Features of the defect structure of LiNbO3:Cu crystals and their manifestation in the IR absorption spectrum in the region of stretching vibrations of hydrogen atoms OН- -group

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

LiNbO 3: Cu (0,005 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,015 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,022 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,042 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,46 wt.%) crystals were studied by IR absorption spectroscopy in the region of stretching vibrations of OH --groups. These crystals were grown by the Czochralski method using the technology of direct doping of a charge of congruent composition. It has been established that the recorded absorption bands in the infrared spectrum in the frequency range 3469-3490 cm-1 are associated with a deviation in the composition of the LiNbO 3: Cu crystal from the stoichiometric one. Such changes occur due to a deficiency of Li + cations in the crystal structure. The incorporation of Cu 2+ dopant leads to disordering of the cation sublattice and noticeable deformation of oxygen octahedra. This occurs due to an increase in the O-O bond lengths. In this case, a new absorption band with a frequency of 3487 cm-1, corresponding to the VLi-OH complex defect, is recorded in the IR spectrum. Calculation of the volume concentration of OH- - groups showed the highest value for crystals of LiNbO 3: Cu (0,005 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,015 wt.%), LiNbO 3: Cu (0,022 wt.%). These changes occur due to the simultaneous formation of two types of complex defects in the crystal structure: Cu +- OH - Cu 3- and VLi-OH . A change in the mechanism of entry of a doping impurity into the structure of a LiNbO 3: Cu crystal (0,042 wt.%) leads to a decrease in the concentration of OH -- groups.

About the authors

Nikolay V. Sidorov

Tananaev Institute of Chemistry - Subdivision of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Dr. Sc., Professor, Chief Researcher and as Head of Vibrational Spectroscopy Sector of the Electronic Engineering Materials Laboratory

Lyubov A. Bobreva

Tananaev Institute of Chemistry - Subdivision of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences; Murmansk Arctic University

Email: l.bobreva@ksc.ru
Ph. D., Researcher, Vibrational Spectroscopy Sector of the Electronic Engineering Materials Laboratory, Tananaev Institute of Chemistry - Subdivision of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences»; Assistant Professor, Department of Physics, Biology and Engineering Technologies, Murmansk Arctic University

Mikhail N. Palatnikov

Tananaev Institute of Chemistry - Subdivision of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Dr. Sc., Chief Researcher and as Head of the Electronic Engineering Materials Laboratory

Alexander Yu. Pyatyshev

P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Ph. D., Senior Researcher, Raman laboratories

Mikhail K. Tarabrin

Bauman Moscow State Technical University

Ph. D., Researcher

Andrey A. Bushunov

Bauman Moscow State Technical University

Researcher

References

  1. Kovács, L. New trends in lithium niobate: from bulk to nanocrystals / L. Kovács, G. Corradi // Crystals. - 2021. - V. 11. - I. 11. - Art. № 1356. - 4 p. doi: 10.3390/cryst11111356.
  2. Qi, Y.Integrated lithium niobate photonics / Y. Qi, Y. Li // Nanophotonics. -2020. - V. 9. - I. 6. - P. 1287-1320. doi: 10.1515/nanoph-2020-0013.
  3. Сидоров, Н.В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. - М.: Наука, 2003. - 255 с.
  4. Палатников, М.Н. Фундаментальные аспекты технологии сильно легированных кристаллов ниобата лития / М.Н. Палатников, Н.В. Сидоров, О.В. Макарова, И.В. Бирюкова. - Апатиты: КНЦ РАН, 2017. - 241 с.
  5. Lеngyel, K. Growth, defect structure, and THz application of stoichiometric lithium niobate / K. Lengyel, Á. Péter, L. Kovács et al. // Applied Physics Reviews. - 2015. - V. 2. - I. 4. - Р. 040601-1-040601-28. doi: 10.1063/1.4929917.
  6. Shur, V.Ya. Micro- and nano-domain engineering in lithium niobate / V.Ya. Shur, A.R. Akhmatkhanov, I.S. Baturin // Applied Physics Reviews. - 2015. - V. 2. - I. 4. - Р. 040604-1-040604-22. doi: 10.1063/1.4928591.
  7. Iyi, N.Comparative study of defect structures in lithium niobate with different compositions / N. Iyi, K. Kitamura, F. Izumi et al. // Journal of Solid State Chemistry. - 1992. - V. 101. - I. 2.- P. 340-352. doi: 10.1016/0022-4596(92)90189-3.
  8. Cabrera, J.M. Hydrogen in lithium niobate /j.M. Cabrera, J. Olivares, M. Carrascosa et al. // Advances in Physics. - 1996. - V. 45. - I. 5. - P. 349-392. doi: 10.1080/00018739600101517.
  9. Kovács, L. On the lattice site of trivalent dopants and the structure of Mg2+ -OH- -M3+ defects in LiNbO3:Mg crystals / L. Kovács, L. Rebouta, J. C. Soarest et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. - 1993. - V. 5. - I. 7. - P. 781-794. doi: 10.1088/0953-8984/5/7/006.
  10. Kaczmarek, S.M. Thermal and radiation stability of pure and doped with Cu, Fe and Cr ions lithium niobate single crystals for optical applications / S.M. Kaczmarek // Ferroelectrics. - 2001. - V. 256. - I. 1. - P. 175-188. doi: 10.1080/00150190108015982.
  11. Pracka, I. Growth and characterization of LiNbO3 single crystals doped with Cu and Fe ions / I. Pracka, A. L. Bajor, S. M. Kaczmarek et al.// Crystal Research and Technology: Journal of Experimental and Industrial Crystallography. - 2019. - V. 34. - I. 5-6. - P. 627-634. doi: 10.1002/(SICI)1521-4079(199906)34:5/6<627::AID-CRAT627>3.0.CO;2-0.
  12. Sugak, D. Optical investigation of the OH- groups in the LiNbO3 doped by copper / D. Sugak, U. Yakhnevych, I.I. Syvorotka et al. // Integrated Ferroelectrics. - 2019. - V. 196. - I. 1. - P. 32-38. doi: 10.1080/10584587.2019.1591981.
  13. Kruk, A.A. Raman spectra of copper-doped lithium niobate crystals as a function of excitation wavelength / A.A. Kruk, N.V. Sidorov, A.A. Yanichev et al.// Journal of Applied Spectroscopy. - 2014. - V. 81. - I. 1. - P. 1-6. doi: 10.1007/s10812-014-9878-9.
  14. Sidorov, N.V. Photorefractive properties of lithium niobate single crystals doped with copper / N.V. Sidorov, A.A. Yanichev, A.A. Gabain et al. // Journal of Applied Spectroscopy. - 2013. - V. 80. - I. 2. - P. 226-231. doi: 10.1007/s10812-013-9750-3.
  15. Abrahams, S.C. Ferroelectric lithium niobate. Single crystal X-ray diffraction study at 24 °C / S.C. Abrahams, J.M. Reddy, J.L. Bernstein // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1966. - V. 27. - I. 6-7. - P. 997- 1012. doi: 10.1016/0022-3697(66)90072-2.
  16. Li, C.-Y. Investigations on the spin-Hamiltonian parameters and local structure of the orthorhombic Cu2+ center in PbTiO3 crystal / C.-Y. Li, L-.B. Cheng, X.-M. Zheng // Acta Physica Polonica A. - 2015. - V. 127. - № 6. - P. 1671-1674. doi: 10.12693/APhysPolA.127.1671.
  17. Zhang, H.-M. Investigations on the EPR parameters and defect structures due to Jahn-Teller effect for the Cu2+ and Ni+ centers in LiNbO3 / H.-M. Zhang, W.-B. Xiao // Journal of Alloys and Compounds. - 2018. - V. 745. - P. 586-591. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.209.
  18. Теплякова, Н.А. Особенности дефектной структуры монокристалла LiNbO3:Cu (0,015 мас.%) / Н.А. Теплякова, Н.В. Сидоров, М.Н. Палатников // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 215-222. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.215.
  19. Klauer, S. Influence of the H-D isotopic substitution on the protonic conductivity in LiNbO3 crystal / S. Klauer, M. Wöhlecke, S. Kapphan // Physical Review B. - 1992. - V. 45. - I. 6. - P. 2786-2799. doi: 10.1103/physrevb.45.2786.
  20. Shannon, R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R.D. Shannon // Acta Crystallographica Section A. - 1976. - V. 32. - I. 5. - P. 751-767. doi: 10.1107/S0567739476001551.
  21. Kuang, M.-Q. Theoretical studies on the local structure and spin Hamiltonian parameters for the orthorhombic Cu2+ center in LiNbO3 / M.-Q. Kuang, S.-Y. Wu, H.-M. Zhang // Optik. - 2012. - V. 123. - I. 18. - P. 1601-1604. doi: 10.1016/j.ijleo.2011.08.032.
  22. Tsuboi, T. Site symmetries of Cu2+ ions in LiNbO3 crystals / T. Tsuboi, M. Grinberg, S.M. Kaczmarek // Journal of Alloys and Compounds. - 2002. - V. 341. - I. 1-2. - P. 333-337. doi: 10.1016/S0925-8388(02)00032-4.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».