О некоторых особенностях свойств и микроструктуры кристаллов иодата лития

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.

1. Nikogosyan D.N. Nonlinear optical crystals: a complete survey. New York: Springer; 2005. 440 p. https://doi.org/10.1007/b138685

2. Wang 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/BF00697227

3. Nash 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/10.1063/1.1657376

4. Deserno 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)90258-8

5. Лазарев 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.

6. 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/10.1121/1.1911961

7. Yao 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 ina-LiIO3. Computational Materials Science. 2017; 138: 199—203. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.06.033

9. Van 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.2014.04.009

10. Атрощенко Л.В. Анизотропия микротвердости кристаллов LiIO3. В: Физика и химия твердого тела. Науч. тр. ВНИИ монокристаллов. Харьков; 1980. С. 143—146.

11. 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/S1063783413070226

12. Chen 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-X

13. 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.

14. 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)00575-3

15. Mai 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)00712-9

16. 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.

17. Леммлейн Г.Г. Морфология и генезис кристаллов. М.: Наука: 1973. 327 с.

18. 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.

19. Авдиенко К.И., Богданов С.В. Иодат лития: Выращивание кристаллов, их свойства и применение. Новосибирск: Наука; 1980. 144 с.

20. 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.

21. 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/10.1063/1.1657376

22. Каминский А.А. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. М.: Наука; 1986. 272 с.

23. ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов; 1991. 35 c.

24. ГОСТ Р 8.207–2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: Стандартинформ; 2013. 26 с.

25. 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.27.7716