Российские ученые раскрыли природу дефектов в кристаллах ниобата лития
Ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН совместно с коллегами из Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского выяснили, какие именно дефекты возникают в кристаллах ниобата лития, легированных магнием — ключевом материале для лазеров, квантовых устройств и систем оптической связи.
Материалы на основе легированных магнием монокристаллов ниобата лития (LiNbO3) способны преобразовывать оптическое излучение и потому широко используются в современных оптических устройствах — лазерах, квантовых повторителях и системах передачи данных. Добавление магния меняет структуру кристалла и, соответственно, его свойства. Однако, когда концентрация примеси достигает или превышает 5,5 мол. %, возникает большое количество дефектов, которые сильно ограничивают коммерческое использование материала.
Авторы исследования выявили, как метод легирования влияет на структуру дефектов. Для этого они сравнили два подхода. Первый — прямой метод, при котором оксиды лития, ниобия и магния смешивают и спекают при высокой температуре. Этот способ прост, но может приводить к неравномерному распределению магния. Второй метод — гомогенный — оказался сложнее, но точнее. Сначала исследователи синтезировали прекурсор Nb₂O₅:Mg с помощью золь-гель технологии, которая обеспечивает равномерное распределение магния в ниобиевой матрице, и только потом добавляли литий.
Чтобы «увидеть» атомные дефекты, ученые использовали ЯМР- (ядерный магнитный резонанс) и ИК- (инфракрасную) спектроскопию. Эти методы позволили проанализировать кристаллы с концентрацией магния 6,0 мол. % (прямое легирование) и 5,54 мол. % (гомогенное легирование). Результаты удивили исследователей: в обоих случаях отсутствовал антиструктурный дефект NbLi, ранее считавшийся типичным для таких материалов. Вместо этого ученые обнаружили новый тип дефекта: комплекс 2MgLi – 2VLi, где два иона магния замещают литий, а два узла решетки остаются вакантными. Кроме того, выяснилось, что ионы Mg²⁺ предпочитают «прикрепляться» к ниобию, формируя стабильные кластеры. Эти данные согласуются с результатами ИК-спектроскопии, подтвердившей изменения в локальной химической среде.
Исследование подтвердило, что ЯМР-спектроскопия — хороший инструмент для изучения дефектов, особенно в материалах с легкими атомами, такими как литий, которые сложно детектировать традиционными методами. Более того, работа доказала, что гомогенный метод легирования позволяет получать более однородные кристаллы даже при концентрациях магния, близких к пороговым. Это открытие важно для производства периодически поляризованных кристаллов, где однородность структуры определяет эффективность преобразования лазерного излучения.
По мнению ученых, понимание связи между методом синтеза и дефектной структурой поможет создавать материалы с заданными свойствами для квантовой криптографии, терагерцовой спектроскопии и LiDAR-систем беспилотников. Уже сейчас ниобат лития с магнием используется в экспериментах по передаче квантовой информации и анализу сложных молекул в медицине.