（光学专业论文）铌酸锂晶体的光电导研究.pdf

独创性声明 i r l f lf lf f l l f lr ll l li i fjf 18 8 2 8 6 6 学位论文题目：鲤酸堡量签鲍左生昱盟窒 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者： 虐吾秒签字日期：弘f f 年亨月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：团不保密，口保 密期限至年月止) 。 学位论文作者签名： 套印 - 签字日期：矽f 年月牛日 导师签名：多易名 签字日期： d zd ，f 年厂月4 - 国 两南大学硕十学何论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 铌酸锂晶体的发展及应用1 1 2 铌酸锂晶体在全息存储领域的研究历史与现状1 1 3 本文的选题意义及研究内容3 参考文献4 第二章铌酸锂晶体的基本结构与性质5 2 1 铌酸锂晶体的基本结构5 2 2 铌酸锂晶体的生长6 2 3 铌酸锂晶体的本征缺陷7 2 4 铌酸锂晶体的掺杂工程7 2 5 本章小结9 参考文献1 0 第三章铌酸锂晶体的光电现象与能带输运模型1 2 3 1 铌酸锂晶体的光电现象1 2 3 2 能带输运模型1 3 3 2 1 掺铁铌酸锂晶体的电子迁移1 5 3 2 2 纯铌酸锂晶体的电子迁移。l6 3 3 本章小结18 参考文献1 9 第四章铌酸锂晶体的光电导研究2 0 4 1 光电导的理论基础2 0 4 2 掺铁铌酸锂晶体光电导的实验研究2 0 4 2 1 实验方法2 0 4 2 2 样品参数2l 4 2 3 均匀光照后晶体在不同偏压下的电导率2 1 4 2 4 关闭光激后在不同偏压下晶体电导率随时间的变化关系。2 2 4 2 5 分析与讨论2 6 4 3 不同组分比纯铌酸锂晶体光电导的实验研究2 7 4 3 1 实验结果与数据处理2 7 两南大学硕十学位论文目录 4 - 3 2 分析与讨论一2 9 4 4 本章小结。3 0 参考文献3 2 第五章结论与展望3 3 5 1 结论3 3 5 2 本文的创新点3 3 5 3 本文的不足之处3 4 5 4 今后工作打算。3 4 发表论文及参加课题一览表3 5 至殳谢3 6 两南大学硕十学位论文 摘要 铌酸锂晶体的光电导研究 光学专业硕士研究生李扬 指导老师张耘副教授 摘要 铌酸锂晶体( l i n b 0 3 ，简称l n ) 是一种重要的多功能人工晶体，它具有良好的非线性光 学、电光、声光、光折变等性质，同时具有良好的化学稳定性和机械稳定性。因此广泛地应 用于声光、电光、压光以及光存储等领域。在这些领域的应用，需要基于我们对l n 晶体在激 光照射下的特性( 如光致吸收、光电导等) 的准确把握。l n 晶体中一些重要的光致效应，如 光致吸收、光致电导等，与晶体内部极化子、双极化子或晶体的掺杂能级之间的电子迁移有 密切的关系。 本文采用伏安法测量掺铁l n 晶体及不同组分比名义纯l n 晶体的光电导率及电导率衰减 变化，我们得到以下实验结果： 1 、 在均匀光照达到稳态后，电路中出现稳定的电流。在相同的外加偏压下，随着掺 铁浓度的增加，晶体电导率也会相应的增加。 2 、 对于掺铁l n 晶体，其电导率会随着外加偏压的升高而增大，并且掺铁浓度越高， 电导率增加越快。 3 、 关闭光源后，晶体电导率都会随时间变化而减小。对于同一晶体，其所加偏压越 高，电导率衰减越快；在相同的偏压下，掺铁浓度越高的晶体，其相对变化量越 大，达到稳态所需的弛豫时间也越久。 4 、 对于不同组分比名义纯l n 晶体，偏离化学计量比会使晶体暗电导和光电导值变 大，关闭光源后晶体电导率达到稳态时的弛豫时间值也会相应变小。 结合用于研究l n 晶体内部电子迁移机制的双中心模型和实验结果，得到了相应的物理参 量。我们认为，铌酸锂晶体具有弱的持久光电导效应，光照和外加电场作用下载流子的空间 分离和重新分布以及晶体中掺铁浓度的高低是造成电导变化的重要原因。 关键词：铌酸锂晶体光电导光电现象电子迁移机制 两南大学硕+ 学伊论文 a b s t r a c t 鼍皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼寰曼曼曼量曼皇曼皇曼曼皇舅舅寰兽鼍皇i ii 鼍皇曼曼曼 r e s e a r c ho ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f l i t h i u mn i o b a t eu n d e rl a s e r e x c i f i n g m a s t e ro f o p t i c s ：l iy a n g s u a s s o c i a t tp r o f e s s o rz h a n gy u n s u p e r v l s o r ：a s s o c i a t er os s o ry u nz h a n g a b s t r a c t l i t h i u mn i o b a t e ( l i n b 0 3 ：l nf o rs h o r t ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm u l t i f u n c t i o n a l a r t i f i c i a lc r y s t a l s i tp o s s e s s e se x c e l l e n tn o n l i n e a r - o p t i c s ，e l e c t r o o p t i c s ，a c o u s t o o p t i c s ， p h o t o - r e f r a c t i v ep r o p e r t i e s i ta l s oh a sg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dm e c h a n i c a ls t a b i l i t y s oi tw i d e l yu s e di ne l e c t r o - o p t i c a l ，n o n l i n e a ro p t i c a la p p l i c a t i o n so fa l lk i n d s p r e c i s e k n o w l e d g eo ft h el i g h t i n d u c e d ( s u c h a s l i g h t - i n d u c e da b s o r p t i o n , l i g h t i n d u c e d c o n d u c t i v i t y , e t c ) c h a r g et r a n s p o r tg o v e m e db yd e f e c tc e n t e r so fl ni sa ni n d i s p e n s a b l e p r e r e q u i s i t ef o ra n yo ft h e s ea p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r f o u ri r o nd o p e dl nc r y s t a l s ( w i t hd i f f e r e n tf ei o nc o n c e n t r a t i o n ) a n dt w o k i n d so fp u r el nc r y s t a l s ( w i t hd i f f e r e n tl i n b ) w e r em e a s u r e db yt h em e t h o do f v o l t a m m e t r i cm e a s u r e m e n t w e g e tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa sf o l l o w s ： 1 w h e nu n i f o r mi l l u m i n a t i o nr e a c h e dt h e s t e a d y s t a t e ，t h ec u r r e n t sf l o w i n g t h r o u g hs a m p l e sa p p e a rt of i x e d n e s s i nt h es a m ev o l t a g e ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f i r o ni o nc o n c e n t r a t i o n ，c r y s t a l sc o n d u c t i v i t yw i l la l s oc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e 2 f o rf ed o p e dl nc r y s t a l s ，t h ec o n d u c t i v i t i e si n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s e d v o l t a g e ，a n dt h eh i g h e ri r o ni o nc o n c e n t r a t i o n ，t h ec o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sf a s t e r 3 w h e nt h el a s e ri sc l o s e d ，c r y s t a l s c o n d u c t i v i t i e sd e c r e a s ew i t l lt i m e f o rt h e s a m ec r y s t a l s ，t h eh i g h e rv o l t a g ei sa p p l i e d ，t h ef a s t e ro f c o n d u c t i v i t yd e c a y ；i nt h es a m e v o l t a g e ，i ft h ec r y s t a lh o l d st h eh i g h e ri r o ni o nc o n c e n t r a t i o n , i t sc o n d u c t i v i t yh a st h e b i g g e rr e l a t i v ev a r i a t i o n ，a n dt h er e l a x a t i o nt i m e st ot h es t e a d y s t a t ea r ea l s ol o n g e r 4 f o rp u r el n c r y s t a l so fd i f f e r e n tc o m p o n e n t ，d e v i a t i n gf r o mt h es t o i c h i o m e t r i c r a t i ow i l lm a k et h ec r y s t a l s d a r kc o n d u c t i v i t i e sa n dl i g h tc o n d u c t i v i t i e sc h a n g eb i g g e r , t h er e l a x a t i o nt i m ew i l la l s oc o r r e s p o n d i n gs m a l l e r c o m b i n i n gt h ed o u b l yc e n t e rm o d e lt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w eo b t a i n e d t h e c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s w et h i i l l t h el nc r y s t a l sh a v ew e a k l a s t i n g p h o t o c o n d u c t i v ee f f e c t ，t h ei l l u m i n a t i o n ，e x t e r n a le l e c t r i cf i e l d sa n dt h ed i f f e r e n tm i x e d i r o nc o n c e n t r a t i o no fc r y s t a l sa r et h ei m p o r t a n tr g a s o n st oc a u s e dt h ec o n d u c t a n c e c h a n g e s 两南大学硕十学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：l i t h i u mn i o b a t e l i g h t - i n d u c e dc o n d u c t i v i t y ：p h o t o e l e c t r i c i t y ： e l e c t r o n t r a n s f e r - 两南大学硕十学1 1 i ) ：论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 铌酸锂晶体的发展及应用 铌酸锂晶体( l i n b 0 3 ，简称l n ) ，是迄今人们发现的性能最为优良、研究最 为广泛和深入的电光晶体之一，它是一种具有优良的电光、双折射、非线性、声 光、光折变、热释电效应等功能于一体的多功能晶体，它的机械性能和化学性能 稳定，耐高温、抗腐蚀，而且易于加工，价格也相对便宜，将纯l n 晶体经过不同 掺杂后能够呈现出非常多的特殊性能。因此，l n 晶体在光波导、电光调制器、倍 频转换、非线性光学、全息存储和光通信领域等方面有着广泛的应用。 在1 9 4 9 年，m a t t h i a s 和r e m e i k a i j 采用助熔剂法首先生长出了铌酸锂晶体，发 现了它的铁电性，但是并没有获得高质量的单晶。1 9 6 5 年b a l l m a i l 【2 1 报道采用提拉 法( c z o c h r a l s k it e c h n i q u e ) 成功的生长出了l n 单晶，可以在较短时间内生长出大块 的优质l n 晶体，极大地促进了对l n 晶体的研究。随后，n a s s a u 等【3 ，4 】研究了l n 晶体的基本生长条件、晶体的各项基本性质和畴结构等，奠定了l n 晶体生长的物 理化学性质。美国的贝尔实验室对l n 晶体的基本结构、光电性质、声学性质、压 电效应等进行了广泛研究；a b r a h u m s 5 6 】等人也对l n 晶体的生长畴结构、x 射线、 中子衍射、位错等各项特性进行了深入研究。目前，人们对l n 晶体的研究主要集 中在以下几个方面： 1 对l n 晶体的基本结构和性质的研究，包括晶体的生长、不同组分、电导 率、基本晶格结构、基本力学和热学性质等的研究； 2 对l n 晶体掺杂的研究，包括掺杂离子在l n 晶体中的占位及掺杂离子对 l n 晶体各项性能影响等方面的研究； 3 对l n 晶体的缺陷和能级结构的研究，包括l n 晶体的本征及非本征缺陷结 构、l n 晶体的基本能带的研究； 4 对l n 晶体的光电现象的研究，包括l n 晶体的电学、光学、光电导、光致 吸收、光折变效应等的研究； 5 对l n 晶体薄膜的研究【7 ，羽，l n 薄膜器件在许多方面优于体材料制成的器 件。 1 2 铌酸锂晶体在全息存储领域的研究历史与现状 光学体全息存储材料具有高容量、保存时间长、高信噪比和可重复写入等特 点。自1 9 6 6 年人们发现光折变效应并在l n 晶体中实现体全息存储后 9 1 ，l n 晶体 西南大学硕十学位论文第一章绪论 在光学体全息存储领域得到了广泛的应用。光折变晶体中的三维体全息存储是一 种适合高密度数据存储的光学存储技术，它具有传输速率快、寻址时间短等优点。 但是用光折变效应来实现体全息存储，会在读出过程中擦除已存储的信息，人们 利用各种方法来避免这种情况的发生，称之为光全息存储的固定技术。目前l n 晶 体全息存储的固定方法主要分为两类： 1 、离子固定法，包括a ) 电固定法：通过施加外部强电场，可以改变铁电体 的极化方向，形成铁电区域光栅，此光栅与电子电荷光栅相同。经均匀光照擦除 电子光栅，建立对光照不敏感的极化强度光栅，由此实现了体全息存储信息的固 定。b ) 热固定法：在记录期间或记录之后将材料放到1 0 0 1 6 0 的温度环境中， 此时热激活离子会中和电子的空间电荷场。当材料被冷却到室温后再用均匀光照 射材料，电子光栅被擦除，只剩下离子电荷形成的全息图。这种离子光栅对光辐 射不敏感，只有加热条件下才能够擦除，因此在常温下实现了体全息存储信息的 固定。 2 、双光子固定法，是在进行光栅记录过程中同时有不同频率的两束光照射晶 体，其中一束高频光作为开关光，另一束低频光作为记录光。晶体只有在开关光 存在时对记录光敏感，以实现全息存储，而开关光不存在时晶体对记录光不敏感， 读出光便无法擦除所存储的信息。与热固定法和电固定法相比，双光子固定法是 直接采用全光的方法记录与擦除，它的读写和擦除速度快，数据转换效率高，具 有极好的应用前景。 双色存储技术是d v o nd e rl i n d e 等人【lo j 在1 9 7 4 年提出的。他们在掺铜铌酸锂 晶体中，使用波长为1 0 6 4 n m 和5 3 2 n m 的激光首次实现了全息图的无损读出。此 后几十年，国内外对双色存储的条件、存储材料、复用存储及其内在的物理机制 进行了大量的研究。1 9 9 8 年，b u s e 等人【l i 】和h e s s l i n k 等人分别提出了在使用具有 不同能级施主离子的l n 晶体，在常温下利用两种波长的激光进行记录，以克服利 用晶体进行全息存储时存储时间短的缺点。2 0 0 0 年a a d i b i 和d p s a l t i s 等用紫外 和红光在双掺锰和铁的l n 晶体上实现无挥发全息存储。2 0 0 4 年i b m 公司对l n 晶体实现数据的全息存储进行了总结l l 2 。 在全息存储技术中，必须理解和定量能级间电荷重新分布的所有过程与参量， 在l n 晶体中，电子是主要的载流子。为此迫切需要对l n 晶体的本征缺陷和掺杂 能级进行大量研究，了解内部电子迁移的过程，建立相应的电子迁移模型，验证 并量化模型，对其光电现象的研究便是一个非常好的方法。 2 两南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 本文的选题意义及研究内容 l n 晶体是目前在集成光学中应用最多的电介质材料之一，其具有宽频段导光 性，高光电系数，高声光系数以及非线性光学等特性，被誉为光电子领域的“硅”。 但采用传统方法生长的l n 晶体大多处于缺l i 的状态，是非化学计量比，因而会 造成同成分l n 晶体中存在大量的本征缺陷，这种结构性缺陷影响了晶体的光学质 量，对l n 晶体的实际应用产生了非常大的影响。实验证明，随着l n 晶体中f n - b 的不断提高，本征缺陷浓度不断降低，l n 晶体的光折变效应、电光系数、畴反转 电场等各项性能均有较大程度的提高，因此，具有更多优越性的化学计量比l n 晶 体的生长、应用成为国际上研究的热点。同时，纯l n 晶体为我们提供了一个良好 的平台，我们可以将各种杂质元素掺入l n 晶体中，获得具有更好光学性能的掺杂 l n 晶体。 在l n 晶体中，光致吸收、光电导、暗电导、光折变效应等现象均与l n 晶体 内部的电子迁移有着密切的联系。l n 晶体在光电领域的大量应用正是基于这些 光、电效应，也就是说与电荷迁移密不可分。对应用机理和材料本身研究的双重 要求，促使我们关注l n 晶体的电荷迁移。对其研究的手段也主要是利用材料的光、 电效应。 目前对l n 晶体光电现象的研究主要集中在多掺杂l n 晶体上。已经建立的比 较成熟的电子迁移模型有单中心模型、双中心模型、多中心模型等，这些模型成 功的解释了掺铜、掺铁、锰铁双掺杂l n 晶体的光电现象。但目前对不同组分生长 态纯l n 晶体及不同掺铁浓度的同成分l n 晶体的光电现象的对比研究很少。在此， 本文提出在不同的外加偏压下，对不同组分生长态纯l n 晶体及不同掺铁浓度的同 成分l n 晶体的光电现象和电子迁移进行研究。 本方选择锂空位模型作为研究的出发点，对不同组分生长态纯l n 晶体及不同 掺铁浓度的同成分l n 晶体的光电现象和电子迁移进行了研究，得到了弱光照射时 样品在不同偏压下的电导率随时间的变化关系图，并用双中心模型对实验结果做 了相应的分析论证。 3 西南大学硕十学位论文 第一章绪论 参考文献 【1 】b t m a t t h i a s ，j e r e m e i k a , p h y sr e v , 19 4 9 ( 7 6 ) ：18 8 6 【2 】a a b a l l m a n , g r o w t ho f p i e z o e l e c t r i ca n d f e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l sb yt h ec z o c h r a l s k i t e c h n i q u e j a m c e r a m s o c 1 9 6 5 ，4 8 ( 11 2 ) 【3 】k n a s s a u , h j l e v i n d t e i n a p p lp h y sl e t t , 19 6 5 ( 7 ) ：6 9 【4 】k n a s s a u , h j l e v i n s t e i n ，g m l o i a c o m o jp l a y sc h e ms o l i d s ，19 6 6 ( 2 7 ) ：9 8 9 【5 s c a b r a h a m se t a l ，f e r r o e l e c t r i cl i t h i u mn i o b a t es i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o ns t u d y 【j 】， j p h y s c h e m s o l i d s ，2 7 ( 19 6 6 ) 9 9 7 【6 】s c a b r a h a m se t a l ，f e r r o e l e c t r i cl i t h i u mn i o b a t ep o l y c r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o na t u d yb e t w e e n 2 4 ca n d1 2 0 0 c j ，j p h y s c h e m s o l i d s ，2 7 ( 1 9 6 6 ) 1 0 1 9 【7 】m i s h i h a r a , t n a k a m u r a , e k o k a i p r e p a r a t i o no fl i t h i u mn i o b a t et h i nf i l m so nd i a m o n d - c o a t e d s i l i c o ns u b s t r a t ef o rs u r f a c ea c o u s t i c d e v i c e s j d i a m o n d a n dr e l a t e d m a t e r i a l s ， 2 0 0 3 ，1 2 ：1 8 0 9 - 1 8 1 3 8 】王新昌，叶志镇l i n b 0 3 薄膜的研究进展 j 】材料导报2 0 0 2 ，9 ( 1 6 ) ：2 6 3 0 【9 】a s h i k i na ，d z i e d z i xj m a n dk l e i n m a nd a o p t i c a l l y i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e x i n h o m m g e n i t i e si nl i n b 0 3a n dl i t a 0 3 a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 6 ，9 ( 1 ) ：7 2 - 7 4 【1 0 】d v o nd e rl i n d e ，a m g l a s s ，a n dk f r o d g e r s m u l t i p h o t op h o t o r e f r a c t i v e np r o c e s s e sf o r o p t i c a ls t o r a g ei nl i n b 0 3 a p p l p h y s l e t t ，19 7 4 ，2 5 ( 3 ) ：15 5 15 7 【l l 】k b u s e ，a a d i b ia n dd p s a l t i s n o n - v o l a t i l eh o l o g r a p h i cs t o r a g ei nd o u b l yd o p e dl i t h i u m n i o b a t ec r y s t a l s n a t u r e ，19 9 8 ，3 9 3 ( 18 ) ：6 6 5 - - 6 6 8 【l2 】m c a r r a s c o s a ，f a g u l l o - l o p e z o p t i m i z a t i o no ft h ed e v e l o p i n gs t a g ef o rf i x e dg r a t i n g si n l i n b o s o p t c o m m u n ，1 9 9 6 ，1 2 6 ( 5 ) ：2 4 0 - - 2 4 6 4 两南大学硕十学位论文 第二章铌酸锂品体的基本结构与件质 第二章铌酸锂晶体的基本结构与性质 2 1 铌酸锂晶体的基本结构 铌酸锂晶体是一种无色或略带乳白色的透明晶体，其晶体密度为4 6 1 2 9 c m 3 ， 熔点为1 2 6 0 。c ，居里温度为1 2 1 0 。c ( 均为2 0 c 时的实验数值) 【1 1 ，l n 晶体的莫 氏硬度为6 ，努氏显微硬度值为6 0 0 ，不同方向上硬度值略有不同，晶体可以被金 刚石刀切开，用普通的光学仪器也可以对铌酸锂晶体进行研磨和抛光。 理想l n 晶体的外形如图2 1 所示。 图2 1l n 晶体的理想外形 l n 晶体属于三方晶系，为类钛铁矿型结构，用六角原胞表示形式，在每个氧 离子周围有两个n b 离子、两个“离子以及两个空位。其结构可以看作为氧原子 六方密堆积排列，相邻的氧八面体有共同的顶点并以共面的形式叠置起来形成堆 垛，公共面与极轴相垂直，很多的堆垛再以八面体共棱的形式结合起来形成晶体【2 1 。 在沿着晶体的极性轴+ c 方向上，理想的离子以如下顺序占据空隙： l i n b 口一l i 小m 口一l i 一，周期性地重复口1 。 l n 晶体有铁电相和顺电相两种结构【4 】。其铁电相结构属3 m 点群，顺电相结 构属3 m 点群。l n 晶体在低于其居里温度( 约1 2 1 0 c ) 时呈铁电相，如图4 2 ( a ) 所示。 此时，n b 离子和“离子沿着c 轴同一方向发生微小的移动，n b 离子离开氧八面 体的中心，l i 离子离开氧八面体的公共面，由此造成l n 晶体沿c 轴的电偶极矩， 即所谓自发极化现象1 5 j 。 当晶体的温度高于居里温度时，l n 晶体呈顺电相，如图4 2 ( b ) 所示。l i 离子 位于氧平面，n b 原子则位于两个氧平面的中间，n b 与l i 相距c 4 ，这种排列使 顺电相没有自发极性。在其居里温度( 1 2 1 0 。c ) 以下时，l n 晶体的内部的弹力变为 5 两南大学硕十学何论文第二章铌酸锂晶体的基本结构与性质 主导，迫使l i 、n b 进入新的位置，相对于氧平面的离子移动而产生的电荷分离使 得l n 晶体在低于1 2 1 0 时显示出自发极化性。 l n 晶体的内部结构如图2 2 所示州。铁电相结构，“和n b 沿+ c 发生了位移， 水平代表氧平面；顺电相结构，“在氧平面内，n b 在相邻两个氧平面中间。 土 + c b ) 一 l i qn b o0 o x y g e n p l a n e 图2 2 铌酸锂晶体结构示意图 a ) 铁电相，l i 与n b 沿着+ c 方向发生的位移，水平线为氧平面： b ) j l 页电相，l i 位于氧平面内，n b 位于两个氧平面中间； 2 2 铌酸锂晶体的生长 铌酸锂晶体为l i 2 0 - n b 2 0 5 系晶体，在1 9 3 7 年被s u e 分别用加热方法处理碳酸 锂、五氧化二铌和锂粉的方法以及等摩尔比碳酸锂和五氧化二铌的方法获得r 7 i 。目 前铌酸锂晶体的生长大多采用提拉法( c z o c h r a l s k i ) 【8 j ，它是最为常用的熔体生长 方法之一，理论和实践都比较成熟。我们使用的l n 晶体都是利用提拉法在同成份 比l n 熔体中生长得到的铌酸锂单晶，但在研究中发现l n 晶体的居里温度变化范 围非常大，并且光学性能不均匀，这些现象使得人们意识到提拉法生长的铌酸锂 晶体是非化学计量比，在结构上存在缺陷。生长近化学计量比l n 晶体是人们一直 追求的目标，我国在“十五”期间，“8 6 3 项目指南中特别强调了近化学计量比 l n 晶体及其器件的研究，足可见该材料的重要性。 l n 晶体的性质会随着f n b 的不同而有很大的变化，为了能够生长出具有化 学计量比的l n 晶体，国内外的一些机构进行了大量的研究。日本“国立无机材料 研究所”的k i t a m u r a 等人1 9 使用了双坩埚连续加料技术生长出了化学计量比l n 晶 体；m a l o v i h k o 等人【lo 】使用了助熔剂法同样获得了近化学计量比的l n 晶体；美国 6 一 + 一一 回归露 一 百一 四眇露 两南大学硕十学伊论文第- 章铌酸锂晶体的基本结构与性质 斯坦福大学非线性光学材料中心的研究者们使用气相交换平衡法( v a p o rt r a n s p o r t e q u i l i b r a t i o n ，v t e ) ，克服双坩埚法的缺陷，获得了高光学质量的l n 晶体。其它 生长化学计量比l n 晶体的方法还有富锂法【l l l 、区熔法【12 1 、传质法【1 3 】、底部籽晶 法【1 4 】等。 2 3 铌酸锂晶体的本征缺陷 l n 晶体是一种典型的非化学计量比晶体，其理论上应l i n b = 1 ，但在通常 条件下生长出的晶体在总体上表现为缺l i ，即三，n b n e 一，浅能级是以5 价态存在的，极化子几乎不存 在。在光照作用下，由于双极化子被激发，n b l i 5 + 才直接或间接的俘获电子形成极 化子。由于浅能级具有较小的激活能，极化子的电子很容易被激发，因而，一的浓 度保持很小。随着光强的增加，双极化子激发的电子越来越多，n b l i 5 + 俘获的电子 也越来越多，因而极化子的浓度会逐渐增加。深浅能级之间的相互作用会导致一 个非线性的光电导【1 2 】： 萨咄( 3 1 3 ) 其中n 的表达式是【1 2 1 ： 2 r bn 8 + np n c 2 r bn 8 + n p n c gp n b n c + 2 r pnb 七np n c 去赫牌熹 喜 ( 3 1 4 ) 2 r pnb + np n c )r b r p n 8 + np n c g b = p b + q s s b i ，g p = p p + q e s p iq 1 5 1 对这个方程可以近似地用下式来描述【1 2 】： 仃o ci 。 ( 3 1 6 ) 当光强i = 0 时，由于屏 尾，p 一可以忽略不记。随着光强i 的增加，p 一 也逐渐变大。 1 7 一一 两南大学硕十学位论文 第三章铌酸锂晶体的光电现象与能带输运模型 3 3 本章小结 由上述方程可知，对于纯l n 晶体与l n ：f e 晶体，有很多因素会影响它的光 电现象以及微观的电子迁移，主要包括以下几个方面： 【l 】光强的影响：光强越强会有更多的极化子形成产生更强的光吸收，同时 光强加强后，需考虑双极化子与极化子之间的直接跃迁； 【2 】【l i n b 】l t - , l n 晶体的组分比，决定了晶体本征缺陷的浓度，间接影 响到双极化子与极化子的浓度； 3 】温度的影响：纯l n 晶体中双极化子除了在光照作用下会分离，加热也 会引起双极化子的分离； 【4 】热还原处理的影响：对l n 晶体进行热还原处理( t h e r m a lr e d u c t i o n ) ，会 形成双极化子，但同时反位n b l i 缺陷会减少。因此还原处理对光电现象 和电子迁移的影响应该综合考虑。 1 8 两南大学硕+ 学位论文 第二章铌酸锂品体的光电现象与能带输运模犁 参考文献 【1 】a a s h k i ne ta 1 a p p lp h y sl e t t , 19 6 6 ( 9 ) ：7 2 【2 】e s c h e n ，j l a m a e c h i a , d f r a s e r h o l o g r a p h i cs t o r a g ei nl i t h i u mn i o b a t e a p p lp h y sl e t t 1 9 6 8 ，1 3 ：2 2 3 - 2 2 5 【3 】e s c h e n ，j t l a m a e c h i a , d b f r a s e r h o l o g r a p h i cs t o r a g ei nl i t h i u mn i o b a t e a p p lp h y sl e t t 19 6 8 ，13 ( 7 ) ：2 2 3 - 2 2 5 【4 】d l s t a e b l e r , j j a m o d e i c o u p l e d - w a v ea n a l y s i so fh o l o g r a p h i cs t o r a g ei nl i n b 0 3 j 】a p p l p h y s 19 7 2 ，4 3 ( 3 ) ：10 4 2 10 4 9 5 】a m g l a s s ，d v o n d e rl i n d e ，t j n e g r a n h i g h v o l t a g eb u l kp h o v o l t a i ce f f e c ta n dt h e p h o t o r e f r a c t i v ep r o c e s si nl i n b 0 3 j a p p l p h y s l e t t 19 7 4 ，2 5 ( 4 ) ：2 3 3 2 3 5 【6 】孔世江，张耘，吴论生不同组分铌酸锂晶体的光致吸收研究 j 西南师范大学学报( 自然科学 版) 2 010 3 5 ( 6 ) ：4 3 4 7 7 】n v k u k h t a r e v , v b m a r k o v , s g o d o l o v , e ta 1 h o l o g r a p h i cs t o r a g ei ne l e c t r oo p t i cc r y s t a l 【j 】f e r r o e l e c t r i c s ，19 7 9 ，2 2 ( 4 ) ：9 4 9 - 9 6 0 【8 】8g v v a l l e y s i m u l t a n e o u se l e c t r o n h o l et r a n s p o r ti np h o t o r e f r a c t i v em a t e r i a l s j 】a p p l p h y s ， 19 8 6 ，5 9 ：3 3 6 3 - 3 3 6 6 9 】ej e r m a n n , j o t t e n l i g h t - i n d u c e dc h a r g et r a n s p o r ti nl i n b 0 3 ：f ea th i i g hl i g h ti n t e n s i t i e s j o p t s o c a m b ，1 9 9 3 ，1 l ，1 0 ( 1 1 ) ：2 0 8 5 - 2 0 9 2 1 0 】a a d i b i ，k b u s e ，d p s a l t i s t h e o r e t i c a la n a l y s i so f t w o - s t e ph o l o g r a p h i cr e c o r d i n gw i t h l l i g h - i n t e n s i t yp u l s e s j p h y s r e c a ，2 0 0 1 ，6 3 ：0 2 3 8 1 3 - l - 1 7 【l l 】a l ia d i b i ，k a r s t e nb u s e ，d e m e t r ip s a l t i s t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft w o - s t e ph o l o g r a p h i c r e c o r d i n gw i t hh i 曲- i n t e m i t yp u l s e s p h y s i c a lr e v i e w a 2 0 0 1 ，l ，6 3 ( 0 2 3 8 1 3 ) ：1 1 7 【l2 】k b u s e ，l i g h t i n d u c e dc h a r g et r a n s p o r tp r o c e s s e si np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l si ：m o d e l sa n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d s a p p l p h y s b 1 9 9 7 ，6 4 ：2 7 3 2 9 1 1 9 西南大学硕十学伊论文第四章铌酸钾晶体的光电导研究 第四章铌酸锂晶体的光电导研究 4 1 光电导的理论基础 在l n 晶体光致吸收的过程中，由于晶