LiNbO₃ 섬유상 단결정의 성장과 폴링에 관한 연구

Abstract

Micro-pulling down (μ­PD) 장치를 이용하여 공융 조성 및 화학양론 조성의 LiNbO₃ (LN) fiber 단결정을 성장하였다. 성장 시 seed는 Pt­wire, LN wafer (a축, c축) 및 4MgO­LN crystal (c축) 을 사용하여 10～130 ㎜/hr 성장속도로 직경 1.0～1.5 ㎜, 길이 15～120 ㎜ 의 LN fiber 단결정을 얻었다. 성장된 단결정의 열응력을 제거하기 위해 1050 ℃, 1시간 동안 열처리 하였고 연적색 색깔에서 연노랑 혹은 무색투명하게 변하였다. 성장된 단결정의 poling 온도에 따른 미세구조와 광 특성변화를 알아보기 위해 DC 5 V/㎝에서 1050 ℃, 1075 ℃ 및 1100 ℃ 조건으로 poling 하였다. 화학적 식각을 통해 표면 미세구조 관찰 결과 모든 시편에서 positive 면 (001)에 삼각형의 식각형태가, negative 면 (□)에는 삼각형의 hillock 모양이 형성 되었고, 그 중 1075 ℃ 조건으로 poling 한 시편에서 negative 면 (□)에 무수히 많은 hillock 형태가 관찰되었다. 광 투과율 측정에 의한 흡수단 해석에서 성장속도가 느린 단결정일수록 장파장 쪽으로 이동하여 조성변화가 생겼음을 알 수 있고, poling 온도에 따른 흡수단의 차이는 보이지 않았다. 성장된 단결정의 seed별 growth ridge 관찰에서 Pt­wire와 LN wafer (a축, c축)로 성장시킨 단결정은 2개, 4MgO­LN crystal(c축)을 이용해 성장시킨 단결정은 3개의 growth ridge가 관찰되어 LN wafer (c축)을 제외한 나머지에서 seed 축방향에 따라 fiber 단결정이 성장되었다. 이는 편광현미경을 이용한 conoscope 간섭상 관찰 결과와 일치한다. LN fiber 단결정의 구간별 Curie temperature (T_(C)) 측정을 통해 성장이 진행됨에 따라 Curie temperature가 감소함을 확인하였다. 이는 성장 중 Li₂O의 감소로 인해 결정내 조성변화가 발생한 것으로 여겨지며 앞서 성장속도가 느릴수록 즉, 성장 시간이 길어질수록 흡수단이 장파장 쪽으로 이동한 결과와 일치한다. 그리고 Curie temperature 값을 통해 Li/Nb 조성비를 산출하였고, 성장이 진행됨에 따라 선형적인 조성비 감소가 발생함을 확인하였다. DC 5 V/㎝-1075 ℃ poling 조건에서의 fiber 단결정이 가장 높은 capacitance 값을 나타내었다. Poling을 한 시편들은 모두 poling 전보다 높은 capacitance 값을 나타냈으며 이는 poling 공정으로 결정내 분극화가 일어났음을 보여주는 동시에 실험조건 중 DC 5 V/㎝ 조건에서는 1075 ℃ 로 poling 하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다.; Congruent or stoichiometric composition LiNbO₃ single crystal fibers were grown by micro-pulling down (μ­PD) apparatus. The size of the grown crystals were 1.0～1.5 ㎜ in diameter and 15～120 ㎜ in length. Heat treatment was applied at 1050 ℃ for 1 hr in order to remove a thermal stress from crystal fibers. Transparent or red crystal fibers became to be yellowish or colorless after heat treatment. The positive phases (001) of all crystal fiber have a triangular etch pits and negative phases (□) have a triangular hillocks. Especially, negative phases (□) after poling at 1075 ℃ have many triangular hillocks. It was found that the single crystal fibers have a red shift and their composition changed with lowing growth rate by measuring optical transmittance. The absorption edge was not influenced by poling temperature. Single crystal fibers which, were grown by Pt­wire, LiNbO₃ wafer seed (a or c-axis) or 4MgO­LN crystal seed (c­axis), have each 2 or 3 ridges. Crystal fibers were grown with the direction of seed except LiNbO₃ wafer seed (c­axis). It was similar to the result of the conoscope by polarization microscope. As crystal grow, Curie temperature (T_(C)) decreased. And the composition of crystal fibers changed by Li₂O decrease. Curie temperature analysis confirms that composition of crystal fibers were reduced during crystal growth. Single crystal fiber with poling condition at 1075 ℃ during DC 5 V/㎝ is the best capacitance. All crystal fiber have a high capacitance after poling process. Eventually the best poling temperature is 1075 ℃ in DC 5 V/㎝ condition.