Оптические исследования. 
Особенности выращивания номинально чистых и легированных неодимом монокристаллов вольфрамата стронция

Авторами [9,10] показано, что для вольфраматов и молибдатов щелочноземельных металлов со структурой шеелита наиболее эффективным способом легирования трехзарядными ионами редкоземельных элементов является параллельное замещение, когда Ln3+ замещает щелочноземельный металл с зарядом 2+, а шестизарядный катион замещается 5+ ионом (V5+, Nb5+ или Ta5+), сохраняя, таким образом, электронейтральность матрицы. В данной работе активаторная примесь вводилась в виде соединения NdNbO4.

При выращивании кристаллов методом Чохральского, как правило, физика процесса кристаллизации приближена к следующим условиям, впервые сформулированным Пфанном [11]: а) отсутствие диффузии в твердой фазе, б) однородность концентраций компонентов в жидкости (реализуется, если скорость диффузии компонентов в расплаве много больше скорости кристаллизации), в) постоянство эффективного коэффициента распределения примеси (справедливо для малых концентраций примеси, при постоянстве условий проведения процесса, таких как скорость роста и условия перемешивания расплава). В силу указанных допущений, распределение примеси в растущем кристалле подчиняется уравнению Галливера:

(1).

где С — концентрация примеси в твердой фазе в зависимости от доли g закристаллизовавшегося вещества, Keff — эффективный коэффициент распределения примеси, С0 — начальная концентрация примеси. В случае, когда в роли примеси выступают оптически-активные ионы (Nd3+ в нашем случае), коэффициент поглощения на переходах оптических центров пропорционален их концентрации. Следовательно,.

(2).

где k — коэффициент поглощения на фиксированной длине волны оптического перехода Nd3+ в зависимости от g, k0 -коэффициент поглощения в начале кристалла. На цилиндрическом участке кристалла:

(3).

где D — диаметр кристалла длиной l, с — плотность кристалла, m0 — начальная масса расплава, mc — масса конической части кристалла. Выражение (3) связывает долю закристаллизовавшегося вещества с длиной кристалла.

На рисунке 3 представлены распределения, измеренные вдоль пластин, вырезанных из цилиндрической части кристаллов (точки) на длине волны 805 нм (переход 4I9/2 — 4F5/2) и аппроксимации данных распределений выражением (2) (линии). Удовлетворительное согласие экспериментальных данных с теоретическими кривыми говорит о правомерности использования описанного подхода для оценки Keff в исследуемых образцах. Из рисунка видно, что для концентраций NdNbO4 1 и 2 вес.% в расплаве, коэффициент распределения остается постоянным, насколько позволяет судить применяемый подход, и в данных условиях кристаллизации составляет 0.71. С учетом полученного Keff, рассчитанные начальные концентрации неодима в кристаллах приведены в таблице 1.

Рисунок 3. Зависимость отношения С/C0 от доли закристаллизованного расплава с начальной концентрацией неодима 1 вес.% (красные точки) и 2 вес.% (зеленые точки). Линия — аппроксимация экспериментальных данных выражением (2) модифицированный чохральский кристалл светопропускание

На рисунке 4 показан спектр люминесценции Nd3+:SrWO4. Следует отметить отсутствие сколь угодно заметных различий в формах контуров полос для кристаллов с различной концентрацией неодима (на рисунке не приведены). Кинетики затухания люминесценции (рисунок 5) имеют экспоненциальный характер. Времена жизни составили 202 и 183 мкс для кристаллов с концентрацией Nd3+ 8.95Ч1019 и 1.78Ч1020 см-3 соответственно, что свидетельствует о наличии незначительного концентрационного тушения люминесценции.

Рисунок 4. Спектр люминесценции Nd3+:SrWO4 с концентрацией неодима 1.78Ч1020 см-3.

Рисунок 5. Кинетики затухания люминесценции Nd3+:SrWO4 на 1060 нм для концентрации неодима 8.95Ч1019 см-3 (красная линия) и 1.78Ч1020 см-3 (зеленая линия).