体中的铁电畴壁会??５??
?山东大学博士学位论文???于光辐照引起折射率改变的可逆现象称之为“光折变效应”。后来Ｃｈｅｎ等??人［６９，７０］将这种性质用于全息光学记录，从此光折变效应的研究工作迅速地??在世界范围内开展起来。如图１．３所示，ＬｉＮｂ０３晶体光折变效应的基本过程??如下：晶体中存在的某些外在杂质或缺陷可以充当电荷的施主或受主，当晶??体在调制光的辐照下，杂质或缺陷上的电荷受光激发而进入导带或价带，在??导带或价带中的电子或空穴由于浓度梯度而扩散，或由于外加电场而漂移，??或由于光生伏特效应而运动。这些运动着的载流子最终被受主俘获，从而使??这些杂质或缺陷上的电荷分布有了变化，形成了与光强调制变化相对应的空??间电荷分布，进而通过线性电光效应引起晶体折射率的变化。??／ｗ卜十、’＿?Ｖ’＿＿＿光强分布??导带?一一－＾?？尤自由载流子密度??ＡＡＡ／ＶＩ?＼Ａ??一?务主—?施主?间电荷分布??■??？＊?夸?寺?受主?＊八??Ｆｘ（ｘ）?一一？文空间电荷场??ｒ／７７／／／／ｍ／７ｚ／／／ｒ／／／／７／／／／７／／／，价带??Ｍｘ）?￣？尤折射率变化??图１．３?ＬｉＮｂ〇３晶体中光折变效应的物理过程??由上述光折变的微观机理可知，提高ＬｉＮｂ０３晶体光折变效应的关键是??要在晶体中增加合适的光折变中心作为电荷的施主或受主。由于ＬｉＮｂＣｂ晶??体所表现出的光折变能力比较弱，在信息的全息存储过程中并不能发挥出良??好的存储特性，于是，为了使其表现出更强的光折变能力，改善其全息存储??的各项性能，可通过将一些光折变敏感的杂质离子掺入铌酸锂晶体来实现，??如Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｅ、
本文编号：3468116
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＬｉＮｂ０３晶体结构示意图，（ａ）顺电相，（ｂ）铁电相??
因此给实验上精确探测缺陷团簇结构形式带来挑战。??１．２．２畴壁缺陷??室温下ＬｉＮｂ０３晶体由于存在自发极化，造成体系因静电能增加而不稳??定。因此晶体内往往存在许多自发极化沿着同一方向的小区域，该小区域被??定义为晶畴（ｄｏｍａｉｎ）。两个相邻晶畴之间的自发极化方向不同，它们的分??界线则被定义为畴壁（ｄｏｍａｉｎ?ｗａｌｌ）?［３６，３７］。对于ＬｉＮｂ０３铁电晶体，Ｌｉ和??Ｎｂ的位移只有＋ｃ和－ｃ两个方向，因此晶体内仅有１８０°畴壁，即畴壁两侧自??发极化方向平行排列。如图１．２所示。当两个极化方向都指向界面时形成的??界面畴壁属于头碰头（ＨＨ）型畴壁，而两个极化方向都背向界面时形成的??属于尾对尾（ＴＴ）型畴壁［３８－４０］。从微观原子尺度来看，理想的畴壁结构是??由单原子层组成的，该原子层两侧晶畴的极化方向不同。但是实际情况下，??铁电畴壁的结构由于空间对称性的破坏，往往伴随着几个晶格的局部结构发??生畸变，是典型的二维界面缺陷结构。此外，畴壁界面因自发极化的方向中??断会产生不同于体介质的极化分量，从而引起畴壁区域的应力、光学和电学??性质等宏观性能发生变化［４１－４７］。??ＪＪＪ．?ｔｉｔ??ｔｉｔ?ｆｎ??图１．２ＬｉＮｂ０３中畴壁结构示意图：（ａ）ＨＨ畴壁，（ｂ）ＴＴ畴壁??近年来，由于畴壁为实现纳米尺度的功能性器件提供了可能性，铁电畴??壁的电学性质己经引起越来越多研宄工作者的兴趣。实验上发现，当载流子??浓度足够高时，周期性极化的ＬｉＮｂ０３和单晶ＬｉＮｂ０３晶体中的铁电畴壁会??５??
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