«ã _ Ë ú n ÞÅ k È8 ý  ¹ Å M Œ Ÿ «ã _ Ë Ž ì ŏ Œ

° ‚

ÇX ì Ä® Žz º ò & ÿÌ ¦ RS â à ŠLiNbO 3 + s ÇX N Ë 5 8 ý Ti ³⁺ Ñ ÷ Nb ⁴⁺

Œ

Ÿ

«ã _ Ë ú n ÞÅ k È8 ý  ¹ Å  M Œ Ÿ «ã _ Ë Ž ì ŏ Œ

+ ä

‡ ç ¡0 å  · ‚ Ð) ç ‡ Ú ^∗

“

¦ 9@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , " fÖ  ¦ 136-701

ƒ

‘

š G ž B­ £ · ý — ¡* å   ™ ¸

"

fÖ  ¦ “ §¹ ¢ ¤ @ /† < Ɠ § õ † < Ɠ §¹ ¢ ¤ õ , " fÖ  ¦ 137-742

™ »* å Q 

ô

 Dz D GÒ q tí ß –l Õ ü tƒ  ½ ¨" é ¶ F  g Š҃  ½ ¨G ' p' 
” ¸„   ™ è h Ë >, F  g Å Ò 500-480

™ »„ ç ¡¬ £

‚

½ Ó" é ¶ @ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ ,  â z Œ ™ 641-773

‚ Ð) ç ‹ È Ñ

ô

 Dz D G l > ƒ  ½ ¨" é ¶
” ¸l > ƒ  ½ ¨‘ : r  Ò, @ /„   305-343 (2008¸   2 Z 4 29{ 9  ~ à Î6 £ §)

K

O\  ¦ V , # Q Czochralski Z O Ü ¼– Ð $ í  © œr †   LiNbO

é ß –  & ñ r « Ñ_  [Li]/[Nb]_  q   H Li s  Û  æ  Òô  Ç ì  r 0

Al \ " f $ í  © œr †   LiNbO

é ß –  & ñ ˜ Ð  1\   8 ¾ ú š . s  ¿ º > h_  r « Ñ\  ¦ 900

C \ " f 2r ç ß – 1 l x î ß – CO l ^ ‰ ì  r 0 Al \ " f \ P % ƒo ô  Ç Ê ê, 4 K\ " f „    l / B N" î 8 £ ¤& ñ `  ¦ % i  . \ P % ƒo  „  \   H › ' a8 £ ¤ ÷ &t  · ú §

€

Œ

¤~   Ti

’    ñü < Nb

œ íp [ j ’    ñ \ P % ƒo  Ê ê\  › ' a8 £ ¤ ÷ &% 3   H X <, s   H \ P % ƒo  „   Ti

ü < Nb

– Ð

”

> r F    \ P % ƒo  Ê ê\  Ti

ü < Nb

– Ð  7 % 3 6 £ §`  ¦ _ p ô  Ç . s  ¿ º / B N" î ×  æd ” _  Û ¼— 2 ; K x 9 ž Ðm î ß – B

> h © œÃ º\  ¦   & ñ % i  . Ti

  H ¿ º r « Ñ ? /\ " f  _  ° ú  “ É r 0 l x • ¸– Ð › ' a8 £ ¤ ÷ &% 3 Ü ¼
, Nb

  H [Li]/[Nb] _  q

 1\   8  î  r LiNbO

é ß –  & ñ r « Ñ ? /\ " f  8 & h >  › ' a8 £ ¤ ÷ &% 3  . s    õ   H Ti

   & ñ ? /_ 

€

ª œs “ : r  o \ " f
š ¸t ë ß – Nb

  H Li

 o \  ¦ u  ¨ 8 Š ô  Ç Nb

\  „    ¸ ú š˜ 2 ³ / B N" î ×  æd ” \ " f
š ¸  H  כ Ü

¼– Ð K $ 3  ) a  .

PACS numbers: 61.72.Ji, 61.18.Fs, 61.72.Hh Keywords: „    l / B N" î , LiNbO

,   † < Ê

I. " e  ] Ø

r

 Œ •Ó ü t| 9 – Ð Li ² CO 3 ü < Nb ² O 3 \  ¦ y Œ •y Œ • 48.52 %ü < 51.48

% _  q Ö  ¦ – Ð [ O # Q" f LiNbO ³ (LN) é ß –  & ñ `  ¦ Czochral- ski ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð $ í  © œr ~  ´ M :, $ í  © œ  ) a LiNbO 3 é ß –  & ñ ? /_  [Li]/[Nb] _  q Ö  ¦ s  6   xÖ 6 x  © œI ü < ° ú  “ É r › ¸$ í q “   0.942– Ð

$ í

 © œ÷ &  H X <, s X O >  6   xÖ 6 x  © œI ü < ° ú  “ É r › ¸$ í q – Ð $ í  © œ  ) a

½

+ Ëu 6   xÖ 6 x LiNbO 3 (congruent LiNbO 3 , CLN) é ß –  & ñ “ É r



o† < ƀ ª œ : r& h  (stoichiometric)Ü ¼– Ð $ í  © œ÷ &t  · ú §  € 9 ƒ  & h  Ü

¼– Ð Li ‘    o  (V Li ), Nb ‘   o  (V N b ), Nb ì ø Í@ / o  (Nb _Li ) 1 p x _  ´ ú §“ É r C ? /   † < Ês  ” > r F  >   ) a   [1].

∗

E-mail: [email protected]

LiNbO 3   H y © œÄ »„    © œ„  s  “ : r • ¸ 1210 ^◦ C – Ð B Ä º Z  }

“ É

r X < y © œÄ »„  ^ ‰– Ð" f_   Ö ¸6   x ˜ Ð   H ³ ð€  ò ø Í$ í   ™ è , F  g



 › ¸ ™ è , F  g’ < H  © œ`  ¦ s 6   x ô  Ç F  g B j— ¸o  ™ è  1 p x ŠҖ Ð F  g

„

  / B N † < Æ\  € 9 כ ¹ô  Ç ™ è – Ð 6 £ x6   x ÷ &“ ¦ e ”   [1,2]. Õ ª  X <

LiNbO 3 é ß –  & ñ ? /_  C ? /   † < Ê[ þ t õ  ŠҖ Ð ^ o =7 á ¤ ü @Â Ò ' ‘ 

Ó ü t [ þ t“ É r F  g’ < H  © œ (optical damage)õ  x 9 ] X ô  Ç › ' aº  s  e ” 



“ ¦ ˜ Г ¦÷ &% 3   [3, 4]. s  Qô  Ç s Ä »– Ð CLN é ß –  & ñ ? /

\

 ” > r F    H „  s F K5 Å q [5–8] õ   Bž ÐÀ Ó [9,10] Ô  ¦í  HÓ ü t õ  C 

?

/   † < Êõ _  ² D G ™ è ¨ 8 Š â \  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy  ”  ' Ÿ ÷ &% 3 



 [5–11].

¢

¸ô  Ç  Õ ªW 1¸ o u`  ¦ CLN \  à º mol% ' ‘  €   F  g’ < H  © œ s

 / å L  y  y Œ ™™ èô  Ç   H  כ s  ˜ Г ¦  ) a s A  Mgs  ' ‘   ) a

-392-

([Li]/[Nb]=1)  s _  ° ú כ`  ¦ | 9  M :   & ñ ? /\  Ò q t$ í ÷ &  H Nb ì ø Í@ / o (NbLi) C ? /   † < Êõ    & ñ ? / ï ß –” > rÔ  ¦í  HÓ ü t – Ð [

þ

t # Q e ”   H Ti ³⁺ _  ² D G ™ è ½ ¨› ¸\  ¦ „    l / B N" î (Electron Magnetic Resonance, EMR) l Õ ü t`  ¦ s 6   x # Œ · ú ˜  ˜ Ѐ Œ ¤



.

II. ÷ m Ç] M öU ê s0 n É

LiNbO 3 _    & ñ ½ ¨› ¸  H ABO 3 ` …\  v Û ¼ s à Ô (per- ovskite) ½ ¨› ¸ü < › ' aº  s  e ” Ü ¼
, LiNbO 3 _  Li ⁺ ü < Nb ⁵⁺ _  s

“ : r ì ø Í â s  ` …\  v Û ¼ s à Ô_  Aü < B s “ : r õ   H ² ú ˜o  y Œ •y Œ • 0.068 õ  0.069 nm– Ð  _  ° ú  Ü ¼Ù ¼– Ð ` …\  v Û ¼ s à Ôü <  H   Ø

Ô . LiNbO 3   & ñ ½ ¨› ¸  H Abragam 1 p x \  _ K  X-‚  õ  ×  æ

$ í

   r] X Z O Ü ¼– Ð  [ jy  ƒ  ½ ¨÷ &% 3   [12,13]. LiNbO ³   H T _c (1210 ^◦ C) s  _   © œ“ : r \ " f  H / B N ç ß –ç  H õ  & h ç  H s  y Œ •y Œ • R3c ü < 3m s  . y © œÄ »„   © œ_  LiNbO 3 \ " f Li ⁺ ü < Nb ⁵⁺   H

—

¸¿ º ~ Õ ª Q”   & ñ ¼ 1 π  ^ ‰ =  G t & h \  e ”   H # Œ$ Á > h_  í ß –™ è

–

Ð Ñ ü t  Q  # Œ e ” Ü ¼ 9, Li ⁺ ü < Nb ⁵⁺ — ¸¿ º & h @ /g As  3mÜ ¼

–

Ð 1 l x{ 9  “ ¦ ² D G ™ è ¨ 8 Š â  $  B Ä º Ä »  l  M :ë  H \  ü @Â Ò Ô

 ¦í  HÓ ü t[ þ t _  u  ¨ 8 Š  o \  ¦ ì  r" î y    & ñ   H  כ “ É r ~ 1 t  · ú §



.

‘

: r ƒ  ½ ¨\  ¦ 0 AK  ¿ º > h_  LiNbO ³ é ß –  & ñ `  ¦ Czochra1ski

~

½ ÓZ O Ü ¼– Ð $ í  © œr &  ï  r q  % i  . 
  H r  Œ •Ó ü t| 9 \ " f [Li]/[Nb] _  q  1.202 ÷ &>  ï  r q  # Œ $ í  © œr (  “ ¦, ¢ ¸


  H r  Œ •Ó ü t| 9 \ " f [Li]/[Nb]  0.942 ÷ &>    H 1 l x r

\  K 2 O\  ¦ 6 wt% ' ‘ r &  $ í  © œr (   .

s

 r « Ñ[ þ t`  ¦ CO ì  r 0 Al \ " f 2 r ç ß – 1 l x î ß – 900 ^◦ C – Ð

\ P

& h  ¨ 8 Š " é ¶`  ¦ r (   . s  õ & ñ \ " f r « Ñ[ þ t _  Ò  o¾ ú ˜“ É r Á ºÒ  o È

Ò" î ~    כ s   Ž “ É rÒ  oÜ ¼– Ð    % i  . EMR z  ´+ « >`  ¦ l  0

AK  X-‚  `  ¦ s 6   x # Œ r « Ñ_    & ñ » ¡ ¤`  ¦ & ñ “ ¦ » ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó

`

 ¦    r « Ñ\  ¦ ] X é ß – # Œ, f ”  â s  4 mm “   à º& ñ 4 Ÿ x \  Á º l

] X ‚ à Ì] j\  ¦  6   x # Œ  ҂ à Ìr (   .

EMR   õ \  ¦ ì  r$ 3  l  0 AK " f  H „    Û ¼— 2 ;s  1/2“  

 â

Ä º, ü @ Ò l  © œõ  „   Û ¼— 2 ;õ _   © œ  ñ Œ •6   x`  ¦
 ? /  H

„

   Zeeman † ½ Ó, / B N" î @ / © œ „    Ù þ ˜ Û ¼— 2 ;õ _   © œ  ñ Œ • 6

x Ü ¼– Ð “  ô  Ç œ íp [ j ½ ¨› ¸† ½ Ó, Ù þ ˜õ  ü @ Ò l  © œ_   © œ  ñ Œ • 6

x Ü ¼– Ð “  ô  Ç Ù þ ˜ Zeeman † ½ Ó, Õ ªo “ ¦ Ù þ ˜_  „  l   ×  æF G — ¸ F '

pà Ôü < „  l  © œ l Ö  ¦ l ü <_   © œ  ñ Œ •6   x Ü ¼– Ð “  ô  Ç Ù þ ˜  ×  æ F

G  © œ  ñ Œ •6   x † ½ Ó`  ¦ — ¸¿ º “ ¦ 9 €    ) a  . Õ ª Q
 ˜ Ð: Ÿ x _   â Ä

º\   H Ù þ ˜ Zeeman † ½ Óõ  Ù þ ˜  ×  æF G † ½ Ó_  ß ¼l   H   É r † ½ Ó [

þ

t \  q  # Œ B Ä º  Œ •  „   _  Zeeman † ½ Óõ  œ íp [ j ½ ¨› ¸

†

½ Óë ß – “ ¦ 9 # Œ• ¸ Ø  æì  r  . >   LiNbO 3 é ß –  & ñ “ É r € ª œ s

“ : r  o \ " f 3 ~ ½ Ó @ /g A`  ¦ ° ú >  ÷ &# Q, / B N" î ×  æd ” s  € ª œs 

“

: r  o \  ¦ u  ¨ 8 Š ô  Ç  â Ä º\   H   & ñ _  ab-€  \ " f  H  l & h  Ü

¼– Ð » ¡ ¤ @ /g A$ í `  ¦
  · p . Õ ª QÙ ¼– Ð „    Û ¼— 2 ;s  1/2“  

 â

Ä º\   H „   _  Zeeman † ½ Óõ  Ù þ ˜ Û ¼— 2 ;s  0s       â Ä

º\   H œ íp [ j  © œ  ñ Œ •6   x  t  Ÿ í† < Ê   H d ”  (1) õ  ° ú  s 

»

¡

¤ @ /g A\ " f  6   x ÷ &  H ç ß –| Ä Ì o  ) a Û ¼— 2 ; K x 9 — : r † < Êà º (Spin Hamiltonian, SH) – Ð SH B > h © œÃ º\  ¦   & ñ ½ + É Ã º e ”  .

H = β[g _k S _z B _z + g _⊥ (S _x B _x + S _y B _y )]

+ A _k S z I z + A _⊥ (S x I x + S y I y ) (1)

#

Œl " f ⍠ H „   _  Bohr  Õ ªW 1— : r (magneton) s “ ¦, gü <

A  H y Œ •y Œ • „   _  ì  rF  g † < Æ& h  ì  r o “    x 9  œ íp [ j J $ ™" f\  ¦, k õ  ⊥ Ҡ ñ  H Å Ò» ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ ô  Ç $ í ì  r x 9  à ºf ” ô  Ç $ í ì  r`  ¦, S ü

< I  H „    x 9  Ù þ ˜_  Û ¼— 2 ;`  ¦ _ p ô  Ç .

‘

: r ƒ  ½ ¨\ " f › ' a d ” s  ÷ &  H Nb s “ : r _   â Ä º



 H LiNbO 3 \ " f s “ : r   ½ + Ë  © œI \  e ”   H Nb ⁵⁺

(1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ )  \ P & h  ¨ 8 Š " é ¶ õ & ñ `  ¦ :

Ÿ

x # Œ Å Ò0 A\  e ”   H „    
\  ¦ Ÿ í S \ ‰ † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹ Nb ⁴⁺

(1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ¹ )  + þ A$ í ÷ &  H X <, ‹ Œ •`  ¦ s  À

Òt  3 l w ô  Ç „     H 4d C • ¸\  ô  Ç > h ÷  r s Ù ¼– Ð „   Û ¼— 2 ;

“

É r 1/2 s  . Õ ª  X < ⁹³ Nb _  Ù þ ˜ Û ¼— 2 ;“ É r 9/2 s “ ¦  ƒ  

”

> r F q   H 100 % – Ð œ íp [ j  © œ  ñ Œ •6   x`  ¦ › ' a ¹ 1 Ͻ + É Ã º e ”  .

Fig. 1. Angular dependence of EMR spectra in the bc- plane for Ti ³⁺ and Nb ⁴⁺ in K ₂ O-doped LiNbO ₃ .

Ti ³⁺ (1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹ ) _   â Ä º  H þ jü @y Œ • „   C  u

 3d ¹ s “ ¦   " f „   Û ¼— 2 ;“ É r 1/2 s  . ⁴⁷ Ti _  Ù þ ˜ Û

¼— 2 ;“ É r 5/2 (  ƒ   ” > r F q  7.28 %), ⁴⁹ Ti “ É r Ù þ ˜ Û ¼— 2 ;s  7/2 (  ƒ   ” > r F q  5.51 %) s “ ¦,
 Qt  1 l x 0 A" é ¶ ™ è[ þ t“ É r Ù þ ˜ Û ¼

—

2 ;s  0 s Ù ¼– Ð, 0 A_  ¿ º 1 l x 0 A" é ¶ ™ è_  ± ú “ É r  ƒ   ” > r F q – Ð

“

  # Œ s [ þ t Ù þ ˜\  @ /ô  Ç œ íp [ j  © œ  ñ Œ •6   x`  ¦ › ' a ¹ 1 Ï l 

~ 1

t  · ú § .

$ í

 © œ  ) a Õ ª@ /– Ð (as-grown)_  LiNbO ³ \ " f  H ™ è| ¾ Ó ” > r F 

  H Cr ³⁺ , Mn ²⁺ ü < Fe ³⁺ 1 p x ^ o =7 á ¤ s “ : r[ þ t \  _ K " f
 

  H €  •ô  Ç ’    ñ\  ¦ ] jü @ “ ¦ [5,14–17]   É r EMR ’    ñ  H

› '

a8 £ ¤ ÷ &t  · ú §€ Œ ¤ . Õ ªA " f K ² O  6 wt% ' ‘   ) a LiNbO 3

(KLN) é ß –  & ñ õ  Li-rich LiNbO ³ (LRLN) é ß –  & ñ `  ¦ CO ì

 r 0 Al \ " f 900 ^◦ C \ " f 2 r ç ß – 1 l x î ß – \ P % ƒo ô  Ç + ' Ó  o^ ‰ ó ¡

šµ ¢ §“ : r • ¸\ " f X-band ì  rF  g l \  ¦  6   x # Œ  l  © œs    

&

ñ _  b » ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ ô  Ç  â Ä º\ " f r  Œ • # Œ  l  © œs    & ñ _  c-» ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ ½ + É M : t  y Œ •y Œ • 6 ^◦ ü < 3 ^◦ m ”     or &  €  " f

% 3

“ É r „    Û ¼— 2 ; / B N" î Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 `  ¦ y Œ •y Œ • Fig. 1õ  Fig. 2\  Õ

ª§ 4  . Fig. 1 õ  Fig. 2 \  Õ ª 2 ; Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 “ É r ° ú  “ É r ß ¼l  _

 r « і Ð ° ú  “ É r › ¸| \ " f 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼Ù ¼– Ð Õ ª ’    ñ_  [ j l

  H / B N" î ×  æd ” _  0 l x • ¸ü < q Y Vô  Ç . Fig. 2\ 
 è ß – ’    

ñ_  [ jl  Fig. 1\ 
 è ß – ’    ñ_  [ jl ˜ Ð  €  • 2.5 C 

&

ñ • ¸ y © œô  Ç  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

Fig. 2. Angular dependence of EMR spectra in the bc- plane for Ti ³⁺ and Nb ⁴⁺ in Li-rich grown LiNbO 3 .

Fig. 1 \ " f  l  © œs  c» ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ ô  Ç  â Ä º 0.32 T \ " f 0.35 T  s \ " f Mn ²⁺ _  œ íp [ j ½ ¨› ¸
 
 9, Mn ²⁺

’

   ñ š ¸ É r A á ¤ \ P \   H Ti ³⁺ ’    ñ
 
“ ¦ Õ ª s  © œ_  % ò

%

i \ " f  H 5 > h_   H ’    ñ › ' a8 £ ¤ ÷ &  H X < s  כ s  Nb ⁴⁺ œ í p

[ j ½ ¨› ¸_  { 9  Òì  r s “ ¦ [15], $  l  © œ\ " f  H   É r ’    ñ [

þ

t õ  ×  æ^ o ?÷ &# Q " î S X ‰ >  ì  r o ÷ &# Q
 
t  · ú §€ Œ ¤ . B k c \ " f B k c + 36 ^◦  s \ " f ± ú “ É r  l  © œ % ò % i \ " f

 H y Œ •• ¸ _ ” > r$ í `  ¦ ˜ Ðs   H ’    ñ  H Cr ³⁺ _  / B N" î ’    ñs   [17].  l  © œ_  ~ ½ ӆ ¾ Ós    & ñ _  b-» ¡ ¤ \   0 >t €  " f ×  æ^ o ?

÷

&# Qe ” ~   ’    ñ[ þ t s  ° ú ˜ t “ ¦ / B N" î ‚    s _  ç ß –  s  V , 

#

Qt “ ¦ e ” Ü ¼ 9,  l  © œ_  ~ ½ ӆ ¾ Ós  b-» ¡ ¤ \  ¨ î ' Ÿ ô  Ç  â Ä º (B k b) \  10 > h s  © œ_  ’    ñ › ' a8 £ ¤ ) a  . Fig. 1\  ⁹³ Nb (I

= 9/2, 100 %) \  _ ô  Ç 10 > h_  œ íp [ j ½ ¨› ¸\  ¦ ³ ðr  % i 

“

¦, Õ ª  s \ " f / B N" î ’    ñ ×  æ^ o ? ) a  Òì  r • ¸ e ”  .

í

 H à ºô  Ç LiNbO 3 _  é ß –  & ñ `  ¦ $ í  © œr †   “ ¦  8 • ¸

 

& ñ ? /\   H p | ¾ Ó_  ü @ ÒÔ  ¦í  HÓ ü t s  ? /Ÿ í÷ &  H X < # Œl \ 

"

f › ' a8 £ ¤ ÷ &  H Mn ²⁺ , Cr ³⁺ , Fe ³⁺ \  @ /K " f  H ‘ : r ƒ  ½ ¨”  \ 

"

f „  \  µ 1 ϳ ðô  Ç   e ” Ü ¼Ù ¼– Ð [14–17] # Œl \ " f  H Ti ³⁺ _ 

 â

Ä ºë ß –  7 H _  • ¸2 Ÿ ¤  ’ x .

Fig. 2 \ " f  H  l  © œs    & ñ _  c-» ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ ô  Ç  â Ä º (B k c) ± ú “ É r  l  © œ % ò % i \ " f # Œ Q / B N" î ’    ñ ×  æ^ o ?÷ &# Q Ô  ¦

½

©g Ë : “ ¦ V , “ É r ‚  ; Ÿ ¤`  ¦ ”   ’    ñ– Ð › ' a8 £ ¤ ÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9 / B N

Fig. 3. Experimental data and fitted curve for Ti ³⁺ in the bc-plane.

Table 1. Spin Hamiltonian parameters of Ti ³⁺ in a LiNbO ₃ crystal.

Reference g

g

This work 1.966±0.005 1.834±0.005 [19] 1.9607±0.0003 1.8405±0.0003

"

î ’    ñ_  [ jl   H Fig. 1 ˜ Ð  y © œ  . s  Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 _  — ¸

€

ª œ“ É r @ /^ ‰& h Ü ¼– Ð Fig. 1 õ  ° ú  Ü ¼ 9 / B N" î ’    ñ  H 1 l x{ 9 ô  Ç 0

Au \ " f › ' a8 £ ¤ ÷ &  H X <, s  כ “ É r ¿ º r « Ñ\ " f
š ¸  H / B N" î

×

 æd ” _  EMR B > h © œÃ º ° ú כs  ° ú  6 £ §`  ¦ _ p ô  Ç .

1. Ti ³⁺ (3d ¹ )

LiNbO 3 _  ³ ð€  \  Ti \  ¦ Å Ò{ 9  €   F  gÏ ã J] X Ö  ¦ s  7 £ x   l

 M :ë  H \  F  g • ¸  › ' a ] j Œ •\  ´ ú §s  æ ¼“    [18]. s  Qô  Ç s  Ä

»– Ð LiNbO 3 ? /\  ' ‘   ) a Ti _  p r & h  ½ ¨› ¸\  ¦ ½ ©" î 

9  H ƒ  ½ ¨ ”  ' Ÿ ÷ &% 3 Ü ¼ 9 [18,19], # Œl \ " f  H LiNbO 3

 

& ñ $ í  © œr  Ô  ¦í  HÓ ü t – Ð [ þ t # Q e ”   H ™ è| ¾ Ó_  Ti ³⁺ s “ : r \ 

@

/ô  Ç p r & h  ½ ¨› ¸\  ¦ · ú ˜  ˜ Г ¦  ô  Ç .

· ú

¡\ " f [ O " î ô  Ç@ /– Ð $ í  © œ  ) a Õ ª@ /– Ð_  LiNbO 3 é ß –  & ñ

\

" f  H Ti ³⁺ _  / B N" î ’    ñ › ' a8 £ ¤ ÷ &t  · ú §€ Œ ¤Ü ¼
, \ P & h 

Fig. 4. Fe ³⁺ EMR spectra in LiNbO 3 crystals.

Table 2. Spin Hamiltonian parameters of Nb ⁴⁺ in a LiNbO 3 .

Reference g

g

A

(MHz) A

(MHz) This work 1.82±0.01 1.71±0.01 185±6 558±9

[21] 1.90 1.72 329 689

¨ 8

Š " é ¶`  ¦ r v “ ¦ è ß –  6 £ § \   H Nb ⁴⁺ / B N" î ’    ñü < † < Êa  › ' a8 £ ¤

÷

&% 3  . s  כ “ É r $ í  © œ  ) a Õ ª@ /– Ð_  LiNbO 3 _  é ß –  & ñ ? /

\

" f  H Ti ⁴⁺ (1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ : S=0) _   © œI – Ð ” > r F  



 \ P & h  ¨ 8 Š " é ¶`  ¦ “ ¦ è ß – s Ê ê\   H Ti ⁴⁺  „   \  ¦ 

 Ÿ í S \ ‰ # Œ Ti ³⁺ (1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹ : S=1/2) _   © œI 

–

Ð   ¨ 8 Š ÷ &% 3    H  כ `  ¦ _ p ô  Ç . Ti ³⁺ / B N" î ’    ñ  H z  ´+ « >

š

¸  ? /\ " f   & ñ _  ab-¨ î €  \ " f » ¡ ¤ @ /g A“    כ Ü ¼– Ð › ' a8 £ ¤

÷

&% 3   H X < s  כ “ É r Ti ³⁺ s    & ñ _  c » ¡ ¤  © œ\  e ”   H  כ `  ¦ _  p

ô  Ç . Ti ³⁺ / B N" î ×  æd ” _  / B N" î  l  © œ\ " f ½ ¨ô  Ç g ° ú כ`  ¦ Table 1 \  & ñ o  % i   H X < s „  \  ˜ Г ¦  ) a ° ú כ [19]õ   _  { 9

u † < Ê`  ¦ · ú ˜ à º e ”  . Fig. 3“ É r Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 \ " f % 3 “ É r  l 



© œ ° ú כõ    & ñ  ) a g ° ú כÜ ¼– РÒ'  > í ß – # Œ % 3 “ É r  l  © œ ° ú כ

`

 ¦ q “ § # Œ Õ ª 2 ;  כ s  . 1 l x 0 A" é ¶ ™ è“   ⁴⁷ Ti (I=5/2) ü <

49 Ti (I=7/2) _  œ íp [ j ½ ¨› ¸  H ± ú “ É r  ƒ   ” > r F q  (y Œ •y Œ • 7.75 % ü < 5.51 %) M :ë  H“  t  › ' a8 £ ¤ ÷ &t  · ú §€ Œ ¤ .

Ma1ovichko 1 p x“ É r LiNbO 3 é ß –  & ñ $ í  © œ r \  r  Œ •Ó ü t| 9 

\

 K 2 O\  ¦ 6 wt% \  ¦ ' ‘  €    o† < Æ| ¾ ӏ : r \  ¾ ú š>  $ í  © œ

÷

&“ ¦, r  Œ •Ó ü t| 9 \ " f [Li]/[Nb] _  mo1 q \  ¦ 1 ˜ Ð  ß ¼> 

Fig. 5. Comparison of EMR spectra of Ti ³⁺ and Nb ⁴⁺

for Bkc-axis in both crystals.

Fig. 6. Comparison of EMR spectra of Ti ³⁺ and Nb ⁴⁺

for Bkb-axis in both crystals.

ï

 r q  €  ,   & ñ s  $ í  © œ½ + É M : ½ + Ëu 6   xÖ 6 x ˜ Ð   H ß ¼“ ¦  o† < Æ

|

¾ ӏ : r ˜ Ð   H  Œ •“ É r q – Ð $ í  © œ  ) a  “ ¦ ˜ Г ¦ % i   (0.942 <

[Li]/[Nb] < 1) [20,21].

LiNbO 3 é ß –  & ñ ? /\   H Z  }“ É r í  H • ¸_  r  Œ •Ó ü t| 9 – Ð $ í  © œ r

v  8 • ¸ Fe  Ô  ¦í  HÓ ü t – Ð Ÿ í† < Ê÷ &  H X < Fe ³⁺ EPR ’    ñ



 H  o† < Æ| ¾ ӏ : r& h “   Ó ü t| 9 { 9 à º2 Ÿ ¤ @ /g A$ í s  ¸ ú ˜
 
“ ¦ ‚  ; Ÿ ¤ s

 a % v  ”   “ ¦ ˜ Г ¦÷ &% 3   [6,20]. Õ ª QÙ ¼– Ð LiNbO ³ ? /

\

 Ô  ¦í  HÓ ü t – Ð ” > r F    H Fe ³⁺ EMR ’    ñ_  @ /g A$ í `  ¦ › ¸ 

†

< ÊÜ ¼– Ð+ ‹ r « Ñ ? /_  [Li]/[Nb] q \  ¦ · ú ˜ ^  ¦ à º e ”  . Fig.

4  H  © œ“ : r \ " f X-band % ò % i \ " f ü @ Ò l  © œ_  ~ ½ ӆ ¾ Ó`  ¦ c

»

¡

¤ õ 
ê ø Í >  Ù þ ¡`  ¦ M : % 3 “ É r EMR Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 s  . # Œ l

" f K 2 O  ' ‘   ) a LiNbO 3 _  Fe ³⁺ 1  p ì  r+ þ A EMR

’

   ñ Li-rich LiNbO 3 _  ’    ñ˜ Ð   s `›    8 a % ~“ É r @ /g A$ í

`

 ¦ ”   . s    õ   H K 2 O  ' ‘   ) a LiNbO 3   s `›    8



o† < Æ| ¾ ӏ : r& h  › ¸$ í ([Li]/[Nb] = 1) \  ¾ ú š>  $ í  © œ÷ &% 3 6 £ §

Fig. 7. Experimental data and fitted curve for the Nb ⁴⁺

hyperfine lines in the bc-plane.

`

 ¦
  · p . Fig. 5ü < Fig. 6“ É r Fig. 1 õ  2\ " f ü @Â Ò   l

 © œ`  ¦   & ñ _  c-» ¡ ¤ õ  ¨ î ' Ÿ  x 9  à ºf ”  >   % i `  ¦ M : % 3 

“ É

r Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 `  ¦ q “ §ô  Ç  כ s  . Ti ³⁺ _  / B N" î ’    ñ  H r « Ñ

\

  © œ › ' a \ O s   _  { 9 & ñ ô  Ç [ jl – Ð › ' a8 £ ¤ ÷ &“ ¦ e ” 6 £ §`  ¦ ^  ¦ à º e ”

 . s   כ “ É r ¿ º r « Ñ\  ¦ $ í  © œr ~  ´ M : ° ú  “ É r í  H • ¸_  Ó ü t| 9 

`

 ¦  6   x % i   H X < ¿ º r « Ñ_  s   H · ú ¡\ " f [ O " î ô  Ç @ /– Ð [Li]/[Nb] _  s ë ß – e ” Ü ¼Ù ¼– Ð Ti ³⁺   H [Li]/[Nb] q \  › ' a > 

\ O

   H  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”  . Õ ª QÙ ¼– Ð Ti ³⁺   H   & ñ ? /_  & ñ



© œ& h “   Nb s 
 Li  o \  ¦ u  ¨ 8 Š ô  Ç “ ¦ s K ½ + É Ã º e ”  .

„

 \    É r z  ´+ « >~ ½ ÓZ O `  ¦  6   x ô  Ç ƒ  ½ ¨  õ \ " f  H LiNbO 3

é

ß –  & ñ ? /\ " f Ti “ É r & ñ  © œ& h “   Li  o \  ¦ u  ¨ 8 Š ô  Ç “ ¦ [22]

˜

Г ¦ % i “ ¦, ‘ : r ƒ  ½ ¨  õ ü <• ¸ ¸ ú ˜ { 9 u    H  כ s  .

2. Nb ⁴⁺ (4d ¹ )

Nb ⁴⁺ (4d ¹ ) / B N" î ’    ñ  H $ í  © œ  ) a Õ ª@ /– Ð_  LiNbO 3 é ß –

 

& ñ \ " f  H › ' a8 £ ¤ ÷ &t  · ú §€ Œ ¤“ ¦ ”  / B N ×  æ \ " f \ P % ƒo   
 [15], ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f% ƒ! 3  CO ì  r 0 Al \ " f \ P & h  ¨ 8 Š " é ¶`  ¦ r v 

“

¦ è ß – s Ê ê\ ë ß – › ' a8 £ ¤ ÷ &  H X <, $ í  © œ  ) a Õ ª@ /– Ð\ " f  H Nb ⁵⁺

(S=0)“    © œI – Ð e ”   \ P & h  ¨ 8 Š " é ¶ õ & ñ \ " f „   \  ¦ 


Ÿ

í S \ ‰ # Œ Nb ⁴⁺ _   © œI – Ð      H  כ Ü ¼– Ð K $ 3  ) a  . Nb ⁴⁺

s

“ : r“ É r  ƒ   ” > r F q  100 %“   ⁹³ Nb (I=9/2) " é ¶   Ù þ ˜õ _ 

Nb ⁴⁺  c » ¡ ¤ \ " f  Œ ™~ ½ Ó@ /g A`  ¦ ° ú   H ~ Õ ª Q”   í ß –™ è s “ : r

¼

1 π  ^ ‰ ? /\  ” > r F    H d ¹ / B N" î ×  æd ” Ü ¼– Ð s K ½ + É Ã º e ”   [21]. Fig. 7“ É r z  ´+ « >\ " f % 3 “ É r / B N" î  l  © œ ° ú כõ  EMR B 

>

h © œÃ º\  ¦ s 6   x # Œ > í ß –  ) a  l  © œ ° ú כ`  ¦ † < Êa  Õ ª 2 ;  כ s 



.

Fig. 5 ü < 6\ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  LRLN ? /_  Nb ⁴⁺ ’    ñ_  [

jl  KLN ? /\ " f_  ’    ñ_  [ jl ˜ Ð  €  • 2.5 C  & ñ • ¸

8 y © œ > 
 z Œ ¤ . s  כ “ É r LRLN \ " f Nb ⁴⁺ / B N" î ×  æd ”  _

 0 l x • ¸  8 ´ ú §   H  כ `  ¦ _ p   9, ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f ï  r q  ô

 Ç ¿ º r « Ñ\ " f Nb ⁴⁺ _  0 l x • ¸ [Li]/[Nb]_  q \  _ ” > r ô  Ç



  H  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”  . [Li]/[Nb] < l “    â Ä º Lis   Ò7 á ¤ 

>

 ÷ &“ ¦ s  ‘   o \  ¦ Nb ⁵⁺ s “ : r s  G Ä º>   ) a   (Nb ⁵⁺ Li ) [24]. LRLN  KLN ˜ Ð  W =   o† < Æ| ¾ ӏ : r& h s Ù ¼– Ð é ß –  & ñ

?

/ Ò\  KLN ˜ Ð   8 ´ ú §“ É r Nb ì ø Í@ / o (Nb ^Li )  ” > r F ô  Ç



. Õ ª QÙ ¼– Ð Nb ⁴⁺ _  / B N" î ’    ñ  H Nb ì ø Í@ / o \ " f


š

¸  H  כ s  “ ¦ s K ½ + É Ã º e ”  . Donnerberg 1 p x [24] s  ,  

| 9

— ¸+ þ A`  ¦  6   x # Œ > í ß –ô  Ç   õ \ " f• ¸ Nb Li \  Ÿ í S \ ‰ ) a

„

   LiNbO 3 é ß –  & ñ ? /_  & ñ  © œ Nb  o (Nb N b )  „  



\  ¦ Ÿ í S \ ‰   H  כ ˜ Ð  \  -t & h Ü ¼– Ð  8 î ß –& ñ    H s 



: r& h  > í ß –  õ \  ¦ ‘ : r z  ´+ « >  õ  S X ‰ “   % i  .

IV. + s Ç Â ] Ø

K 2 O  6 wt% ' ‘   ) a LiNbO 3 ü < Li-rich LiNbO 3 \  ¦ CO ì  r 0 Al \ " f 900 ^◦ C – Ð \ P % ƒo ô  Ç + ' X-band EMR ì  r F 

g l – Ð 8 £ ¤& ñ ô  Ç   õ  $ í  © œ  ) a Õ ª@ /– Ð_   © œI \ " f  H › ' a8 £ ¤

÷

&t  · ú §~   Ti ³⁺ ü < Nb ⁴⁺ _  / B N" î ’    ñ › ' a8 £ ¤ ÷ &% 3  . s   H CO l ^ ‰ ì  r 0 Al  \ P % ƒo  õ & ñ \ " f Ti ⁴⁺ ü < Nb ⁵⁺  „   

\

 ¦ 
 Ÿ í S \ ‰ # Œ + þ A$ í  ) a  כ s  . Ti ³⁺ ü < Nb ⁴⁺ _  EMR B

> h © œÃ º\  ¦ ½ ¨ô  Ç   õ  Ti ³⁺   H s „  _  ˜ Г ¦ü <  _  { 9 u 

% i Ü ¼
 Nb ⁴⁺ _   â Ä º  H s „  _  ˜ Г ¦ü < €  •ç ß –_  s 

e ”

% 3  . ¿ º r « Ñ\ " f
 è ß – / B N" î ’    ñ\  ¦ ˜ Ѐ   r « Ñ\  › ' a

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r 2007¸   & ñ Â Ò (“ §¹ ¢ ¤“  & h  " é ¶  Ò)_  F " é ¶ Ü ¼

–

Ð ô  Dz D G † < ÆÕ ü t”  < É ª F é ß – ×  æ& h ƒ  ½ ¨™ è  \ O  (KRF-2007-412- J00901) x 9  ô  Dz D G õ † < ÆF é ß – ² D G Ù þ ˜d ” ƒ  ½ ¨G ' p'   \ O  (R15- 2006-022-01003-0) _  t " é ¶`  ¦ ~ à Î  ƒ  ½ ¨÷ &% 3 _ þ v m  .

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] A. M. Prokhorov and Yu. S. Kuz’minkov, Physics and Chemistry of Crystalline Lithium Niobate (Adam Hilger, Bristol and New York, 1990).

[2] M. S. Jang and D. J. Kim, SAEMULLI (New Phys.) 55, 165 (2007).

[3] O. F. Shirmer, O. Thiemann and M. W¨ ohlecke, J.

Phys. Chem. Solids 52, 185 (1991).

[4] H. J. Donnerberg, S. M. Tomlinson and C. R. A.

Catlow, J. Phys. Chem. Solids 52, 201 (1991).

[5] S. H. Choh, I.-W. Park and S. S. Kim, in: Modern Applications of EPR/ESR from Biophysics to Ma- terials Science, pp. 335-345, 1st Asia Pacific EPR Symposium, Hong-Kong, 1997. Singapore: Springer, 1998.

[6] Y. N. Choi, S. H. Choh, I.-W. Park, E. K. Koh and S. S. Kim, J. Korean Phys. Soc. 32, S643 (1998) and therein.

[7] I.-W. Park, Y. N. Choi, S. H. Choh and S. S. Kim, J. Korean Phys. Soc. 32, S693 (1998).

[8] Y. N. Choi, I.-W. Park, S. S. Kim, S. S. Park and S.

H. Choh, J. Phys.: Condens. Matter 11, 4723 (1999)

and therein.

[9] S. H. Choh, J. H. Kim, I.-W. Park, H. J. Kim, D.

Choi and S. S. Kim, Appl. Magn. Reson 24, 313 (2003) and therein.

[10] I.-W. Park, S. H. Choh, Y. M. Kim, U. Chon, S.

S. Kim, W. J. Kim, B. G. Kim and J. M. Sohn, J.

Korean Mag. Soc. 15, 118 (2005).

[11] T. H. Yeom, SAEMULLI (New Phys.) 53, 429 (2006).

[12] S. C. Abraham, J. M. Reddy and J. L. Bernstein, J.

Phys. Chem. Solids 27, 997 (1966).

[13] S. C. Abraham, W. C. Hamilton and J. M. Reddy, J. Phys. Chem. Solids 27, 1013 (1966).

[14] I.-W. Park, S. H. Choh and K. J. Song, J. Korean Phys. Soc. 26, 77 (1993).

[15] K. J. Song, I.-W. Park and S. H. Choh, J. Korean Phys. Soc. 26, 164 (1993).

[16] I.-W. Park, S. H. Choh, K. J. Song, T. H. Yeom and C. Rudowicz, J. Korean Phys. Soc. 26, 168 (1993).

[17] I.-W. Park, S. H. Choh, K. J. Song and J. N. Kim,

J. Korean Phys. Soc. 26, 172 (1993).

[18] R. V. Schmidt and I. P. Kaminow, App1. Phys. Lett.

25, 458 (1974).

[19] S. Juppe and 0. F. Shirmer, Phys. Lett. A117, 150 (1986).

[20] G. I. Ma1ovichko, V. G. Grachev, L. P. Yurchenko, V. Ya. Proshko, E. P. Kokanyan and V. T.

Gabrie1yan, Phys. Stat. So1. (a) 133, K29 (1992).

[21] B. C. Grabmaier and F. Otto, J. Crysta1 Growth 79, 682 (1986).

[22] B. Hauer, R. Viandent, M. F. da Sika, L. Rebouta, J. C. Soares, E. Dieguez and F. Agullo-Lopez, J.

Phys.:Condens. Matter 6, 267 (1994).

[23] D. G. McGavin, M. J. Mombourquette and J. A.

Weil, Operating instruction for computer program EPR.FOR version 5.13 (1993).

[24] H. J. Donnmerberg, S. M. Tomlinson and C. R. A.

Cat1ow, J. Phys. Chem. So1ids 52, 201 (1991).

Y. M. Kim

Nanoelectronics Team, Gwangju R&D Center, National Center for Nanoprocess and Equipments, Korea Institute of Industrial Technology, Gwangju 500-480

S. S. Kim

Department of Physics, Changwon National University, Kyoungnam 641-773 S. H. Cho

Nano Machining Laboratory, KIMM, Daejeon 305-343 (Received 29 February 2008)

Two LiNbO

single crystals grown by using the Czochralski method were employed: one was grown in a Li-rich starting material, and the other was doped with K

O. The [Li]/[Nb] ratio in the K

O-doped LiNbO

was found to be closer to 1 than that of the other crystal. The two types of samples were heated at 900

C for 2 hours in a CO gas atmosphere. The electron magnetic resonance (EMR) signals of Ti

and Nb

were measured with an X-band EMR spectrometer at 4 K. The EMR signal of Ti

, an impurity, and ten hyperfine signals of

Nb

(I=9/2) were observed after the thermal reduction, which means that Ti

and Nb

were converted into Ti

and Nb

, respectively, after the thermal reduction. The parameters of the spin Hamiltonian of these centers have been determined. The signal intensity of the Ti

center hardly depends on the [Li]/[Nb] ratio while that of the Nb

in the K

O doped crystal is found to be lower than that in the other, which implies that Nb

is ascribed to an electron trapped at an Nb

antisite and that Ti

occupies the Li sites of the crystals.

PACS numbers: 61.72.Ji, 61.18.Fs, 61.72.Hh

Keywords: Electron magnetic resonance, LiNbO

, Defect

∗

E-mail: [email protected]