Структура и физико-химические свойства приповерхностных слоев оптических материалов, модифицированных путем обработки в водородной плазме

Ульяна Олеговна Салгаева (Uliana O. Salgaeva), Анатолий Борисович Волынцев (Anatolii B. Volyntsev), Сергей Сергеевич Мушинский (Sergei S. Mushinsky)

Аннотация


Проведено исследование структуры и свойств модифицированных в водородной плазме (Н-плазме) приповерхностных слоев оптических материалов: кварцевого и натрий-кальций-силикатного (НКС) стекол; ниобата лития (НЛ) в состоянии поставки и НЛ после протонного обмена. Для исследования структуры и свойств оптических материалов использовались методы ИК-спектроскопии, Рамановской спектроскопии, дифракционного структурного анализа, атомно-силовой микроскопии, модовой спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, влажного химического травления. Показано внедрение водорода в приповерхностные слои, увеличение количества дефектов структуры материалов. Изменения формы и интенсивности пиков поглощения OH-групп и кривых θ/2θ, снятых с образцов НЛ, подвергшихся воздействию Н-плазмы, не существенны, вероятно, из-за малой толщины модифицированного слоя. Впервые выявлено огромное объемное «распухание» (более 10 %) приповерхностных слоев НЛ и НКС стекла при обработке в Н-плазме. Также впервые показано формирование на поверхности НЛ тонких напряженных слоев после обработки в Н-плазме, описано снижение плотности приповерхностных слоев НЛ, модифицированных в Н-плазме; выявлены признаки блистеринга и флекинга на поверхности НЛ и НКС стекла после их обработки в течение длительного времени (120–150 мин). Впервые выявлено «многослойное» строение приповерхностной области НЛ после обработки в Н-плазме. Предложена модель изменения структуры и свойств НЛ в ходе обработки, объясняющая экспериментальные результаты, полученные в данной работе и опубликованные ранее другими исследовательскими группами. Из-за высокой концентрации в приповерхностных слоях оптических материалов при обработке водород формирует поры и пузыри. В приповерхностной области НЛ после обработки в Н-плазме предположительно происходит формирование соединений системы Li2O–Nb2O5 с низким содержанием Li. Модификация приповерхностных слоев оптических материалов в водородной плазме может быть использована для формирования элементов интегрально-оптических схем, в частности дифракционных решеток.


Ключевые слова


водородная плазма; ниобат лития; оптические стекла; элементы интегрально-оптических устройств

Полный текст:

PDF

Литература


Nemilov S.V. Opticheskoe materialovedenie. Opticheskie stekla (Optical materials science. Optical glasses). St. Petersburg: ITMO University, 2011. 175 p. (In Russian).

Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1983, vol. 16, no. 12, pp. 1214-1222. DOI: 10.1088/0022-3735/16/12/023

Cabrera J. M., Olivares J., et al. Hydrogen in lithium niobate. Advances in Physics, 1996, vol. 45, no. 5, pp. 349-392. DOI: 10.1080/ 00018739600101517

Ren Z., Heard P. J., et al. Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 103, p. 034109. DOI: 10.1063/1.2838180

Gerhard С., Tasche D., et al. Near-surface modification of optical properties of fused silica by low-temperature hydrogenous atmospheric pressure plasma. Optical Letters, 2012, vol. 37, no. 4, pp. 566-568. DOI: 10.1364/OL.37.000566

Ren Z., Heard P. J., et al. Fabrication and characterizations of proton-exchanged LiNbO3 waveguides fabricated by inductively coupled plasma technique. Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, p. 142905. DOI: 10.1063/1.2191704

Ren Z., Heard P. J., Yu S. Novel fabrication technique of Proton exchanged Waveguide Based on LiNbO3 Using Inductively Coupled Plasma. Proc. of European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference – 2007. Munich: Optical Society of America, 2007, P. CE_1.

Ren Z., Heard P. J., Yu S. Proton exchange and diffusion in LiNbO3 using inductance coupled high density plasma. Journal of Vacuum Science and Technology B, 2007, vol. 25, no. 4, pp. 1161-1165. DOI: 10.1116/1.2746052

Budnar M., Zorko B., et al. ERDA study of H+ incorporated into lithium niobate optical layers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2000, vol. 161–163, pp. 568-572. DOI: 10.1016/S0168-583X(99)00996-9

Turcicova H., Arend H., Jarolimek O. A low-resistance layer on LiNbO3 produced in hydrogen RF discharge. Solid State Communications, 1995, vol. 93, no. 12, pp. 979-981. DOI: 10.1016/0038-1098(94)00918-X

Turcicova H., Perina V., et al. Plasma processing of LiNbO3 in a hydrogen/oxygen radio-frequency discharge. Journal of Physics D: Applied Physics, 1998, vol. 31, pp. 1052-1059. DOI: 10.1088/0022-3727/31/9/004

Turcicova H., Pracharova J., et al. Sheet Resistance of LiNbO3 Wafers Processed in Radio-Frequency Plasma of Hydrogen. Proc. of 19 th Symp. on Plasma Physics and Technology – 2000. Prague: Czechoslovak Journal of Physics, 2000, vol. 5(S3), pp. 461-465. DOI: 10.1007/BF03165930

Turcicova H., Preucil S., et al. Li Depth Anomaly after Radio-Frequency Hydrogen Plasma Processing of Single Crystal LiNbO3. Ferroelectrics, 2000, vol. 239, pp. 313-320. DOI: 10.1080/ 00150190008213337

Turcicova H., Vacik J., et al. LiNbO3 exposed to radio-frequency plasma. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1998, vol. 141, pp. 494-497. DOI: 10.1016/S0168-583X(98)00195-5

Turcicova H., Zemek J., et al. Surface analysis of LiNbO3 single crystals modified by radio-frequency hydrogen plasma. Surface and Interface Analysis, 2000, vol. 29, pp. 260-264. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9918(200004)29:4<260::AID -SIA737>3.0.CO;2-O

Turcicova H., Zemek J., et al. Single-crystal LiNbO3 surfaces processed in low-temperature hydrogen plasma: XPS, REELS and AFM study. Surface and Interface Analysis, 2002, vol. 34, pp. 468-471. DOI: 10.1002/sia.1340

Hayes C. M., Pereira M. B., et al. Sub-micron integrated grating couplers for single-mode planar optical waveguides. Proc. of 17th Biennial University/Government/Industry Micro/Nano Symposium – 2008. Louisville, 2008, pp. 227-232. DOI: 10.1109/UGIM.2008.67

Salgaeva U. O., Volyntsev A. B. Modification of the structure and properties of optical materials in hydrogen plasma. Features of change of the optical absorption. Photon-express, 2019, no. 6 (158), pp. 312-313 (In Russian). DOI: 10.24411/2308-6920-2019-16163

Tuschel D. Selecting an excitation wavelength for Raman spectroscopy. Spectroscopy, 2016, vol. 31, no. 3, pp. 14-23.

James R. W. The optical principles of the Diffraction of X-rays. London, Great Britain: Bell, 1948. 624 p.

Shevtsov D. I. Strukturnye i opticheskie svoistva metastabil'nykh faz v protonoobmennykh volnovodnykh sloiakh na monokristalle niobata litiia (Structural and optical properties of metastable phases in proton-exchange waveguide layers on a lithium niobate single crystal). PhD Thesis, Perm: Perm State University, 2005, 167 p (In Russian).

Onodera H., Awai I., Ikenoue J. Refractive index measurement of bulk materials prism coupling method. Applied Optics, 1983, vol. 22, pp. 1194-1198. DOI: 10.1364/AO.22.001194

Ulrich R., Torge R. Measurement of thin film parameters with a prism coupler. Applied Optics, 1973, vol. 12, no. 12, pp. 2901-2908. DOI: 10.1364/AO.12.002901

Korkishko Yu. N., Fedorov V. A. Relationship between refractive indices and hydrogen concentration in proton exchanged LiNbO3 waveguides. Journal of Applied Physics, 1997, vol. 82, no. 3, pp. 1010-1017. DOI: 10.1063/1.365864

Grating Tutorial. URL: https://www.thorlabs.com/ tutorials.cfm?tabID=0CA9A8BD-2332-48F8-B01A-7F8BF0C03D4E

Palmer C. Diffraction grating handbook. New York, USA: Thermo RGL, 2002. 204 р.

Howell P. G. T., Davy K. M. W, Boyde A. Mean atomic number and backscattered electron coefficient calculations for some materials with low mean atomic number. Scanning, 1998, vol. 20, pp. 35-40. DOI: 10.1002/sca.1998.4950200105

Mysiura I., Kalantaryan O., et al. Luminescence of quartz glass induced by X-rays. Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, no. 3, pp. 282–288

Barannik E., Kalantaryan O. Time dependence of silica optical properties during the implantation of fast hydrogen ions: Theory. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2015, vol. 362, pp. 182-186. DOI: 10.1016/j.nimb. 2015.09.080

Davis K. M., Tomozawa M. An infrared spectroscopic study of water-related species in silica glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 1996, vol. 201, pp. 177-198. DOI: 10.1016/0022-3093(95)00631-1

Davis K M., Tomozawa M. Water diffusion into silica glass: structural changes in silica glass and their effect on water solubility and diffusivity. Journal of Non-Crystalline Solids, 1995, vol. 185, pp. 203-220. DOI: 10.1016/0022-3093(95)00015-1

Amma S., Kim S., Pantano C. analysis of water and hydroxyl species in soda-lime glass surfaces using attenuated total reflection (ATR)-IR spectroscopy. Journal of the America Ceramic Society, 2016, vol. 99, no. 1, pp. 128-134. DOI: 10.1111/jace.13856

Kaz'mina O. V. Khimicheskaia tekhnologiia stekla i sitallov (Chemical technology of glass and sitalls). Tomsk, Russia: Tomsk Polytechnic University, 2011. 170 p. (In Russian).

Ridah A., Bourson P., et al. The composition dependence of the Raman spectrum and new assignment of the phonons in LiNbO3. Journal of Physics: Condensed Matter, 1997, vol. 9, no. 44, pp. 9687-9693. DOI: 10.1088/0953-8984/9/44/022

Shevtsov D. I., Azanova I. S., et al. Metastable phases in proton-exchanged waveguides on an X-cut of lithium niobate. Physics of Solid State, 2006, vol. 48, pp. 1059-1063.

Salgaeva U. O., Volyncev A. B., Mendes S. B. Surface modification of optical materials with hydrogen plasma for fabrication of Bragg gratings. Applied Optics, 2016, vol. 55, no. 3, pp. 485-490. DOI: 10.1364/AO.55.000485

Azanova I. S., Shevtsov D. I., et al. Chemical etching technique for investigations of a structure of annealed and unannealed proton exchange channel LiNbO3 waveguides. Ferroelectrics, 2008, vol. 374, no. 1, pp. 110–121. DOI: 10.1080/00150190802427234

Bachiri A., Bennani F., Bousselamti M. Dielectric and electrical properties of LiNbO3 ceramics. Journal of Asian Ceramic Societies, 2016, vol. 4, no. 1, pp. 46-54. DOI: 10.1016/j.jascer.2015.11.006

Fan Y., Li H., Zhao L. Investigation on structure and photorefractive properties of Mg:Ce:Cu:LiNbO3 crystals with various [Li/Nb] ratios. Optical Materials, 2007, vol. 30, pp. 492-496. DOI: 10.1016/j.optmat.2006.12.015

Nazarov A. N., Lysenko V. S., Nazarova T. M. Hydrogen plasma treatment of silicon thin-film structures and nanostructured layers. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2008, vol. 11, no. 2, pp. 101-123. DOI: 10.1088/1468-6996/13/4/045004

Eren B., Marot L., et al. Hydrogen-induced buckling of gold films. Journal of Applied Physics D: Applied Physics, 2014, vol. 47, no. 2, pp. 025302-025302-7. DOI: 10.1088/0022-3727/47/2/025302

Giri P. K., Biswas A., Mandal M. K. The relaxation time of OH bond for hydrogen impurity in LiNbO3. arXiv: 1810.01959, Materials Science, 2018, n. p., URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/ 1810.01959.pdf

Casey Jr. H. C., ChangoHo C., et al. Analysis of hydrogen diffusion from protonexchanged layers in LiNbO3. Applied Physics Letters, 1993, vol. 63, pp. 718-720. DOI: 10.1063/1.109938

Was G. S. Fundamentals of Radiation Materials Science. Metals and Alloys. Berlin, Germany: Springer, 2007. 827 p. DOI: 10.1007/978-3-540-49472-0

Spitsyn A.V. Proniknovenie vodoroda iz plazmy cherez polikristallicheskie materialy i grafit (Penetration of hydrogen from plasma through polycrystalline materials and graphite). PhD Thesis, Moscow: National Reasearch Center “Kurchatov Institute”, 2007, 153 p (In Russian).

Zholnin A. G., Zaluzhnyi A. G., et al. Composition of the gas in the blisters which develop when a hydrogen or deuterium plasma acts upon austenitic steels. Soviet Atomic energy, 1986, vol. 60, pp. 428-430.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2021-1-12-39

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.


ISSN: 1994-3598

Адрес издателя и учредителя: ПГНИУ, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614990

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охраны культурного наследия. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г.

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (специальности: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы; 01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2019

Лицензия Creative Commons Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).