The Growth of $MgO:LiNbO_3$ Single Crystal by Czochralski Method and its Density Measurement

Czochralski법에 의한 $MgO:LiNbO_3$단결정 성장과 밀도 측정

Single crystals of LiNbO3 have found extensive application in electro-optic and nonlinear optic devices. However, laser-induced refartive index inhomogeneities, which have been labeled opical damage impose limits on device optical damage in LiNbO3 is imporved if more than 4.5 rml% MgO is added to the melt The laser damage thrueshold increased as much as 100 times better then that of undoped crystals. The MgO doped cystal has thus been urterlsiv81y studied since then. In the study, Mgo:LiNbOs(MLA) single crystals dopsd with 0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 mol% MgO have been grown by the czocrualski technique. The metls were prepared in the platinum crluible and 15∼20mm diameter crystals were grown with a length of 20∼30mm in a resitance heater. The growth rate was 2.5mm/hr, the rotation speed 15rpn. Before sawing MLN single crystals were annealed for 24 hours under atmosphere at a temperature of 1080℃. After sawing, we have found an annual ring cross section of MNA crystals only in the direction of perpendicilar to the c-axis. Nonuniform dispusion of MgO was pointed out that the cuties of the state of oxide were strongly affected by oxygen partial pressure in.

Lithium niobate(LiNbO3) 단결정은 유전성, 압전성, 초전성, 비선형 광학 및 선형 전기광학 물질로서 다양한 응용 성을 가지고 있으므로 전기와 광학장치로 널리 사용되어지고 있다. 그러나 LiNbo3 단결정이 레이저를 이용한 광학장치로 응용될 때 레이저광의 세기에 따라 상굴절(ne)과 이상굴절(no)이 불규칙하게 변하는 장손상이 발생하여 비선 형 광학소자로의 이용에 한계가 있음이 밝혀졌다. 1980년 Zhong등이 LiNbO3에 MgO를 4.5mol% 첨가한 MgO:LiNbO3단결정을 성장시켜 물성을 조사한 결과 광손 상이 현저하게 감소된다고 발표한 후 이 분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 순수한 LiNbO3 단결정의 최적 성장조건인 congrugnt한 LiNbOs(Li/Nb=0.486)에 MgO를 0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 mol% 첨가시킨 MgO:LiNb03 단결정을 Czochalski법으로 성공적으로 성장시켰다. 결정성장은 성장온도 1250℃ 근방에서 회전속도 15rpm 인상속도 2.85 ∼3.25 mm/hr로 하였으며 냉각율은 30℃/hr이다. 성장시킨 단결정의 X-ray 회절실험과 편광현미경의 conoscope상 관찰로 양질의 MgO:LiNbO3 단결정이 성장되었음을 확인하였다. c축에 수직되게 절단한 c-pltae 시료 중 MgO가 첨가된 MgO:LiNb03 시료에서 나이테 형태의 둥근 원무늬가 나타나고 있다. 이 현상은 결정성장시 공기 중의 산소분압에 의해 MgO:LiNbO3 의 용융상태에서 MgO가 균일하게 분포되지 못하기 때문에 나타난 것으로 해석 된다. MgO 첨가량에 따른 MgO:LiNbo3 단결정의 결정 결함 구조를 조사하기 위하여 밀도측정을 하였다. MgO:LiNbO3 단결정의 밀도는 MgO론 2.5mol% 첨가한 시료에서 감소 하다가 5.0mol% 첨가한 시료에서 다시 증가하였으며 5.0mol%이상에서는 다시 감소하였다. 이 실험결과로 MgO 첨가량에 따른 결정 결함구조를 점 결함 모형 (point defect medel)으로 해석하였다.