Способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах

Ы 2178232 СОВЕТСК ОЮЗ их ООИАЛИСТИЧЕСКИХ ЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) 8 0 ТНО ИЗОБРЕТЕНИЯ ОПИСАНК ПАТЕНТУ нный универолесников- и986,(., НоодгарЫссгуза з,-Арр.р, 540,Изобретение относйтся к области интег- . . :Также известен способ изготовления ральной оптики и может быть использовано перйодических структур на кристэлличев оптоэлектронных устройствах, в частно ской подложке, заключающийся в записи сти; в модуляторах и преобразователях ла- объемных фазовых голограмм при помощи зерного излучения.. традиционной экспонирующей системы. Затем селективным травлением получают пряИзвестен способ получения периодиче-. моугольный профиль штрихов ских структур на кристаллической подлож-дифракционной решетки, который последуке, Он заключается в организации двойныхющим травлением сглаживается до выпукэлементов, которые регулярно устроены и ло-вогнутого вида.включают выпуклые и вогнутые участки,Недостатком данного способа является имеющие различные толщины, и изготовле- сложность технологии получения периодины из материалов с различным показателем ческих структур на кристаллической подпреломления; Однако в качестве подложкиложке йутем созданйя выпукло-вогнутого в данном способе используют полупровод- профиля ее поверхности, что сопряжено с никовые кристаллы достаточного низкого серией операций селективного травления оптического качества, вырэщивэнйе кото- объемной фазовой голограммы, записанной рых представляет довольйо сложную доро-: в полупроводниковом кристалле,. гостоящую операцию, К тому же технология . Кроме того. данные периодические приготовления периодических структур на структуры обладают относительно невысоих основе страдает вынужденной трудоем- . кими оптическими характеристиками, прикостью, : . водящими, в конечном счете, к бд Ы Од(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРИОДИ.ЧЕСКИХ СТРУКТУР. НА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ(57) Сущность: сегнетоэлектрический кристалл экспонируют интерференционной картиной, образованной когерентйыми пучками, и нагревают егодо 160-180 С. Далее криСталл охлэждаЮтдо комнатной температуры, облучают Уф-светом дозой облучения 0,24-0,9 кДж/см и помещают в расплав монокарбоновой кислоты, Кристалл выдержйвают в расплаве 50-300 мин, В приповерхностном слое кристалла получают амплитудно-фазовую голограмму. 4 ил., 1 табл.значительному паразитному рассеянию иуменьшению контрастности в результирующих оптических сигналах (при использовании их в преобразователях лазерногоизлучения и других устройствах нелинейнойоптики),Наиболее близким к предлагаемомуспособу является способ изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах. заключающийся в записиобъемных фазовых голограмм путем экспонирования поверхности кристалла интерференционной картиной, образованнойкогерентными пучками, и в последующемтермическом фиксировании записанных голограмм с помощью нагрева кристалла до.120 - 300 С.Недостатком известного способа является весьма низкий контраст получаемыхпериодических структур, т.е. отличие в оптических параметрах, между обьемом кристалла и областями кристалла,соответствующими штрихам фиксированной голограммы, незначительно. Тэк для показателя преломления это различиесоставляет Л и ( 10, а для других оптических параметров различие еще менее значительно, т.к, фиксированная голограммаявляется фазовой,Кроме того, данные периодическиеструктуры имеют узкий круг областей применения, Они используются для записи,хранения и распознавания оптической информации и не могут быть использованы вмодуляторах и преобразователях лазерногоизлучения, в интегрально-оптических устройствах на основе канальных и планарныхволноводов из-за принципиальных ограничений, связанных с низким контрастом иневозможностью выделения приповерхностного слоя,Таким образом, целью изобретения является получение периодических структур. на сегнетоэлектрических кристаллах с повышенным контрастом, обеспечивающимрасширение области применения этихструктур.Использование способа позволит повысить оптический контраст получаемых периодических структур по сравнению .спрототипом в 100 раз. Так предлагаемыйспособ позволяет реализовать Л и/и= 0,1,тогда как известный способ дает толькоЛйlп (.10 . Кроме того. предлагаемыйспособ позволит расширить область применения данных периодических структур, т,к,повышенный контраст и возможность выделения приповерхностного слоя создают новые возможности использования этих10 15 структур в модуляторах и преобразователяхчастоты лазерного излучения (генераторы второй гармоники, параметрические генераторы), основанных на волновом квазифазовом синхрон изме и винтегрально-оптических устройствах на основе канальных и планарных волноводов.Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа изготовления периодических структур на сегнетоэлектрических кристаллах, включающего экспонирование поверхности кристалла интерференционной картиной; образованной когерентными пучками и термическое фиксирование голограммы, голограмму фиксируют в приповерхностном слое кристалла при 160-180 С, охлаждают его до комнатной температуры, облучают Уф-светом дозой излучения 0,24-0,9 кДж/см, по 2 20 мещают в расплав монокарбоновой кислотыи выдерживают в нем в течение 50 - 300 мин,При. записи обьемных фазовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах на периферии освещенных участков интер ференционной картины образуются области с повь 1 шенной концентрацией электронов за счет их диффузии под действием локальных полей (фиг, 1.б,), что влечетза собой изменение показателя преломле ния в освещенной области (фиг, 1.в.), Нагревая образец до 160-180 С (фиг, 2,а.), увеличивают коэффициент диффузии протонов(для электронов это изменение незначительно), что приводит к компенсации 35 избыточного отрицательного заряда на пе риферии освещенных областей кристалла (фиг. 2.б,) и, следовательно, к повышению концентрации протонов в данных областях (фиг. 2,в.). Последующее облучение кристал ла дозой УФ-излучения (фиг, З.а.),лежащейв пределах 0,24 - 0,9 кДж/см при комнатной2температуре приводит к возбуждению только электронов и возрастанию коэффициента диффузии для них в приповерхностной об ласти и -1 мкм. Следствиемэтого являетсявыравнивание профиля концентрации данных носителей в приповерхностной области кристалла (фиг, З,б,), Профиль концентрации протонов остается прежним, Теперь фа 50 зовая голограмма обязана своимсуществованием периодическому распределению более массивных носителей заряда - протонов, для которых коэффициент диффузии гораздо меньше, чем для электро нов и голограмма "живет" более длительноевремя, чем время, необходимое для работы ОЗУ. Для получения стабильной (живущей несколько лет), контрастной периодической структуры, полученную "протонобусловленную" фазовую голограмму обрабатывают врасплаве монокарбоновой кислоты, В качестве активной среды может быть взята любая монокарбоновая кислота (оксинафтойная, пальмитиновая, бензойнаяФ и др.), служащая источником ионов Н для топотактической реакции протонного заме,+ +щения О =Н, которая преимущественно протекает в областях с повышенной концентрацией протонов (по эстафетному характеру). Следствием этого является дальнейшее увеличение концентрации протонов в вышеупомянутых областях. Сегнетоэлектрический кристалл имеет октаэдрическую симметрию, в его структуре атомы Ы занимают такие позиции внутри кислородных октаэдров, что образуются прямолинейные цепочки - "капилляры" для проникновения атомов водорода в направлении близком к оси Е кристалла. Тем самым создаются благоприятные условия для протонного обмена в направлении этих "капилляров, при условии, когда часть атомов 0 уже замещена протонами, За счет эстафетного замещений О - Н структура кристалла в данных областях претерпевает настолько существенное изменение, что можно говорить об образовании новой фазы (фиг. 4.в.) или создании дискретной структуры протон-зэмещенного . слоя. В результате получают жесткую периодическую структуру в приповерхностной области кристаллов с чередованием областей различного фазового состава, имеющих большой оптический контраст (по показателю преломления Л пlп= 0,1; по коэффициенту поглощения Лага=0,02),При нагревании кристаллов до температуры ниже 160 С коэффициент диффузии для протонов еще мал и не обеспечивает эффективной компенсации избыточного отрицательного заряда за счет миграции Н, При увеличении температуры выше 180 С происходит эффективная Фиксация голограммы, однако за счет дрейфа главным образом ионов, Я 1 и кислородных вакансий, что делает невозможным осуществление способа. т.к. основной целью термической фиксации, как одной из операций нашего способа, является создание обла+ стей с повышенной концентрацией Н, Для проявления фазовой голограммы после термической фиксации обычно применяют некогерентное освещение. Однако известен характер зависимости квантового выхода Фотовозбуждения электронов от длины волны падающего излучения, который указывает . на резкое увеличение фотогальванического тока при уменьшении длины волны от 0,5 до 0,4 мкм. Поэтому предлагается испольэовать для проявления термически фиксированных обьемных фаэовых голограмм в сегнетоэлектрических кристаллах УФ-излучение с Л 0,3 - 0,4 мкм.Другим доводом в пользу данного предло 5 женияявляется факт возрастания коэффициента поглощения монокристаллов ОИЬОз и ОТаОз при уменьшении Л излучения. Таким образом, эффективность УФ-облученияувеличивается зэ счет практически полной10утилизации его энергии уже в приповерхностном слое кристалла за счет большого. когэффициента поглощения й =10 - 10 смНеобходимое количество энергии для полного проявления объемной фазовой голо 15 граммы в ее приповерхностной областиобусловлено концентрацией электронов,локализованных на периферии освещенныхучастков интерференционной картины приее записи. Нижний предел дозы (0,2420 кДж/смг) выбирается достаточным, чтобыдля приповерхностной области кристаллауничтожение "электронной" голографической решетки было полным, Верхний предел дозы (0,9 кДж/см ) выбран изг25 соображений разумной достаточности, чтобы не записать с помощью УФ-облученияшумовую голографическую решетку.Способ осуществляется следующим образом.30 В сегнетоэлектрическом кристалле записывают обьемную фазовую голограмму,применяя оптическую экспонирующую систему (фиг, 1.а), включающую в себя делительную пластину 1, два зеркала 2. 3,35 транспарант 4 для изменения периода голографической решетки кристалла 5, В качестве источника монохроматическогоизлучения используют лазер, работающий внепрерывном режиме,40 Затем кристалл 5 нагревают в муфельной печи до 160180 С (фиг. 2, А) и в ней жеохлаждают до комнатной температуры,После этого (фиг, 3, а) при помощи ртутной лампы 6, снабженной специальным45 фильтром 7, пропускающим в областиЛ=ЗООнм, облучают кристалл 5 УФ-светом дозой 0,24-0,9 кДж/см . Далее кригсталл обрабатывают расплавоммонокэрбоновой кислоты в муфельной печи,50 время и температура обработки для каждойкислоты выбираются исходя из оптимальной глубины протонирования (фиг, 4.а.), Наличие периодической структуры, еекачество фиксируется и измеряется при экс 55 понировании в голографической схеме(фиг.. 1,а). Глубина протонирования контролируется с помощью ИК-спектроскопических методов исследования (ИК-отражения),Оптическое качество полученной периоди1782323 Доза облучения, кДж/см 2 Глуби па протонир"я, мкм Температура расплаваа,С Кислота Времяпрото"нирования,минТемпература на" грева С Опыт Кристалл Бензойная 70С Н 5 СООН 1 ПластинаиНЬО,2 - срез 200 1,4 0,24 160 200 1,5 ОксинафтойнаяС 1 О Н ОНСООНГлутаровая 80НО С- (Сн),СОН 0,57 2 Пластинаитао,2 - срез 220 1,6 180 0,9 3 ПластинаЬ 1 МЬ 032 - срез 0,9 Пластина1.1 ТаО,2 - срез 250 160 Адипиновая 300 Н,С- (СН,), СО,Н 5 ензойная 60Свн 5 СООН 249 1,2 180 5 Пластина11 НЬО2 - срез Стеариновая 250 (октодекановая)Снз(СНд) 1 СОН Пальмитино ваяСН; (СН,) СООН 160 6 ПластинаитаОЗ2 - срез 0,6 230 1,2 170 220 1,4 0,7 7 Пластина 11 ИЬО 1 2 " срезческой структуры определяютиз измерений ее дифракционной эффективности с помощью голографической экспонирующей системы,П р и м е р 1, В качестве сегнетоэлектрического кристалла берут пластину Е-среза ниобата лития (1 11 КЬОэ), записывают объемную фаэовую голограмму. Затем кристалл нагревают в муфельной печи до 160 С, охлаждают до комнатной температуры, облучают УФ-светом дозой 0,24 кДж/см и помещают в расплав чистой бензойной кислоты, где кристалл выдерживают при температуре 200 С в течение 70 мин.П р и м е р 2. В качестве сегнетоэлектрического кристалла берут пластину Е-среза танталата лития1 ТаОз), а в качестве кислоты - оксинафтойную (С 1 ОНбОНСООН). Для достижения глубины приповерхностной периодической структуры в 1,4+0,2 мкм требуется обрабатывать кристалл кислотой в муфельнойпечи при температуре 200 оС в течение 50 минут, Остальные операции теже.Другие примеры осуществления способа сведены в таблицу,5 Формула изобретенияСпособ изготовления периодическихструктур на сегнетоэлектрических,кристаллах путем экспонирования поверхностикристалла интерференционной картиной,10 образованной когерентными пучками, термического фиксирования голограммы, о тличающийся тем,что;сцельюповыше.ния контраста периодических структур ирасширения класса решаемых задач, фикси 15 руют голограммы в приповерхностном слоекристалла, нагревая его до 160-180 С, затем охлаждают его до комнатной температуры, облучают УФ-светом дозой излучения0,24-0,9 кДж/см, помещают в раствор мо 220 нокарбоновой кислоты и выдерживают в течение 50-300 мин,)г,4 Составитель С. КострицкийТехред М.Моргентал Корректор Н.Слабодяни дакто зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 4292 ТиражПодписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5