Materialmodifikationen in Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Kristallen durch Ionenbestrahlung

Abstract

Die künstlich hergestellten Kristalle Lithiumniobat (LiNbO₃) und das eng verwandte Lithiumtantalat (LiTaO₃) sind bewährte Ausgangsmaterialien zur Herstellung aktiver und passiver Bauelemente, die Licht führen, verstärken, schalten und verarbeiten können. Hierfür ist es oft notwendig, den Brechungsindex des Substrats gezielt beeinflussen zu können, was neben anderer Methoden auch durch Bestrahlung der Materialien mit schnellen leichten Ionen möglich ist.<br /> Im Rahmen dieser Arbeit werden Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Kristalle mit Alphateilchen, ³He-Ionen, Deuteronen und Protonen bei Projektilenergien von bis zu 14 MeV/Nukleon bestrahlt. Energie und Kristalldicke sind dabei so gewählt, dass die Projektile die gesamte Probe durchdringen und nicht implantiert werden. <br /> Alle für die unerwünschte, durch die Bestrahlung entstehende, nukleare Aktivierung der Kristalle verantwortlichen Isotope sind relativ kurzlebig und insgesamt nimmt die Aktivierung schnell genug ab, um nach einer Lagerfrist von einigen Tagen bis wenigen Wochen den gefahrlosen Umgang mit den bestrahlten Proben zu ermöglichen.<br /> Die in Lithiumniobat und Lithiumtantalat durch die Bestrahlung mit den verschiedenen Projektilen erzeugten Brechungsindexänderungen werden interferometrisch bestimmt und können durch geeignete Wahl der Probengeometrie auch in Abhängigkeit von der Ioneneindringtiefe gemessen werden: In LiNbO₃ nimmt der ordentliche Brechungsindex ab, der außerordentliche nimmt gleichermaßen zu. In LiTaO₃ senken sich durch die Bestrahlung sowohl der ordentliche als auch der außerordentliche Brechungsindex ab; die ordentliche Brechungsindexänderung fällt dabei um ein Vielfaches stärker aus als die außerordentliche. Es besteht für beide Kristallsysteme eine enorme Langzeitstabilität bei Raumtemperatur: Auch nach bisher elf (LiNbO₃) bzw. drei (LiTaO₃) Jahren ist noch keine Abnahme der ionenstrahlinduzierten Brechungsindexänderung zu beobachten.<br /> Die ionenstrahlinduzierten Brechungsindexänderungen sind wahrscheinlich die Folge von atomaren Verlagerungen wie z. B. Leerstellen, Fehlstellenclustern oder „latent tracks“. <br /> Eine Erklärung für das unterschiedliche Verhalten der Brechungsindexänderungen nach Bestrahlung von LiNbO₃ und LiTaO₃ liefert folgendes Modell: Die durch Effekte wie Volumenzunahme, Änderung der molaren Polarisierbarkeiten und Abnahme der Spontanpolarisierung hervorgerufenen Brechungsindexänderungen heben sich teilweise gegenseitig auf, sodass die Änderung von ordentlichem und außerordentlichem Brechungsindex in LiNbO₃ nur zufällig betragsmäßig gleich ausfällt. In LiTaO₃ genügt der kompensierende Anteil im Normalfall nicht, um eine positive Änderung des außerordentlichen Brechungsindexes hervorzurufen.