Центр Лазерних Технологій та Наноінженерії

Досягнення

Технологія вирощування нанокристалітів з водонерозчинних кристалічних матеріалів на прикладі кристалів Ніобату Літію

Опис

Увага зосереджена на виготовленні об’ємних зразків різного роду кристалічних матеріалів та нанокристалічних структур, що в подальшому дає змогу проводити заплановані виміри та дослідження. При дослідженні властивостей будь-яких кристалічних чи інших об’єктів необхідними є відповідно заздалегідь виготовлені зразки конкретних форм та орієнтацій згідно виписаних методик того чи іншого вимірювання. І, зокрема, монокристали вирощені у різних вибраних геометричних напрямках потребують післяростової орієнтації, що і фактично визначає їхні ті чи інші оптико-фізичні властивості у різних геометріях. Зорієнтовані монокристали ріжуться на зразки відповідних форм та розмірів і їхні поверхні обробляються до високої чистоти оптичної якості.

А нанокристалічні структури виготовляються на основі заздалегідь приготовлених нанопористих матрицях та введення в їх пори вибраних кристалічних сполук. Метод наповнення пор визначається в залежності від способу приведення у рідкий стан тієї чи іншої кристалічної сполуки.

Вибір зроблено на сполуці ніобату літію

Ніобат літію (LiNbO3) є фоторефрактивним матеріалом, відкритим у 1966 році. Це негативний кристал з великою спонтанною поляризацією (0.70 С/м2 при кімнатній температурі), і є сегнетоелектриком з найвищою температурою Кюрі (1210 °C).

Кристали LiNbO3 мають дві особливості, які є особливо привабливими. Перша, кристали мають багато фотоелектричних ефектів: п'єзоелектричний ефект, електрооптичний ефект, нелінійний оптичний ефект, фоторефрактивний ефект, фотоелектричний ефект, фотоеластичний ефект, акустооптичний ефект та інші фотоелектричні властивості.

По-друге, продуктивність кристалів LiNbO3 легко контролюється, що викликано структурою гратки та рясними структурами дефектів. Багато властивостей LiNbO3 можна значною мірою регулювати кристалічним складом, легуванням і контролем валентності елемента. Фізичні та хімічні властивості кристалів LiNbO3 досить стабільні - легко обробляти, широкий діапазон світлопроникності, велике подвійне променезаломлення.

Отримання кристалів ніобату літію

Вирощування LiNbO3 проводиться в основному методом витягування на орієнтовану затравку - методом Чохральського (Рис.1). Для вирощування високоякісних кристалів основними способами отримання є метод розплаву збагаченого літієм, метод потоку і метод дифузії. Отримують LiNbO3 взаємодією Li2CO3 із Nb2O5 за 1050—1100°C.

LiNbO3 - безбарвні кристали із ромбоедричною структурою (а = 0,547 нм, = 53,72°, просторова група R3c). Нерозчинний у воді. Кристали ніобату літію мають тригональну сигнонію й відносяться до кристалографічної точкової групи 3mC3v. Його кристалічна структура не має центральної симетрії, тому ніобат літію є сегнетоелектриком. Кристали є оптично прозорими у області довжин хвиль 0,4-5,0 мкм; показник заломлення звичайного променя 2,29, незвичайного 2,20 (для довжини хвилі 0,63 мкм).

Рис.1. Блок-схема ростової установки із стабілізацією температури (а) та (б) вирощений кристал LiNbO3.

Отримання нанокристалічних структур ніобату літію

Вирощування нанокристалів LiNbO3 у матрицях пористих структур (Si, SiO2 і ін.) проводиться методом просочування пористих матриць у насиченому водному розчині LiNbO3 із наступним повільним прогріванням при температурі 100 - 120°C впродовж 5-8 годин. Кристалізацію (ріст нанокристалів) проводять на повітрі з використанням ІЧ-печі IRF 10 з високою швидкістю нагріву (1-10 °С/с) до температури 750 - 950 °С і час прогрівання від 5-20 хв при цій температурі (Рис.2).

Насичений водний розчин LiNbO3 готується із таких водорозчинних препаратів: LiNO3 (0,013 моль, 95%, Grüssing) і NH4NbO(С2О4)2·xH2O (0,013 моль, 99,99%, Aldrich), які змішують в молярному співвідношенні 1:1 із додаванням до 7 г дистильованої води. Після того суміш нагрівали протягом 30 хв при 60°C до повного розчинення твердої речовини. Наповнювати матриці бажано також при температурі повного розчинення складових розчину ~ 60°C.

Рис. 2. Пориста матриця Si (а); нанокомпозит Si:LiNbO3 (б); рентгенограма нанокомпозиту Si:LiNbO3 (в).

Застосування

LiNbO3 має високі оптично-нелінійні характеристики, тому використовується у лазерах для генерації другої гармоніки.

Ніобат літію застосовується в якості матеріалу для функціонування сегнетоелектричних елементів, оптоелектроніки (оптичні хвилеводи, кільцеві мікрорезонатори), акустоелектроніки (п'єзоелектричні перетворювачі у лініях затримки, фільтрах) й напівпровідникової електроніки (комірки енергонезалежної пам'яті FRAM). Використання плівок ніобату літію може значно спростити технологію виготовлення таких елементів й дозволити впровадити їх при виробництві простих CMOS-структур, вносячи деякі доповнення у існуючу технологію.

Кристал виділяється чудовою прозорістю та високим порогом пошкодження. Широко використовується в телекомунікаціях і модуляторах, його властивості, такі як широкий діапазон прозорості та значні електрооптичні коефіцієнти, роблять його кращим вибором для багатьох оптичних застосувань.

Нанокристали LiNbO3 є активні для генерації другої оптичної гармоніки (ГДГ). Ці наночастинки можуть дозволити подальший розвиток нелінійно-оптичних методів, таких як мікроскопія ГДГ для біовізуалізації, яка вимагає, щоб розміри наночастинок були значно нижче 100 нм. Наноструктури LiNbO3 з чітко визначеним розподілом розмірів, кристалічністю та фазою досліджуються для використання в різноманітних сферах застосування, які включають оптичні датчики для хімічного та біологічного аналізу, хвилеводи та електрооптичну кераміку. Сегнетоелектричні та п’єзоелектричні властивості цих наноматеріалів також сильно залежать від їх розміру та форми. Щоб задовольнити вимоги цих застосувань ведуться пошуки шляхів синтезу для отримання однорідних наночастинок LiNbO3.

Tехнологія вирощування нанокристалітів із водорозчинних кристалічних матеріалів та створення нового класу кристалічних нанокомпозитів на основі нанопористих матриць ІЗ Al2O3 та Si/SiO2

Опис

Інтерес до наноструктур визначається широким спектром їх потенційних застосувань у різних областях електроніки, оптики, магнетизму, електрохімії, біології та медицини. Часто застосовується метод інкорпорування нанорозмірних об’єктів до складу «материнських» матриць з мікро- чи нанопорами, який приводить до створення композитних матеріалів. Синтезовані таким чином наноструктурні композитні матеріали часто виявляють низку принципово нових властивостей, порівняно з однорідними об’ємними матеріалами того ж хімічного складу, які є основою пористих матриць чи матеріалів наповнення таких матриць.

Розроблена нами технологія передбачає:

Інноваційні аспекти та головні переваги

Запропонована технологія дає можливість суттєво підвищити ефективність впровадження в пористі матриці речовин з активними фізичними властивостями і значно розширити функціональні можливості введених компонентів та істотно підвищити практичну значущість таких структур. Тому в даний час предметом інтенсивного вивчення є наноструктуровані композиційні матеріали на основі пористих оксидів, серед яких оксид алюмінію (Al2O3) виділяється порівняльною простотою отримання в електролітах сірчаної, щавелевої і фосфорної кислот. Сформований в процесі травлення самоорганізований масив пор відрізняється рівномірною щільністю ~ 109 - 1010 cm-2 із середнім розміром пор. Організовані наноструктури можна також вирощувати на пористому кремнії, отриманому електрохімічним травленням пластин Si. При осадженні в пори вибраної матриці відповідного матеріалу, той надає такому композиту нових цікавих фізичних властивостей. Осадження квантових точок дозволяє сформувати структури з унікальними оптичними та люмінесцентними властивостями, придатними для розвитку оптичних методів і створення нових елементів оптоелектроніки та інше. Міждисциплінарна сфера інженерії у поєднанні з відносно новим полем нанотехнологій містить ключі до багатьох нових та інноваційних розробок у майбутньому.

Сфера застосувань

Залежно від підібраних умов, можна домогтися часткового або повного заповнення пор, а, отже, можна отримувати квантові точки чи нанотрубки/наностержні різних форм і розмірів. В результаті утворені структури можуть бути використані в якості активного середовища в оптичному діапазоні. Нанокомпозити заслуговують також уваги у квазіоптичному діапазоні, де за допомогою внесення неоднорідностей, наприклад зміни діелектричної проникності, можливе утворення сповільнюючих структур, що створює умови для побудови антен та фільтрів. Крім того, результати розробки можуть бути впроваджені в тих галузях економіки, де використовуються кристалічні матеріали як чутливі елементи оптичних сенсорних пристроїв чи як складові частини в різних оптоелектронних та лазерних приладах, в різноманітному науковому, біомедичному чи промисловому устаткуванні.

Стадія розробки

Діючі експериментальні зразки, доступні для демонстрації, проведення лабораторних досліджень, визначення конкретних оптико-фізичних параметрів.

Технологія найефективнішого та стабільнішого використання кристалічних матеріалів для електро-, п’єзо- та акусто-оптичних пристроїв керування лазерним випромінюванням

Опис

Розроблена технологія передбачає:

Інноваційні аспекти та головні переваги

Запропонована технологія дає можливість суттєво підвищити ефективність впровадження та стабільність використання нових чи вже існуючих кристалічних матеріалів як робочих елементів пристроїв твердотільної оптоелектроніки, що працюють на принципах електро-, п’єзо- чи акустооптичної модуляції лазерного випромінювання. Для багатьох досліджених нами кристалів виявлено, що напрямки електричного поля, одновісного тиску, поляризації та поширення світла і акустичних хвиль, які забезпечують найбільші електро-, п’єзо- та акустооптичні параметри кристалічних матеріалів, загалом не збігаються з головними кристалофізичними осями. Так для найбільш ефективної геометрії, що відповідає глобальному максимуму п’єзооптичного ефекту з кутовими координатами Θ=42°, φ=30° та Θ=49°, φ=30°, отримано майже 5- та 4-кратне підвищення ефективності використання в п’єзооптичних перетворювачах кристалів ніобату літію та бета борату барію відповідно. Аналогічно для кристалів ніобату літію максимальна електроіндукована різниця ходу майже в 3 рази більша (для Θ=54°, φ=90°), а екстремальне значення параметра акусто-оптичної якості для ізотропної дифракції світла у 2,4 рази більше (для Θ=60°, φ=7°), порівняно з відповідними параметрами для стандартної геометрії прямих зрізів цих кристалів. Це дає можливість у стільки ж разів підвищити ефективність використання кристалів ніобату літію як робочих елементів відповідних пристроїв керування лазерним випромінюванням.

Крім того, використання кристалічних матеріалів в точці максимуму їх електро-, п’єзо- чи акустооптичного ефекту гарантує також і суттєве підвищення стабільності величини досліджуваного робочого параметру зразка, а отже і підвищення стабільності технічних характеристик відповідного пристрою.

Сфера застосувань

Розроблена технологія може бути успішно використана при розробці електро-, п’єзо- чи акустооптичних комірок для випадків, коли робочими елементами таких пристроїв є нові чи вже існуючі кристалічні матеріали. Крім того, результати розробки можуть бути впроваджені в тих галузях народного господарства, де використовуються кристалічні матеріали як чутливі елементи оптичних сенсорних пристроїв чи як складові частини в різних оптоелектронних та лазерних приладах, в різноманітному науковому чи промисловому устаткуванні, зокрема, для підвищення ефективності модуляції оптичного сигналу в сучасних інфокомунікаційних системах.

Стадія розробки

Діючі експериментвльні зразки, доступні для демонстрації, проведені лабораторні випробовування.

Розвиток оптичної та квазіоптичної (суб-терагерцової) технологій для характеризації основних фундаментальних параметрів ізотропних та анізотропних матеріалів

Розвиток оптичної та квазіоптичної (суб-терагерцової) технологій для характеризації основних фундаментальних параметрів, а саме показників заломлення ізотропних та анізотропних матеріалів базується на розроблених та створених нами відповідних двох установках (загальний вигляд та схеми відповідних установок див. в розділі «Обладнання»).

Ця установка відповідає кращим світовим аналогам (чи навіть перевищує).

Основні переваги створених установок:

  1. спрощення процесу вимірювання та обробки експериментальних даних, що гарантує підвищення точності вимірюання показника заломлення;
  2. автоматизація, що забезпечує швидкий експрес-аналіз за показниками заломлення плоско-паралельних зразків із оптичних матеріалів з високою точністю;
  3. можливість здійснення неруйнівного контролю, який забезпечує повну відповідність вимірювальних параметрів зразків при їх подальшому практичному застосуванні;
  4. можливість вимірювання всіх показників заломлення анізотропних середовищ, в т.ч. для одновісних та двовісних кристалів будь-якого класу симетрії на одному зрізі, тим самим економлячи дорогий кристалічний матеріал;
  5. можливість визначення дисперсії коефіцієнтів оптичної рефракції шляхом застосування декількох джерел когерентного випромінювання.

Теоретично розрахована похибка визначення показників заломлення на оптичній експериментальній установці становить 3.5x10-6=0.0000035. На основі експерименту отримано: n0=2.2868±0.0002, ne=2.2032±0.0002 - для кристалів LiNbO3 та n0=1.5436±0.0005, ne=1.5527±0.0005 - для кристалічного кварцу.

Галузі використання

Запропонована установка може бути успішно використана як для наукових досліджень, так і для неруйнівних експрес-вимірювань показників заломлення плоско-паральних пластин iз ізотропних та анізотропних матеріалів у промислових лабораторіях чи на виробництві тих підприємств та фірм, які займаються вирощуванням кристалів та створенням на їх основі оптоелектронних пристроїв.

Завершена нами розробка в рамках попередніх грантів

На основі розробленої технології підвищення ефективності використання анізотропних матеріалів твердотільної оптоелектроніки спроектовано та виготовлено експериментальний зразок високо-ефективної акустооптичної комірки для модуляції потужного вхідного інформаційного сигналу для волоконно-оптичної системи передачі інформації.

Високоефективна акустооптична комірка для керування потужним лазерним випромінюванням

Як матеріал акустосвітлопроводу використано кристалічний зразок LiNbO3:MgO, вирощений, вирізаний і оброблений на НВП “Карат”. Орієнтація зразка вибрана згідно із знайденою найбільш ефективною геометрією акустооптичної взаємодії, що забезпечує більш, ніж вдвічі вище значення параметра акустооптичної якості, порівняно із традиційно вживаною акустооптичною геометрією. Світлове вікно комірки має розміри 6x9 мм2.