Study of the phase equilibria in the ternary systems X2O-Li2O-Nb2O5(X=Na, Rb, Cs), single crystal growth and characterization of LiNbO3

by Gabriella Dravecz

Doctoral thesis in Chimie

Under the supervision of Michel Ferriol and Katalin Polgar.

defended on 25-05-2009

in Metz and the jointly supervising institution l'Egyetemi könyvtár (Budapest) , under the authority of EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , in a partnership with LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes - EA 4423 (laboratoire) .

Thesis committee President: Gyula Zaray.

Thesis committee members: Janos Madarasz, Christelle Goutaudier, Erzsébet Horvath, Marianne Cochez, Mihaly Ovari, Ferenc Billes.

  • Abstract

    The versatility of the application of LiNbO3 is well-known in the practical fields of acousto-electronics and non-linear optics and electro-optics. The optical damage threshold of stoichiometric LiNbO3 is higher so it is more suitable for electo-optical and non-linear optical applications than the congruent crystal which can be grown easier. The growth difficulties justify the development of alternative preparation methods or the improvement of the existing methods. This emphasizes the importance of the growth of stoichiometric LiNbO3 by the HTTSSG method not only from the K2O - Li2O - Nb2O5 ternary system but from the X2O - Li2O - Nb2O5 (X = Rb, Cs) systems as well. Using the presented phase diagrams the composition of the solution in equilibrium with a custom-tailored crystal composition can be determined. Most of the physical parameters of LiNbO3 are composition dependent. Even a small change of the composition (± 0.01 mol%) causes large differences in the properties so the determination of the Li2O content of the crystal with the highest possible accuracy is very important. The accuracy of the composition determination – described in detail in my thesis – based on the intensity ratio of the two characteristic bands in the OH- vibrational spectra of the near stoichiometric LiNbO3 satisfies the requirements imposed by the applications

  • Alternative Title

    Etude des équilibres entre phases dans les systèmes ternaires X2O-Li2O-Nb2O5 (X=Na, Rb, Cs), croissance cristalline et caractérisation de LiNbO3

  • Abstract

    La versatilité de LiNbO3 est bien connue dans le domaine de l’électronique acoustique (filtres SAW), de l’optique non linéaire et de l’optique électronique. Alors que les applications de LiNbO3 congruent sont répandues dans le domaine de l’électronique acoustique et de l’optique où les puissances ne sont pas très élevées, le seuil de dommage optique étant relativement bas, les applications sont limitées dans le domaine des fortes puissances lumineuses. Le seuil de dommage optique de LiNbO3 stœchiométrique est plus haut et rend nécessaire l’utilisation d’une méthode de croissance plus difficile (flux). Les difficultés de la méthode de croissance par flux justifie la recherche en vue de développer des méthodes alternatives ou d’améliorer les méthodes élaborées. Dans ma thèse j’ai présenté des solvants alternatifs á la croissance de monocristaux de LiNbO3 à partir du système ternaire K2O-Li2O-Nb2O5. J’ai prouvé qu’il est possible de faire croître des cristaux stœchiométriques par la méthode HTTSSG à partir des systèmes ternaires X2O-Li2O-Nb2O5 (X = Rb, Cs). Les diagrammes de phase tracés et précisés au cours de ce travail sont importants et donnent la possibilité de composer le flux à partir duquel il est possible d’obtenir le cristal de son choix. Comme pour les matériaux typiquement non stœchiométrique, les paramètres physiques de LiNbO3 sont très sensibles aux moindres variations de la composition (± 0.01 mol%). La détermination précise de la composition est donc très importante. Dans ma thèse, j’ai élaboré une nouvelle méthode de haute précision basée sur le rapport des deux principaux pics vibrationnels OH- dans l’infrarouge. Cette méthode a une précision qui satisfait les exigences de qualification des cristaux de LiNbO3

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