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 имени В.И. Вернадского выяснили, какие именно дефекты возникают в кристаллах ниобата лития, легированных магнием — ключевом материале для лазеров, квантовых устройств и систем оптической связи. Результаты опубликованы в журнале Applied Physics A.
Ниобат лития (LiNbO₃), особенно с добавлением магния, широко применяется в оптоэлектронике: он способен преобразовывать оптическое излучение и используется в лазерах, квантовых повторителях и системах передачи данных. Однако при концентрации магния от 5,5 мол. % и выше в кристаллах возникают дефекты, ухудшающие их свойства и ограничивающие коммерческое применение.
Авторы исследования впервые сравнили два метода введения магния в кристаллы. При прямом способе оксиды лития, ниобия и магния смешиваются и спекаются при высокой температуре. Этот метод проще технологически, но может приводить к неравномерному распределению примесей. Гомогенный метод сложнее: магний сначала встраивают в ниобиевую матрицу с помощью золь-гель синтеза, а затем добавляют литий. Такой подход обеспечивает более равномерное распределение магния в кристалле.
Чтобы детально изучить дефекты, исследователи применили ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и инфракрасную спектроскопию. Анализ показал, что в кристаллах как при прямом, так и при гомогенном легировании отсутствует ранее считавшийся типичным антиструктурный дефект NbLi. Вместо него был обнаружен новый тип дефекта — комплекс 2MgLi – 2VLi, в котором два иона магния замещают литий, а два узла решетки остаются вакантными. Кроме того, оказалось, что ионы Mg²⁺ склонны формировать стабильные кластеры с атомами ниобия. Эти данные подтвердили измерения ИК-спектроскопии, выявившие изменения в локальной химической структуре материала.
Работа показала, что ЯМР-спектроскопия позволяет эффективно изучать дефекты даже в материалах с легкими атомами, такими как литий, которые сложно обнаружить традиционными методами. Кроме того, исследование доказало, что гомогенный способ легирования обеспечивает более однородную структуру кристаллов даже при высоких концентрациях магния.
Эти результаты важны не только для фундаментальной науки, но и для высокотехнологичных отраслей. Понимание природы дефектов и способов их контроля позволит создавать материалы с заданными свойствами для лазеров, квантовой криптографии, терагерцовой спектроскопии и LiDAR-систем беспилотников. Уже сейчас легированный магнием ниобат лития применяется в экспериментах по передаче квантовой информации и в медицине для анализа сложных молекул.
Источник: Минобрнауки РФ
