Влияние легирования на оптические свойства кристаллов лантан-галлиевого танталата

Методом Чохральского из иридиевых тиглей в атмосферах аргона и аргона с кислородом выращены кристаллы лантан-галлиевого танталата La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄, номинально чистые, легированные алюминием, кремнием, и с добавлением количества оксида галлия выше стехиометрического. Измерены спектральные зависимости пропускания T(λ) образцов этих кристаллов на UV-Vis-NIR спектрофотометре Cary-5000 в диапазоне длин волн 200—800 нм. На основании экспериментальных данных построены спектральные зависимости поглощения α(λ). На спектральных зависимостях поглощения нелегированных кристаллов, выращенных в бескислородной атмосфере, наблюдается одна слабая полоса поглощения в области длины волны λ ~ 290 нм. В случае кристаллов, полученных в атмосфере аргона с кислородом, на спектральных зависимостях поглощения наблюдаются полосы в области длин волн λ ~ 290, 360 и 480 нм. Показано, что в случае кристаллов, выращенных в бескислородной атмосфере аргона, внесение галлия выше стехиометрического состава приводит к снижению интенсивности единственной полосы поглощения при λ ~ 290 нм. Легирование алюминием кристаллов La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄ при выращивании их в бескислородной атмосфере обуславливает существенное усиление этой полосы поглощения, дополнительно усиливаются полосы при λ ~360 и 480 нм. В случае выращивания кристаллов La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄ в кислородсодержащей атмосфере легирование алюминием ведет к снижению интенсивности полос поглощения при λ ~ 360 и 480 нм и усилению интенсивности полосы при λ ~ 290 нм. Легирование кремнием таких кристаллов существенно ослабляет полосы при λ ~ 480 нм, также наблюдается ослабление интенсивности полос при λ ~ 290 и 360 нм.

1. Dorogovin B.A., Stepanov S. Yu., Semenkovich G. V., Doubovski A.B., Philippov I.M, Buglov Yu.P., Danilova G. K. Homogeneity of elastic properties of Lanthanum Gallium Silicate Crystals. Proceedings of the 2000 IEEE/EIA International Frequency Control Symposium and Exhibition (Cat. No.00CH37052). 2000; 195—199. https://doi.org/10.1109/FREQ.2000.887353

2. Takeda H., Sugiyama K., Inaba K., Shimamura K., Fukuda Т. Crystal Growth and Structural Characterization of New Piezoelectric Material La3Ta0,5Ga5,5O14. Japanese Journal of Applied Physics. 1997; 36 (2, 7B): L919—L921. https://doi.org/10.1143/jjap.36.L919

3. Alani M., Batis N., Laroche T., Nehari A., Cabane H., Lebbou K., Boy J.J. Influence of the growth and annealing atmosphere on the electrical conductivity of LGT crystals. Optical materials. 2017; 65: 99—102. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.09.072

4. Zhang S., Yu F. Piezoelectric Materials for High Temperature Sensors. Journal of the American Ceramic Society. 2011; 94 (10): 3153—3170. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04792.x

5. Yu F.-P., Chen F.-F., Hou S., Wang H.-W., Wang Y.A., Tian S.-W., Jiang C., Li Y.- L., Cheng X.-F., Zhao X. High temperature piezoelectric single crystals: Recent developments. 2016 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA). 2016; 1—7. https://doi.org/10.1109/SPAWDA.2016.7829944

6. Nehari A., Alombert-Goget G., Benamara O., Cabane H., Dumortier M., Jeandel P., Lasloudji I., Mokhtari F., Baron T., Wong G., Allani M., Boy J., Alzuaga S., Arapan L., Gegot F., Dufar T. Lebbou K. Czochralski crystal growth and characterization of large langatate (La3Ga5,5Ta0,5O14, LGT) crystals for SAW applications. CrystEngComm. 2019; 21: 1764—1771. https://doi.org/10.1039/C8CE02157K

7. Takeda H., Tanaka S., Izukawa S., Shimizu H., Nishida T., Shiosaki T. Effective substitution of aluminum for gallium in langasite-type crystals for a pressure sensor use at high temperature. Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium. 2005; 1: 560—563. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2005.1602915

8. Каминский А.А. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. М.: Наука; 1986. 271 с.

9. Georgescu S., Toma O., Chinie A.M., Gheorghe L., Achim A., Stefan A.S. Spectroscopic characteristics of langasite (La3Ga5SiO14) and langatate (La3Ga5,5Ta0,5O14) crystals doped with Eu3+. Optical Materials. 2008; 30 (6): 1007—1012. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2007.05.035

10. Georgescu S., Toma O., Gheorghe L., Achim A., Chinie A.M., Stefan A. Disorder effects in the fluorescence spectra of Eu3+ in langatate (La3Ga5,5Ta0,5O14) crystals. Optical Materials. 2007; 30(2): 212—215. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2006.10.027

11. Georgescu S., Toma O., Voiculescu A.M., Matei C., Birjega R., Petrescu L. Infrared-excited bright green and red luminescence in La3Ga5,5Ta0,5O14 doped with erbium and ytterbium. Physica B: Condensed Matter. 2012; 407(7): 1124—1127. https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.0

12. Georgescu S., Voiculescu A.M., Mateia C., Stefana A.G., Toma O. Violet and near-ultraviolet upconversion luminescence in La3Ga5,5Ta0,5O14 codoped with Er3+ and Yb3+. Physica B: Condensed Matter. 2013; 413: 55—58. https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.12.045

13. Komar J., Lisiecki R., Ryba-Romanowski W., Berkowski M. Spectroscopic characterization of Sm3+ in La3Ga5,5Ta0,5O14 single crystals. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 610: 50-54. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.04.191

14. Komar J., Lisiecki R., Ryba-Romanowski W., Berkowski M. Effect of temperature on excited state relaxation dynamics and up-conversion phenomena in La3Ga5,5Ta0,5O14:Er3+ single crystals. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 610: 451—455. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.05.016

15. Lisiecki R., Ryba-Romanowski W., Macalik L., Komar J., Berkowski M. Optical study of La3Ga5,5Ta0,5O14 single crystal co-doped with Ho3+ and Yb3+. Applied Physics B. 2014; 116 (1): 183—194. https://doi.org/10.1007/s00340-013-5674-0

16. Voiculescu A.M., Georgescu S., Matei C., Stefan A., Toma O. Synthesis and characterization of La3Ga5,5Ta0,5O14 doped with holmium and ytterbium. Romanian Journal of Physics. 2015; 60 (3–4): 495—501. https://rjp.nipne.ro/2015_60_3-4/RomJPhys.60.p495.pdf

17. Zverev P.G., Shilova G.V. Investigation of the second order nonlinear susceptibility in langasite and langatate crystals. Laser Physics Workshop 2015. Book of abstracts. Seminar 5. 2015.

18. Boursier E., Segonds P., Boulanger B., Félix C., Debray J., Jegouso D., Ménaert B., Roshchupkin D., Shoji I. Phase-matching directions, refined Sellmeier equations, and second-order nonlinear coefficient of the infrared Langatate crystal La3Ga5,5Ta0,5O14. Optics Letters. 2014; 39(13): 4033—4036. https://doi.org/10.1364/OL.39.004033

19. Kaminskii A.A., Butashin A.V., Maslyanitsin I.A., Shigorin V.D. Nonlinear Optical Properties of Acentric Crystals with Ca‐Gallogermanate Structure. Physica Status Solidi (a). 1989; 112(1): K49—K52. https://doi.org/10.1002/pssa.2211120172

20. Stade J., Bohaty L., Hengst M., Heimann R.B. Electro-optic, piezoelectric and dielectric properties of langasite (La3Ga5SiO14), langanite (La3Ga5,5Nb0,5O14) and langataite (La3Ga5,5Ta0,5O14). Crystal Research & Technology. 2002; 37(10): 1113—1120. https://doi.org/10.1002/1521-4079(200210)37

21. Allani M., Batis N., Laroche T., Nehari A., Cabane H., Lebbou K., Vacheret X., Boy J.J. Effects of the Langatate crystal quality on the resonance frequency stability of bulk acoustic wave resonators. Advances in Applied Ceramics. Structural, Functional and Bioceramics. 2017; 279—284. https://doi.org/10.1080/17436753.2018.1447756

22. Buzanov O.A., Zabelina E.V., Kozlova N.S. Optical properties of lanthanum-gallium tantalate at different growth and post-growth treatment conditions. Crystallography Reports. 2007; 52(4): 691-696 https://doi.org/10.1134/S1063774507040177

23. Buzanov O.A., Naumov A.V., Nechaev V.V., Knyazev S.N. A new approach to the growth of langasite crystals. Proceedings of 1996 IEEE International Frequency Control Symposium. 1996; 131—136. https://doi.org/10.1109/FREQ.1996.559832

24. Uda S., Wang S.Q., Konishi N., Inaba H., Harada J. Growth habits of 3 and 4-inch langasite single crystals. Journal of Crystal Growth. 2002; 237- 239(1): 707—713. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)02007-3

25. Забелина Е.В. Неоднородности в кристаллах лантан-галлиевого танталата и их влияние на оптические свойства. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 2018. 150 с. https://misis.ru/science/dissertations/2018/3392/

26. Lamoreaux R.H., Hildenbrand D.L., Brewer L. High-temperature vaporization behavior of oxide II. Oxides of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Cd and Hg. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1987; 16(3): 419—443. https://doi.org/10.1063/1.555799

27. Bohm J., Heimann R.B., Hengst M., Roewer R., Schindler J. Czochralski growth and characterization of piezoelectric single crystals with langasite structure: La3Ga5SiO14 (LGS), La3Ga5,5Nb0,5O14 (LGN) and La3Ga5,5Ta0,5O14 (LGT). Part I. Journal of crystal growth. 1999; 204: 128—136. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(99)00186-4

28. Database of Ionic Radii http://abulafia.mt.ic.ac.uk/shannon/

29. Burns R.P., Jason A.J., Inghram M.G. Discontinuity in the Rate of Evaporation of Aluminum Oxide. Journal of Chemical Physics. 1964; 40(9): 2739—2740. https://doi.org/10.1063/1.1725595

30. Burns R.P. Systematics of the Evaporation Coefficient Al2O3, Ga2O3, In2O3. Journal of Chemical Physics. 1966; 44(9): 3307—3319. https://doi.org/10.1063/1.1727229