Raman Scattering in Non-Stoichiometric Lithium Niobate Crystals with a Low Photorefractive Effect

Abstract

Raman spectra of lithium niobate single crystals strongly doped by zinc and magnesium, it has been established, contain low-intense bands with frequencies 209, 230, 298, 694, and 880 cm −1 . Ab ignition calculations fail to attribute these bands to fundamental vibrations of A 2 symmetry type unambiguously. Such vibrations are prohibited by the selection rules in the space group C 3V 6 (R3c).Ab initio calculations also proved that low-intense "extra" bands with frequencies 104 and 119 cm −1 definitely do not correspond to vibrations of A 2 symmetry type. We have paid special attention to these extra bands that appear in LiNbO 3 single crystals Raman spectra despite the fact that they are prohibited by the selection rules. In order to do so, we have studied a number of lithium niobate single crystals, both nominally pure and doped, by Raman spectroscopy. We have assumed that some "extra" bands correspond to two-particle states of acoustic phonons with a total wave vector equal to zero. We have also detected a Zn concentration area (0.05-0.94 mol.% ZnO in a crystal) where doped crystal structure is more ordered: The order of alternation of the main, doping cations, and vacancies along the polar axis is increased, and oxygen octahedra are less distorted.Crystals 2019, 9, 535 2 of 37 changes. Features of the LN crystal structure determine features of its vibrational spectrum and many other physical characteristics. LN single crystal is a material with a widely developed secondary structure. It is important to note that the fine features of its structure and, accordingly, the physical characteristics can be significantly changed by changing the composition (changing the Li/Nb ratio and doping), as well as by changing the structure and physicochemical properties of the melt [3][4][5][6]. Moreover, the oxygen-octahedral structure allows doping of the crystal with high (several wt.%) concentrations of metals, as well as double and triple doping with different elements with different charge states.When interpreting the experimental results, the crystal should be considered as a solid solution of Me:Nb:LiNbO 3 (Me is a doping metal). Many metals are capable of entering the octahedral voids of the structure; the solubility limits of the metals are rather large. The concentration of doping metals in the crystal LN structure can reach several wt. % and accordingly~9 mol.% [2][3][4][5][6]. At the same time, the octahedral coordination of cations by oxygen ions allows significant geometric distortions of octahedra LiO 6 , NbO 6 , MeO 6 , O 6 , ( is a vacant octahedron) without changing their symmetry. This fact, along with a large number of point defects in the cation sublattice, leads to structural and optical ununiformity of LN crystal and to formation of complex ionic complexes and microstructures (clusters) in the main (primary) crystal structure, i.e., to the formation of a widely developed secondary crystal structure [6,[10][11][12][13]. By primary (basic) crystal structure we mean a structure that can be experimentally de...

Аномалии В Стехиометрическом Кристалле Ниобата Лития В Диапазоне Температур 100-400 K

“…Образцы для исследований вырезались в виде прямоугольных параллелепипедов размерами ∼ 4 × 5 × 7 mm, ребра которых совпадали с направлением кристаллографических осей X, Y, Z. Грани параллелепипедов тщательно полировались. Подробно получение шихты и кристаллов, их подготовка для исследований, включая высокотемпературную монодоменизацию, описаны работах [7,14,[27][28][29]. Интегральные характеристики низкотемпературной термолюминесценции были исследованы в режиме линейного нагрева образцов в диапазоне 80−270 K без воздействия лазерного излучения с использованием оригинальной экспериментальной установки.…”

“…1 видно также, что в спектре кристалла LiNbO 3cong интенсивности линий, соответствующих колебаниям E(ТО)-типа симметрии, происходящих преимущественно перпендикулярно полярной оси [30,31], с изменением температуры практически не изменяются. Совсем иная ситуация наблюдается для кристалла LiNbO 3stoich , в котором практически отсутствуют дефекты NbLi, но при этом существует более развитая система неравновесных дефектов, чем в кристалле LiNbO 3cong [15,19,33] [7,14,[18][19][20]32,33]), параметры элементарной ячейки, координаты атомов и частоты линий в спектре КРС, соответствующих фундаментальным колебаниям решетки, в диапазоне температур 100-450 K не испытывают аномалий. Температурные зависимости ширин и частот всех линий в спектре КРС исследованных нами кристаллов LiNbO 3cong и LiNbO 3stoich , соответствующих фундаментальным колебаниям решетки, также не испытывают аномалий в температурном интервале 100−440 K [7].…”

“…В кристалле LiNbO 3 под действием лазерного излучения происходят различные фотоиндуцированные процессы, связанные с пространственным разделением зарядов и возникновением фотоэлектрических полей (фотовольтаического E PV и диффузионного E D ), которые приводят к образованию многочисленных лазерноиндуцированных дефектов, к существенной деструкции возбуждающего спектр КРС лазерного луча в кристалле [14,19,29,[35][36][37][38][39][40] четливо видна деструкция лазерного луча в кристалле LiNbO 3stoich . При этом не обнаружено изменение поляризации лазерного излучения, прошедшего через кристалл.…”

“…Выявление и установление механизмов образования аномалий в кристаллах LiNbO 3 разного состава в практически значимом диапазоне температур 200−400 K является актуальным для устранения причин нестабильности физических характеристик и отработки технологий высокосовершенных нелинейно-оптических материалов на основе монокристалла LiNbO 3 . Особый интерес представляют исследования аномалий в кристаллах стехиометрического состава (R = Li/Nb = 1), которые в виду гораздо более низкого значения напряженности коэрцитивного поля по сравнению с кристаллами других составов (∼ 3 kV/cm и ∼ 20−23 kV/cm) [14,15] в настоящее время наиболее перспективны для создания высокосовершенных материалов для преобразования лазерного излучения на периодически поляризованных доменах субмикронных размеров [16,17].…”

Raman Spectroscopy of Crystals

“…In yet other domains, the crystals are accompanied by fluids, whether gaseous or liquid, notably of organic origin in the domain of life sciences and yet other industries like medicine, agricultural or pharmaceutical.This review briefly summarises papers published recently in the Special Issue "Raman Spectroscopy of Crystals". It is hoped that this review will provide an up-to-date view of the field of Raman spectroscopy in crystallin matter and will be useful to those who evolve Raman technique in general or use it as a spectroscopic tool for scientific application.The effect of the compositional characteristics, charge technology, and crystals on the Raman spectrum of real LiNbO 3 crystals grown by Czochralski was reviewed by Sidorov et al [1]. Their review focuses on the interpretation of the processes of the Raman scattering in nominally pure and doped LN crystals with structural defects which were formed during growth of LN crystals of different chemical composition.…”