Микротвердость кристаллов твердых растворов ниобата-танталата лития LiNb1-хTaхO3

Получение кристаллов твердых растворов промежуточных составов LiNb_1-хTa_хO₃ позволяет регулировать физические параметры материала и получать кристаллы с требуемыми свойствами, поэтому получение таких кристаллов и исследование их свойств с учетом анизотропии является актуальной задачей. В работе были выращены кристаллы твердых растворов ниобата-танталата лития LiNb_1-хTa_хO₃ составов LiNb_0,88Ta_0,12O₃ и LiNb_0,93Ta_0,07O₃. Из этих кристаллов были подготовлены полированные образцы, ориентированные в стандартной установке. Образцы были подвергнуты монодоменизации. Определена полярность пьезоактивных граней. Методом оптической микроскопии в проходящем свете на всех образцах Z-срезов наблюдались картины в виде губкоподобной структуры, на образцах X- и Y-срезов ‑‑ картины в виде вертикальных областей, параллельных оптической оси (оси Z). С учетом анизотропии и полярности при нагрузке 25 гс проведены измерения механических характеристик образцов: микротвердости по Виккерсу HV с пересчётом на шкалу Мооса HM и балл хрупкости Z_x. По полученным данным рассчитаны параметры «вязкости» по методу Пальмквиста S и степени ионности связей I. Влияние соотношения Nb:Ta на значение микротвердости Z-срезов неоднозначно, что может быть связано с существенной неоднородностью таких образцов. В случае образцов X-срезов результаты измерений микротвердости близки и лежат в пределах погрешности метода. В случае Y-срезов проявляется существенная разница значений микротвердости и хрупкости Y«+» и Y«–» срезов, при этом микротвердость образца с более высоким содержанием Nb выше.

1. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития — материалы для нелинейной оптики. М.: Наука; 1975. 224 с.

2. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейно оптический кристалл ниобата лития. М.: Наука; 1987. 262 с.

3. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСиС; 2000. 432 с.

4. Volk T., Wöhlecke M. Lithium niobate: defects, photorefraction and ferroelectric switching. Berlin: Springer; 2008. 250 p.

5. Otko A.I., Nosenko A.E., Volk T.R., Shuvalov L.A. Spatial visualization of domains in lithium niobate crystals. Ferroelectrics. 1993; 145(1): 163—180. https://doi.org/10.1080/00150199308222445

6. Otko I., Krainyuk G.G., Poplavko Yu.M., Shuvalov L.A. Thermo-and mechano-electret effects in lithium tantalate crystals. Ferroelectrics, Letters Section. 1994; 18(3-4): 127—132. https://doi.org/10.1080/07315179408203396

7. Кубасов И.В., Кислюк А.М., Турутин А.В., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н. Бидоменные сегнетоэлектрические кристаллы: свойства и перспективы применения. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2020; 23(1): 5—56. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-1-5-56

8. Tomita I. Highly efficient cascaded difference-frequency generation in periodically poled LiNbO3 devices with resonators. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering. 2018; 13(6): 1214—1215. https://doi.org/10.1002/tee.22687

9. Kurt M.Z. Electrooptical properties of LiTaO3. Ferroelectrics. 2003; 296(1): 127—137. https://doi.org/10.1080/714040649

10. Chauvet M., Henrot F., Bassignot F., Devaux F., Gauthier-Manuel L., Pêcheur V., Maillotte H., Dahmani B. High efficiency frequency doubling in fully diced LiNbO3 ridge waveguides on silicon. Journal of Optics. 2016; 18(8): 085503. https://doi.org 10.1088/2040-8978/18/8/085503

11. Блистанов А.А., Гераськин В.В., Гореева Ж.А., Клюхина Ю.В. Определение параметров векторного оое-синхронизма в LiNbO3. Кристаллография. 2004; 49(2): 268—270.

12. Geraskin V.V., Blistanov A.A., Goreeva J.A., Klyukhina J.V. Development of method of determination of Li/Nb ratio in LiNbO3 crystals. Ferroelectrics. 2003; 285(1): 327—337. https://doi.org/10.1080/00150190390206176

13. Шпортенко А.С., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Турутин А.В., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н. Влияние контактных явлений на измерение электропроводности восстановленного ниобата лития. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2021; 24(3): 199—210. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-3-199-210

14. Prudent Market. Global LiNbO3 Crystal Market Research Report 2022. Report ID: 136850. Published Date: 2022-12-19. 250 p.

15. Weis R.S., Gaylord T.K. Lithium niobate: Summary of physical properties and crystal structure. Applied Physics A. 1985; 37: 191—203. https://doi.org/10.1007/BF00614817

16. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Юрьев В.А., Волынцев А.Б. Влияние структуры и механических свойств приповерхностного слоя монокристалла ниобата лития на процесс производства интегрально-оптических схем. Автометрия. 2017; 53(1): 100—106. https://doi.org/10.15372/AUT20170112

17. Zuev M.G., Moiseeva Yu.V. Subsolidus phase relations in the Li2O-Nb2O5-Ta2O5 system. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 1998; 43(1): 124—135.

18. Gureva P., Kulikov A., Mololkin A., Fakhrtdinov R., Artemev A., Demkiv A., Pisarevsky Y., Marchenkov N. Local variations of the piezoelectric properties of an LiNb(1-x)TaxO3 crystal. Journal of Applied Crystallography. 2023;5 6(Pt 2): 539—544. https://doi.org/10.1107/S160057672300211X

19. Мололкин А.А., Рощупкин Д.В., Емелин Е.В., Фахртдинов Р.Р. Особенности высокотемпературной монодоменизации конгруэнтных сегнетоэлектрических кристаллов твердого раствора LiNb0,5Ta0,5O3. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2021; 24(1): 34—39. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-1-34-39

20. Irzhak A., Irzhak D., Khvostikov V., Pundikov K., Roshchupkin D., Fahrtdinov R. Effect of local changes in the composition of the LiNb1-xTaxO3 single crystal on the Raman spectra. Journal of Raman Spectroscopy. 2022; 53(35): 969—976. https://doi.org/10.1002/jrs.6313

21. Vasylechko L., Sydorchuk V., Lakhnik A., Suhak Y., Wlodarczyk D., Hurskyy S., Yakhnevych U., Zhydachevskyy Y., Sugak D., Syvorotka I.I., Solskii I., Buryy O., Suchocki A., Fritze H. Investigations of LiNb1-xTaxO3 nanopowders obtained with mechanochemical method. Crystals. 2021; 11(7): 755. https://doi.org/10.3390/cryst11070755

22. Huband S., Keeble D.S., Zhang N., Glazer A.M., Bartasyte A., Thomas P.A. Crystallographic and optical study of LiNb1-xTaxO3. Acta Crystallographica Section B, Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 2017; 73(Pt 3): 498—506. https://doi.org/10.1107/S2052520617004711

23. Suhak Y., Roshchupkin D., Redkin B., Kabir A., Jerliu B., Ganschow S., Fritze H. Correlation of electrical properties and acoustic loss in single crystalline lithium niobate-tantalate solid solutions at elevated temperatures. Crystals. 2021; 11(4): 398. https://doi.org/10.3390/cryst11040398

24. Zabelina E.V., Mololkin A.A., Kozlova N.S., Kasimova V.M., Fakhrtdinov R.R., Umylin V.E., Sosunov A.V. Optical properties of crystals of lithium niobate-tantalate solid solutions LiNb1-xTaxO3. Crystallography Reports. 2023; 68(7): 1173—1179. https://doi.org/10.1134/S1063774523600874

25. Сосунов А.В., Пономарев Р.С., Мушинский С.С., Волынцев А.Б., Мололкин А.А., Малежак В. Влияние структуры приповерхностного слоя ниобата лития на характеристики оптических волноводов. Кристаллография. 2020; 65(5): 818—823. https://doi.org/10.31857/s0023476120050227

26. Болдырев А.И., Смоленцев В.П., Бородкин В.В. Основы технологии машиностроения. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; 2010. 192 с.

27. Лебедева С.И. Определение микротвердости минералов. М.: Изд-во Академии наук СССР; 1963. 123 с.

28. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высш. шк.; 1984. 375 с.

29. ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. М.: Государственный комитет СССР по стандартам; 1975. 31 с.

30. ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78). Государственный стандарт Союза ССР Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов;1977. 35 с.

31. ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 Национальный стандарт РФ. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод измерения. М.: Стандартинформ; 2008. 19 с.

32. Kozlova N.S., Goreeva Zh.A., Zabelina E.V. Testing quality assurance of single crystals and stock on their base. In: Proceed. 2nd Int. Ural conf. on measurements (UralCon 2017). Chelyabinsk, Russia. 16–19 October 2017; 2017. P. 15—22, https://doi.org/10.1109/URALCON.2017.8120681

33. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. М.: Металлургиздат; 1962. 224 с.

34. Переломова Н.В., Тагиева М.М. Кристаллофизика. М.: МИСиС; 2013. 408 с.

35. Яруничев В.П., Березовская Г.С. Выявление доменной структуры ниобата лития поляризационно-оптическим методом. Известия АН БССР. Серия физико-математических наук. 1979; 5: 126—128.

36. Raghuram D.V., Raghavendra Rao A., Prasad P.M., Madhu G., Manikumari V. A correlation between hardness and bond ionicity in crystals. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology. 2019; 7(3): 2680—2683. https://doi.org/10.22214/ijraset.2019.3488

37. Забелина Е.В., Козлова Н.С., Бузанов О.А., Крупнова Е.Д. Влияние послеростовых отжигов в кислородсодержащей атмосфере на микротвердость монокристаллического молибдата кальция CaMoO4. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2023; 26(1): 66—75. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2023-1-66-75

38. Sirdeshmukh D.B., Sirdeshmukh L., Subhadra K.G., Rao K.K., Laxman S.B. Systematic hardness measurements on some rare earth garnet crystal. Bulletin of Materials Science. 2001; 24(5): 469—473. https://doi.org/10.1007/BF02706717