비선형광학물질 $LiB_3O_5$의 단결정 성장 및 물리 특성에 관한 연구

Abstract

비선형 광학 물질을 사용하는 모든 고체 레이저는 광산란, 의학, 산업, 군사등의 많은 다양한 분야에 이용되고 있다. 그래서 큰 이차 비선형 광학 계수를 가지는 비선형 광학 물질을 개발하기 위해 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. $\beta$-$BaB_2O_4$(BBO)와 $LiB_3O_5$(LBO) 등 붕산 계열의 비선형 광학 단결정은 비선형 광학 계수는 $KNbO_3$나 $KTiOPO_4$에 비해 작으나 극자외선 영역 쪽으로 광투과성이 좋고 레이저 광손상 문턱값이 아주 커서 고출력 레이저와 극자외선 영역으로의 응용에 아주 유리하여 많은 목을 받고 있다. 1989년에 처음 개발된 LBO 단결정은 가장 짧은 자외선 영역($0.16-3.5 \mu m$)까지 빛을 투과하고 가장 큰 레이저 광손상 문턱값을 가지고 있어 지금 현재 가장 중요한 비선형 광학 물질 중의 하나가 되었고 여러 분야에 이용되고 있다. 하지만 결정 성장이 쉽지 않아 대량 생산에 어려움을 가지고 있으며 물리적 성질도 아직 다 밝혀지지 않고 있다. 본 연구에서는 $B_2O_3$를 융제로 사용하여 LBO 단결정을 종자 담금 성장법으로 성장시켰다. $B_2O_3$는 용액이 되었을 때 큰 점성을 가지고 있어 물질 순환이 좋지 않아 짧은 시간내에 대구경, 고품질의 단결정을 성장시키는 것이 쉽지 않다. 그래서 용액의 점성을 줄이기 위해 NaCl을 첨가제로 넣어서 그 영향을 알아보았다. 0 mol %, 2 mol %, 4 mol %의 NaCl을 용액 속에 첨가하고 점성의 변화와 그로 인한 결정 성장 조건 및 결과를 비교하였다. 각 물질 비율에 따라 대구경, 고품질의 결정을 성공적으로 성장시킬수 있었으며 NaCl의 비율이 증가함에 따라 지금까지 보고된 성장 속도와 비교할 때 3배 정도 성장 속도의 증가를 볼 수 있었다. 용액 속의 NaCl의 양이 증가할수록 결정 속의 $Na^+$ 이온의 양이 증가하였고 그로 인해 레이저 광손상 문턱값이 떨어졌다. 성장한 결정들의 격자 완전도를 알아보기 위하여 싱크로트론을 이용하여 X선 토포그라피 실험을 수행하여 $Na^+$ 이온이 결정의 격자 완전도에 미치는 영향을 분석하였다. LBO 단결정에 대해 유전율과 전기 전도도를 측정하였다. 측정한 온도 범위는 상온에서 $500^\circ C$ 까지이고 주파수 범위는 100 Hz에서부터 1 MHz까지이다. 유전율과 전기 전도도가 방향에 따라 큰 비등방성을 보였는데 이는 LBO 결정 구조의 비등방성으로 인해 $Li^+$ 이온의 운동 경향이 다르기 때문이다. $Li_2B_4O_7$ 결정과 LBO 유리 물질에 대해서도 같은 실험을 병행하여 LBO 결정 및 더 나아가 붕산 계열 물질에 대한 유전율과 전기 전도도 성질의 이해를 돕도록 하였다. LBO 결정에 대해 $20-500^\circ C$의 온도 범위에서 라만 산란 실험을 수행하였고 이 온도 범위 내에서는 displacive-type의 상전이는 존재하지 않는 것을 확인하였다. 몇몇 라만 밴드에서 온도에 대한 밴드의 주파수가 $400^\circ C$ 근처에서 크게 변하는 것을 볼 수 있었다. 이는 LBO 결정 구조의 기본 결합인 $BO_3$와 $BO_4$ 결합 구조의 온도에 따른 변화가 달라져서 나타나는 현상으로 이를 유전율의 온도 변화에서 나타나는 현상과 연관시켜 설명하였다. LBO 결정의 라만 산란에 대한 이해를 돕기 위해 CLBO 결정에 대해서도 라만 산란을 측정하여 비교하였다.