Preparation and Characterization of Lithium Niobate Single Crystals Doped with 4.02–5.38 mol % Zn

I. V. Biryukova; Бирюкова И. В.; S. M. Masloboeva; Маслобоева С. М.; I. N. Efremov; Ефремов И. Н.; N. A. Teplyakova; Теплякова Н. А.; M. N. Palatnikov; Палатников М. Н.

doi:10.31857/S0002337X23020045

Preparation and Characterization of Lithium Niobate Single Crystals Doped with 4.02–5.38 mol % Zn

Authors: Biryukova I.V.¹, Masloboeva S.M.¹, Efremov I.N.¹, Teplyakova N.A.¹, Palatnikov M.N.¹
Affiliations:
1. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials (separate subdivision), Kola Scientific Center (Federal Research Center), Russian Academy of Sciences, 184209, Apatity, Murmansk oblast, Russia
Issue: Vol 59, No 2 (2023)
Pages: 169-175
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140127
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23020045
EDN: https://elibrary.ru/YCWBIV
ID: 140127

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Using homogeneous doping, a Nb2O5:4.5 mol % Zn precursor, and lithium carbonate, we have synthesized a single-phase LiNbO3:4.1 mol % Zn growth charge, which was then used to grow lithium niobate crystals by the Czochralski technique. High-speed optical quality evaluation results for the crystals and their calculated piezoelectric modulus d333 demonstrate that they have high optical quality. Photoinduced light scattering and laser conoscopy characterization results for homogeneously and directly doped crystals containing 4.02–5.38 mol % Zn confirm their high optical homogeneity and laser damage resistance. The crystals have absolutely no photorefractive response. Our results can be used in the growth of large LiNbO3:Zn crystals with a small coercive field, which are of interest for making laser light converters based on periodically poled structures.

Keywords

lithium niobate single crystals, doping, microdefects, static piezoelectric modulus, photoinduced light scattering, laser conoscopy

References

Волк Т.Р., Рубинина Н.М. Нефоторефрактивные примеси в ниобате лития: магний и цинк // ФТТ. 1991. Т. 33. № 4. С. 1192–1201.
Schlarb U., Woehlecke M., Gather B., Reichert A., Betzler K., Volk T., Rubinina N. Refractive Indices of Zn-Doped Lithium Niobate // Opt. Mater. 1995. V. 4. P. 791–795. https://doi.org/10.1016/0925-3467(95)00018-6
Черная Т.С., Волк Т.Р., Верин И.А., Симонов В.И. Пороговые концентрации в допированных цинком кристаллах ниобата лития и их структурная обусловленность // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 4. С. 612–617.
Zhang Y., Xu Y.H., Li M.H., Zhao Y.Q. Growth and Properties of Zn Doped Lithium Niobate Crystal // J. Cryst. Growth. 2001. V. 233. P. 537–540. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)01614-1
Abdi F., Aillerie M., Fontana M., Bourson P., Volk T., Maximov B., Sulyanov S., Rubinina N., Wöhlecke M. Influence of Zn Doping on Electrooptical Properties and Structure Parameters of Lithium Niobate Crastals // Appl. Phys. B. 1999. V. 68. P. 795–799. https://doi.org/10.1007/s003400050706
Zhao L., Wang X., Wang B., Wen W., Zhang T.Y. ZnO-Doped LiNbO3 Single Crystals Studied by X-ray and Density Measurements // Appl. Phys. B. 2004. V. 78. № 6. P. 769–774. https://doi.org/10.1007/s00340-004-1503-9
Aillerie M., Bourson P., Mostefa M., Abdi F., Fontana M.D. Photorefractive Damage in Congruent LiNbO3. Part I. Zinc Doped Lithium Niobate Crystals // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 416. P. 012001. http://iopscience.iop.org/1742-6596/416/1/012001.
Uda S., Tiller W.A. The Dissociation and Ionization of LiNbO3 Melts // J. Cryst. Growth. 1992. V. 121. № 1–2. P. 155–190. https://doi.org/10.1016/0022-0248(92)90185-L
Kimura H., Koizumi H., Uchidab T., Uda S. Influence of Impurity Doping on the Partitioning of Intrinsic Ionic Species During the Growth of LiNbO3 Crystal from the Melt // J. Cryst. Growth. 2009. V. 311. P. 1553–1558. https://doi.org/10.1016/J.JCRYSGRO.2008.09.178
Palatnikov M.N., Biryukova I.V., Masloboeva S.M., Makarova O.V., Kravchenko O.E., Yanichev A.A., Sidorov N.V. Structure and Optical Homogeneity of LiNbO3〈Mg〉 Crystals Grown from Different Charges // Inorg. Mater. 2013. V. 49. № 7. P. 715–720. https://doi.org/10.1134/S0020168513060083
Palatnikov M.N., Biryukova I.V., Makarova O.V., Sidorov N.V., Efremov V.V., Efremov I.N., Teplyakova N.A., Manukovskaya D.V. Research of Concentration Conditions for Growth of Strongly Doped LiNbO3: Zn Single Crystals // Advanced Materials: Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. N.Y. Springer Nature, 2016. P. 87–99. https://doi.org/10.1007/978-3-319-26324-3_7
Палатников М.Н., Сидоров Н.В., Макарова О.В., Бирюкова И.В. Фундаментальные аспекты технологии сильно легированных кристаллов ниобата лития. Апатиты: КНЦ РАН, 2017. 241 с.
Palatnikov M.N., Biryukova I.V., Masloboeva S.M., Makarova O.V., Manukovsraya D.V., Sidorov N.V. The Search of Homogeneity of LiNbO3 Crystals Grown of Charge with Different Genesis // J. Cryst. Growth. 2014. V. 386. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.09.038
Маслобоева С.М., Калинников В.Т., Залкинд О.А., Кадырова Г.И., Кузнецов В.Я. Получение пентаоксида ниобия с примесью ионов Zn2+ для выращивания монокристаллов ниобата лития // Цв. металлы. 2012. № 5. С. 89–92.
Маслобоева С.М., Ефремов И.Н., Бирюкова И.В., Палатников М.Н. Получение и исследование монокристаллов ниобата лития, легированных бором // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 11. С. 1208–1214. https://doi.org/10.31857/S0002337X2011007X
Максименко В.А., Сюй А.В., Карпец Ю.М. Фотоиндуцированные процессы в кристаллах ниобата лития. М.: Физматлит, 2008. 96 с.
Сюй А.В., Сидоров Н.В., Антонычева Е.А. Фоторефрактивные свойства и особенности строения нелинейно-оптического кристалла ниобата лития. Хабаровск: ДВГУПС, 2011. 108 с.
Pikoul O.Y. Determination of Optical Sign of a Crystal by Conoscopie Method // J. Appl. Crystallogr. 2010. V. 43. P. 949–954. https://doi.org/10.1107/S0021889810025161
Пикуль О.Ю., Алексеева Л.В., Повх И.В., Строганов В.И., Рудой К.А., Толстов Е.В., Криштоп В.В. Особенности оптической системы для создания коноскопических фигур больших размеров // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. № 12. С. 53–55.
Hsu R., Maslen E.N., Boulay D., Ishizawa N. Synchrotron X-ray Studies of LiNbO3 and LiTaO3 // Acta Crystallogr., Sect. B. 1997. V. 53. P. 420–428. https://doi.org/10.1107/S010876819600777X
Блистанов А.А., Бондаренко В.С., Переломова Н.В., Стрижевская Ф.Н., Чкалова В.В., Шаскольская М.П. Акустические кристаллы. Справочник / Под ред. Шаскольской М.П. М.: Наука, 1982. 632 с.