Исследователи из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН в соавторстве с коллегами из Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского провели эксперименты по легированию ниобата лития магнием. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics A.
Монокристаллы ниобата лития, легированные магнием, активно применяются в современной оптике. Они используются в лазерах, квантовых повторителях, системах передачи данных — благодаря способности изменять характеристики светового излучения. Введение магния меняет внутреннее строение кристалла и, следовательно, его оптические свойства. Проблема состоит в том, что при концентрации магния в 5,5 % или больше в кристалле образуется много дефектов, что делает материал менее привлекательным для промышленного применения.
Ученые выяснили, как разные способы добавления магния влияют на дефекты в кристалле. Они сравнили два метода — простой и сложный. Простой метод заключается в смешивании и нагревании оксидов лития, ниобия и магния, но он может привести к тому, что магний распределится в кристалле неравномерно. Сложный метод точнее — сначала создается специальное вещество с равномерно распределенным магнием внутри ниобия, используя золь-гель технологию, и только потом в соединение добавляется литий. Это позволяет добиться более однородного распределения магния.
Чтобы разглядеть дефекты на уровне атомов, исследователи применили методы ядерного магнитного резонанса и инфракрасной спектроскопии. Они изучили кристаллы с содержанием магния 6% (полученные простым способом) и 5,54% (полученные сложным способом). В соединении был найден новый дефект — комплекс, где два иона магния занимают места лития, а два места лития остаются пустыми. Кроме того, выяснилось, что ионы магния стремятся образовывать устойчивые группы. Полученные данные подтвердились и с помощью инфракрасной спектроскопии, которая показала изменения в химическом окружении атомов.
Эксперименты показали, что метод ядерного магнитного резонанса хорошо подходит для изучения дефектов, особенно в материалах, содержащих легкие атомы, такие как литий, которые трудно обнаружить обычными способами. Кроме того, работа доказала, что более сложный, гомогенный метод добавления магния позволяет создавать кристаллы с более равномерным распределением магния, даже когда его концентрация близка к предельной. Это важно для создания кристаллов с периодически изменяющейся поляризацией, где однородность структуры напрямую влияет на то, насколько хорошо они преобразуют лазерный свет.
Исследование имеет не только научное, но и практическое значение. Так, ниобат лития с магнием уже сейчас используется в экспериментах по передаче квантовой информации и для анализа сложных молекул в медицине. В будущем планируется использование этого материала и в других сферах.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как образуются химические связи.