1钽铌酸钾锂

钽铌酸钾锂晶体

光学王磊13S011062

KTN晶体是具有优良光折变性能的材料之一，其居里温度随Nb浓度的增加而增加，通过调整钽铌比，可以改变其居里温度，在室温下得到立方相(m3m)、四方相(4mm)、正交相(mm2) 的晶体。它在居里温度附近的顺电相时表现出很大的二次电光系数，并取得近于理论限的光折变灵敏度。由于KTN晶体对杂质的敏感性，使得在KTN中掺入少量“离子以后，可以显著的提高其铁电顺电相变的温度，同时表现出特殊的相变特性。

而KLTN（钽铌酸钾锂）晶体是一种新的光折变材料，与KTN晶体一样在顺

电相下具有很大的二次电光系数，通过外加电场可以控制其光折变效应，显现很好的光折变性能，具有衍射效率高、介电响应速度快(几个纳秒)等优点，是目前用作电控光折变器件的理想材料。电控全息技术在光通信领域可实现光交叉互连、波长选择光开关，具有交换速度快、大容量、低损耗、透明等特点，被认为是未来光开关发展的主导方向之一。基于顺电相电控光折变效应的光束控制技术，通过外加电场来控制在晶体内部重建光折变全息光栅的光学全息衍射元件，将会对光学信息存储带来很大的推动。

1.KLTN晶体的生长

钽铌酸钾锂单晶属立方钙钛型结构，m3m点群，Pm3m空间群，在晶胞中，K 和Li原子占据钙钛矿结构的A位置，Ta和Nb离子占据B位置。具体结构如图所示：

顶部籽晶助熔剂生长法：它是熔体生长提拉技术与助熔剂高温溶液生长方法的巧妙结合。把籽晶固定在籽晶杆的下端，缓慢地下降到液面上空，使其预热一段时间，待籽晶温度与溶液大体相等时，即可将籽晶降到与坩埚中的饱和溶液液面接触。然后再将溶液缓慢冷却，同时也可缓熳地向上提拉籽晶。

基本装置如下所示：

（1）籽晶的获得

将原料按化学配比称量并充分混合后，放入坩埚中，在化料炉中化料，并在高温下恒温一段时间。然后将盛满原料的坩埚放入单晶炉中，升温至13500C，恒温一段时间，使熔体充分混合。降低籽晶杆，使铂金丝接触液面。由于铂金丝的导热性很好，所以在铂金丝表面可以形成很高的温度梯度，导致过冷，使熔体在铂金丝上自发成核，形成多晶。继续缓慢降温，使多晶颗粒长大。再升温，使小块晶粒熔化，保留较大块晶粒。然后降温，使大块晶粒继续生长到足够做籽晶的大小。之后将多晶块提出液面，降温至室温，取其中较大块且形状单一的单晶块作籽晶。由于生长速度过快，这块籽晶中一定含有大量缺陷，在晶体生长过程中，这些缺陷都会继承到生长的晶体中去。

（2）单晶的生长

在生长出的KTN晶体上，沿(100)方向切下约15mm的长条状晶体作为籽晶。原料

放入坩埚经化料后，将坩埚放入单晶炉加热至熔点以上100℃，恒温12小时，使原料混合均匀。将温度降至凝固点附近，将籽晶缓慢下降，直至接近液面。当籽晶与溶液温度相近时，使籽晶接触液面，并调整温度，使籽晶既不长大也不缩小。以O．3℃／h缓慢降温，籽晶的转速为20r／min，温度梯度约为50℃／cm，直至晶体开始生长。继续以O．30℃／h缓慢降温，并且观察，可以清晰的看到液面

下方形的晶体。当晶体生长到合适的大小，开始以小于O．3mm／h的速度提拉。当晶体长到足够大时，将晶体提出液面，并以50℃／h缓慢降温，进行退火。生长出的晶体横截面为正方形。

(3) 工艺条件

提拉法生长单晶的工艺条件非常关键，包括炉子热环境、周围气氛、原料纯度、提拉速率、晶体转速、冷却速率和材料的挥发等因素。这些因素相互联系而又相互制约，很难得出一些定论来普遍指导晶体的生长。因此，要生长高质量单晶就要靠大量实验摸索研究，积累丰富经验。在晶体生长过程中，主要控制的是温度梯度、提拉速率和晶体旋转速度这三个参数。

温度梯度在界面形成过冷温度是结晶的驱动力。通常采用后热器来形成稳定温场。为了减小晶体的热应力和不出现组分过冷，应增加液面下的温度梯度，减少液面上的温度梯度。生长过程中，随着坩埚液面的下降，坩埚壁逐渐裸露出来，使熔体表面温度升高，熔体内温度下降。等径生长时要采取逐步降温的措施，尤其是生长的中后期，否则晶体直径就会减小。

晶体轴向生长速率包括机械引上速率和液面下降速率两部分。由上述讨论可知，为克服组分过冷带来的缺陷，通常采取降低生长速率的方法。与熔体法相比，我们在生长过程中加入过量的K20作助熔剂，使高温溶液中其它溶质组分浓度相对降低。因此，随着助熔剂含量的增加，生长速度要随之减缓。

晶体转动有利于熔体成分的均匀化，但也增加了液面的不稳定性。转速较低时，熔体中以自然对流为主，其方向为沿坩埚壁上升至液面后流向坩埚中心；当转速大于临界值，熔体中以从中心流向坩埚壁的强迫对流为主，当转速过快，强迫对流把坩埚底部的热量带到界面处，长出的晶体又被熔化。所以，控制转速也是控制晶体直径的一个方法。转速快，直径将缩小；转速慢，直径将扩大。通常下籽晶时，晶体直径较小，对液面形状影响不大，转速可以较大，实验中转速为25

转／分。开始生长后，随晶体直径增大，其旋转会使液面变成凹界面，不利于高质量单晶的生长。为保持平界面生长，生长后期就要适当地降低转速。

2.KLTN晶体的结构和光学性质

(1). 长出的Ⅺ心晶体属立方晶系，晶格常数为a=3．9877A。

(2). 卢瑟福背散射／沟道实验得到沟道最小产额Xmin=2．2％，表明KLTN晶体结晶品质接近完美晶体。

（3）.紫外一可见一红外光谱实验得出，KLTN晶体本征吸收边在384m附近，带隙Eg=3．23eV，掺入cu离子对吸收边影响很小。在吸收边附近吸收系数表现出指数型带尾，掩盖了电子带间跃迁的本质。

(4). 对KITN：cu晶体进行了全息存储应用方面的初步研究，发现633nm的写入光即可在晶体中记录体全息光栅。在读出时，外加电场对衍射效率影响显著，实验上得到的最大衍射效率为3．78％。