mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202511.661mateltech-661Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSО некоторых особенностях свойств и микроструктуры кристаллов иодата литияOn some features of the properties and microstructure of lithium iodate crystalshttps://orcid.org/0000-0002-3096-2812ПетраковВ. С.PetrakovV. S.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Петраков Валерий Сергеевич — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков

4-1 Leninskiy Ave., Moscow 119049

Valery S. Petrakov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Department of Semiconductor and Dielectric Materials Science

petrakov.valery@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0986-4935БазалевскаяС. С.BazalevskayaS. S.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049;

ул. Буженинова, д. 16, стр. 1, Москва, 107023

Базалевская Светлана Сергеевна — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, межкафедральная учебно-испытательная лаборатория полупроводниковых материалов и диэлектриков «Монокристаллы и заготовки на их основе» (1); инженер-технолог (2)

 4-1 Leninskiy Ave., Moscow 119049;

16-1 Buzheninova Str., Moscow 107023

Svetlana S. Bazalevskaya — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher, Laboratory “Single Crystals and Stock on their Base” (1): Process Engineer (2)

svetoch88@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9514-1310ЧичковМ. В.ChichkovM. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Чичков Максим Владимирович — инженер научного проекта, лаборатория сверхпроводниковых квантовых технологий

4-1 Leninskiy Ave., Moscow 119049

Maxim V. Chichkov — Research Project Engineer, Laboratory of Superconducting Quantum Technologies

maxim.chichkov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1047-3007КиселевД. А.KiselevD. A.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Киселев Дмитрий Александрович — PhD, канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков, зав. лабораторией физики оксидных сегнетоэлектриков

4-1 Leninskiy Ave., Moscow 119049

Dmitry A. Kiselev — PhD, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Department of Semiconductor and Dielectric Materials Science, Head of the Laboratory of Physics of Oxide Ferroelectrics

dm.kiselev@gmail.comНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»; АО «Фомос-Материалы»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”; JSC Fomos-MaterialsRussian Federation202512012026284661Copyright © Петраков В.С., Базалевская С.С., Чичков М.В., Киселев Д.А., 20262026Петраков В.С., Базалевская С.С., Чичков М.В., Киселев Д.А.Petrakov V.S., Bazalevskaya S.S., Chichkov M.V., Kiselev D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/661

Проведено комплексное исследование монокристаллов иодата лития (α-LiIO3), выращенных из маточных растворов методом изотермического испарения. Основное внимание уделено изучению микроструктуры, оптических и механических свойств, а также их анизотропии. Методами селективного химического травления и сканирующей зондовой микроскопии выявлена значительная неоднородность микроструктуры. Показано, что боковой прирост кристалла характеризуется аномально высокой плотностью дефектов (105—107 см-2) и повышенной шероховатостью поверхности (25 нм по сравнению с 2 нм в центральной части), а также сложной зонарной и секториальной структурой. Проведены детальные измерения микротвердости по Кнупу и Виккерсу на различных кристаллографических плоскостях. Обнаружена анизотропия твердости II рода: максимальные значения зафиксированы на пирамидальных гранях {10Ī1} (278—283 кгс/мм²), минимальные — на призматических {10Ī0} (221—248 кгс/мм²). На плоскости Z-среза анизотропия I рода отсутствует. Показано, что микротвердость уменьшается по высоте кристалла, что связано с градиентом концентрации микропримесей, максимальным в начале роста (в районе затравки). На основе анализа микроструктуры и секториального строения предложен механизм хрупкого разрушения кристалла при механическом воздействии (ударе) по границам секторов, обусловленный неоднородностью и скоплением дислокаций. Полученные результаты важны для понимания связи между условиями роста, микроструктурой и механическими свойствами кристаллов LiIO3, что расширяет возможности их практического применения в нелинейно-оптических устройствах и позволяет оптимизировать методы обработки.

A comprehensive study of lithium iodate (α-LiIO₃) single crystals grown from mother solutions by the isothermal evaporation method has been conducted. The main focus was on the investigation of the microstructure, optical and mechanical properties, and their anisotropy. Significant microstructural heterogeneity was revealed using methods of selective chemical etching and scanning probe microscopy. It was shown that the lateral crystal growth is characterized by an anomalously high defect density (105–107 cm-2) and increased surface roughness (25 nm compared to 2 nm in the central part), as well as a complex zonal and sectorial structure. Detailed measurements of Knoop and Vickers microhardness on various crystallographic planes were performed. Anisotropy of the second kind was discovered: maximum values were recorded on pyramidal faces {10Ī1} (278–283 kgf/mm2), while minimum values were found on prismatic faces {10Ī0} (221–248 kgf/mm2). No anisotropy of the first kind was observed on the Z-cut plane. It was demonstrated that microhardness decreases along the crystal height, which is associated with a gradient of microimpurity concentration, maximum at the beginning of growth (near the seed). Based on the analysis of the microstructure and sectorial structure, a mechanism of brittle crystal fracture under mechanical impact (shock) along sector boundaries is proposed, caused by heterogeneity and dislocation pile-ups. The obtained results are important for understanding the relationship between growth conditions, microstructure, and mechanical properties of LiIO3 crystals, which expands the possibilities for their practical application in nonlinear optical devices and allows for the optimization of processing methods.

монокристалл иодата литияоптические свойствамеханические свойствамикроструктураlithium iodate single crystaloptical propertiesmechanical propertiesmicrostructureИсследования методами сканирующей зондовой микроскопии выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания (проект № FSME-2024-0001).The scanning probe microscopy studies were supported by the Russian Ministry of Science and Higher Education under a state assignment (Project No. FSME-2024-0001).ReferencesNikogosyan D.N. Nonlinear optical crystals: a complete survey. New York: Springer; 2005. 440 p. https://doi.org/10.1007/b138685Nikogosyan D.N. Nonlinear optical crystals: a complete survey. New York: Springer; 2005. 440 p. https://doi.org/10.1007/b138685Wang N., Gaubatz U. Optical frequency doubling of a single-mode dye laser in an external ring resonator. Applied Physics B. 1986; 40: 43—47. https://doi.org/10.1007/BF00697227Wang N., Gaubatz U. Optical frequency doubling of a single-mode dye laser in an external ring resonator. Applied Physics B. 1986; 40: 43—47. https://doi.org/10.1007/BF00697227Nash F.R., Bergman J.G., Boyd G.D., Turner E.H. Optical nonlinearities in LiIO3. Journal of Applied Physics. 1969; 40(13): 5201. https://doi.org/10.1063/1.1657376Nash F.R., Bergman J.G., Boyd G.D., Turner E.H. Optical nonlinearities in LiIO3. Journal of Applied Physics. 1969; 40(13): 5201. https://doi.org/10.1063/1.1657376Deserno U., Nath G. A new stable high power giant-pulse laser at 0.53 μ using LiIO3. Physics Letters A. 1969; 30(8): 483—484. https://doi.org/10.1016/0375-9601(69)90258-8Deserno U., Nath G. A new stable high power giant-pulse laser at 0.53 μ using LiIO3. Physics Letters A. 1969; 30(8): 483—484. https://doi.org/10.1016/0375-9601(69)90258-8Лазарев В.Б., Шмидт Н.Е., Кидяров Б.И., Галушина Л.Н. Теплоемкость и теплота фазового превращения иодата лития. Журнал физической химии. 1986; 60(1): 34—38.Lazarev V.B., Schmidt N.E., Kidyarov B.I., Galushina L.N. Heat Capacity and heat of phase transformation of lithium iodate. Russian Journal of Physical Chemistry. 1986; 60(1): 34—38. (In Russ.)Warner A.W., Pinnow D.A., Bergman J.G., Crane G.R. Piezoelectric and photoelastic properties of lithium iodate. Journal of the Acoustical Society of America. 1970; 47(3B): 791—794. https://doi.org/10.1121/1.1911961Warner A.W., Pinnow D.A., Bergman J.G., Crane G.R. Piezoelectric and photoelastic properties of lithium iodate. Journal of the Acoustical Society of America. 1970; 47(3B): 791—794. https://doi.org/10.1121/1.1911961Yao G., An X., Chen Y., Fu Y., Jiang Zh., Liu Y. First-principles study of the structural, electronic and optical properties of tetragonal LiIO3. Computational Materials Science. 2014; 84: 350—354. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.12.025Yao G., An X., Chen Y., Fu Y., Jiang Zh., Liu Y. First-principles study of the structural, electronic and optical properties of tetragonal LiIO3. Computational Materials Science. 2014; 84: 350—354. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.12.025 8. Hermet P. First-principles based analysis of the piezoelectric response in a-LiIO3. Computational Materials Science. 2017; 138: 199—203 https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.06.033Hermet P. First-principles based analysis of the piezoelectric response ina-LiIO3. Computational Materials Science. 2017; 138: 199—203. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.06.033Van Troeye B., Gillet Y., Poncé S., Gonze X. First-principles characterization of the electronic and optical properties of hexagonal LiIO3. Optical Materials. 2014; 36(9): 1494—1501. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.04.009Van Troeye B., Gillet Y., Poncé S., Gonze X. First-principles characterization of the electronic and optical properties of hexagonal LiIO3. Optical Materials. 2014; 36(9): 1494—1501. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.04.009Atroshchenko L.V. Anisotropy of the microhardness of LiIO3 crystals. In: Physics and chemistry of solids. Scient. works of the All-Russian Research Institute of single crystals. Khar'kov; 1980. P. 143—146. (In Russ.)Атрощенко Л.В. Анизотропия микротвердости кристаллов LiIO3. В: Физика и химия твердого тела. Науч. тр. ВНИИ монокристаллов. Харьков; 1980. С. 143—146.Petrzhik E.A., Stepanyuk O., Gzhytskyi S., Portnov O.G., Antipov V.V. Effect of constant magnetic field on the microhardness of LiIO3 single crystals. Physics of the Solid State. 2013; 55(7): 1442—1445. https://doi.org/10.1134/S1063783413070226Petrzhik E.A., Stepanyuk O., Gzhytskyi S., Portnov O.G., Antipov V.V. Effect of constant magnetic field on the microhardness of LiIO3 single crystals. Physics of the Solid State. 2013; 55(7): 1442—1445. https://doi.org/10.1134/S1063783413070226Chen C., Ma W.Y., Liu D.D., Xie A.Y. The influence of pH on the habit and the rate of a-LiIO3. Journal of Crystal Growth. 1987; 84(2): 303—308. https://doi.org/10.1016/0022-0248(87)90145-XChen C., Ma W.Y., Liu D.D., Xie A.Y. The influence of pH on the habit and the rate of a-LiO3. Journal of Crystal Growth. 1987; 84(2): 303—308. https://doi.org/10.1016/0022-0248(87)90145-XAvdienko K.I., Kidyarov B.I., Sheloput D.V. Growth of a-LiIO3 crystals of high piezoelectric and optical quality. Journal of Crystal Growth. 1977; 42: 228—233.Avdienko K.I., Kidyarov B.I., Sheloput D.V. Growth of a-LiIO3 crystals of high piezoelectric and optical quality. Journal of Crystal Growth. 1977; 42: 228—233.Mai Z.H., Guo H.X., Chen W.C., Luo G.M., Wu Y.R., Zhai G.J., Wang C.Y., Zhu Y. Physical and chemical properties of α-LiIO3 single crystal grown in space. Solid State Communications. 1997; 101(6): 443—447. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(96)00575-3Mai Z.H., Guo H.X., Chen W.C., Luo G.M., Wu Y.R., Zhai G.J., Wang C.Y., Zhu Y. Physical and chemical properties of α-LiIO3 single crystal grown in space. Solid State Communications. 1997; 101(6): 443—447. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(96)00575-3Mai Z.H., Chen W.C., Guo H.X., Ma W.Y., Zhai G.J., Wu L.S. Study of α-LiIO3 single crystals grown in space. Journal of Crystal Growth. 1997; 171(3-4): 512—515. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)00712-9Mai Z.H., Chen W.C., Guo H.X., Ma W.Y., Zhai G.J., Wu L.S. Study of α-LiIO3 single crystals grown in space. Journal of Crystal Growth. 1997; 171(3–4): 512—515. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)00712-9Portnov O.G., Rozin K.M., Vasil'eva LV. Fine crystallization purification of mother liquors for the growth of α-LiIO3 single crystals. Inorganic Materials. 2008; 44(4): 426–428.Портнов О.Г., Розин К.М., Васильева Л.В. Предростовая глубокая кристаллизационная очистка маточного раствора для выращивания монокристаллов α-LiIO3. Неорганические материалы. 2008; 44(4): 494—496.Lemmlein G.G. Morphology and genesis of crystals. Мoscow: Nauka; 1973. 327 p. (In Russ.)Леммлейн Г.Г. Морфология и генезис кристаллов. М.: Наука: 1973. 327 с.Portnov O.G., Kharlamov D.G. Analysis of the formation features of lithium iodate single crystal when growing it on a flat seed. Materialy ehlektronnoi tekhniki. 2011; (4): 7—12. (In Russ.)Портнов О.Г., Харламов Д.Г. Анализ особенностей формирования монокристалла иодатат лития при выращивании его на плоской затравке. Материалы электронной техники. 2011; (4): 7—12.Avdienko K.I., Bogdanov S.V. Lithium iodate: Crystal growth, properties, and applications. Novosibirsk: Nauka; 1980. 144 p. (In Russ.)Авдиенко К.И., Богданов С.В. Иодат лития: Выращивание кристаллов, их свойства и применение. Новосибирск: Наука; 1980. 144 с.Patent RU 1503346 А1. Blistanov A.A., Geras'kin V.V., Kozlova N.S., Portnov O.G., Rozin K.M. Process for growing lithium iodate crystals of hexagonal modification. Appl.: 30.11.1994; publ.: 30.11.1994.Пат. РФ 1503346 А1. Блистанов А.А., Гераськин В.В., Козлова Н.С., Портнов О.Г., Розин К.М. Способ выращивания кристаллов иодата лития гексагональной модификации. Заявл.: 30.11.1994; опубл. 30.11.1994.Nash F.R., Bergman J.G., Boyd G.D., Turner E.H. Optical nonlinearities in LiIO3 available to purchase. Journal of Applied Physics. 1969; 40(13): 5201—5206. https://doi.org/10.1063/1.1657376Nash F.R., Bergman J.G., Boyd G.D., Turner E.H. Optical nonlinearities in LiIO3 available to purchase. Journal of Applied Physics. 1969; 40(13): 5201—5206. https://doi.org/10.1063/1.1657376Kaminskii A.A. Physics and spectroscopy of laser crystals. Moscow: Nauka; 1986. 272 p. (In Russ.)Каминский А.А. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. М.: Наука; 1986. 272 с.GOST 9450–76. Measurements microhardness by diamond instruments indentation. Moscow: Izd-vo standartov; 1991. 35 p. (In Russ.)ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов; 1991. 35 c.GOST R 8.207–2011. State system for ensuring the uniformity of measurements. Multiple Direct measurements. Methods of measurement results processing. Main positions. Moscow: Standartinform; 2013. 26 p. (In Russ.)ГОСТ Р 8.207–2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: Стандартинформ; 2013. 26 с.Cerdeira F., Melo F.E.A., Lemos V. Raman study of anharmonic effects in α-LiIO3. Physical Review B. 1983; 27(12): 7716. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.7716Cerdeira F., Melo F.E.A., Lemos V. Raman study of anharmonic effects in α-LiIO3. Physical Review B. 1983; 27(12): 7716. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.7716Cerdeira F., Melo F.E.A., Lemos V. Raman study of anharmonic effects in α-LiIO3. Physical Review B. 1983; 27(12): 7716. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.7716

The authors declare that there are no conflicts of interest present.