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화학적 polishing 및 etching을 통한 RE : YAG (RE = Nd3+, Er3+, Yb3+) 단결정의 표면 결함 분석
Analysis of surface defect in RE : YAG (RE = Nd3+, Er3+, Yb3+) single crystal using chemical polishing and etching 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.4, 2016년, pp.131 - 134  

심장보 (한국화학연구원, 박막재료 연구센터) ,  강진기 ((주)엔티에스) ,  이영국 (한국화학연구원, 박막재료 연구센터)

초록
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Czochralski 법으로 성장한 RE : YAG ($RE=Nd^{3+}\;,Er^{3+}\;,Yb^{3+}$) 단결정의 표면 결함을 측정하는 chemical polishing 및 etching 조건에 대하여 조사하였다. 최적의 chemical polishing 조건은 시편을 수직 방향으로 고정하고 85 % $H_3PO_4$ 용액에서 $330^{\circ}C$, 30분 동안 진행한 것이었다. 또한 최적의 chemical etching 조건은 85 % $H_3PO_4$ 용액에서 $260^{\circ}C$, 1시간 동안 진행한 것이었고, (111) 면에 $70~80{\mu}m$ 크기의 삼각형 etch pit들이 관찰되었다. 결함 밀도 분석 결과, Nd(1 %) : YAG는 $1.9{\times}10^3$개/$cm^2$, Er(7.3 %) : YAG는 $4.3{\times}10^2$개/$cm^2$, Yb(15 %) : YAG는 $5.1{\times}10^2$개/$cm^2$로 측정되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The conditions for chemical polishing and etching technique were investigated to reveal surface defects in RE : YAG ($RE=Nd^{3+},\;Er^{3+},\;Yb^{3+}$) single crystals grown by Czochralski method. The optimal condition for chemical polishing was in 85 % $H_3PO_4$ solution at

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 용액을 사용했으며, chemical polishing은 온도를 330℃로 고정한 상태에서 시간을 20분, 30분, 40분으로 변화시켜가며 표면 상태를 확인하였다. 또한 시편이 bath 바닥에 수평 및 수직하게 위치한 영향에 대해서도 고찰하였다. Chemical etching은 시간을 20분으로 고정한 상태에서 온도를 220℃, 240℃, 260℃로 변화시킨 것과 온도를 260℃로 고정한 상태에서 시간을 20분, 1시간, 1시간 30분으로 변화시킨 것의 표면 상태 및 etch pit 형상을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 H3PO4 용액에서 온도와 시간에 따른 RE : YAG 단결정 표면의 chemical polishing과 etching 거동에 대하여 고찰하였고 RE : YAG 단결정의 결함 밀도(Etch pit density, EPD)에 대한 분석도 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
yttrium aluminum garnet은 어떤 특성을 가지고 있으며, 어떤 소자에 적합한가? 호스트 물질로서 yttrium aluminum garnet(Y3Al5O12, YAG)은 높은 열전도도, 우수한 물리, 화학적 특성을 가지고 있기 때문에 Nd3+, Er3+, Yb3+ 등의 희토류 원소를 치환하는 레이저 소자에 아주 적합하다. 3가의 희토류를 치환한 YAG는 활성 레이저 재료, 형광체, 신틸레이터와 같은 넓은 영역의 응용을 가진 중요한 광자 재료이다[1, 2].
Doped YAG 결정들은 어떤 과정에서 표면 손상이 발생하는가? Doped YAG 결정들은 후가공 즉, core-drilling, cutting, polishing으로부터 표면 손상이 발생한다. 이러한 표면 손상은 고온에서 wet chemical etching으로 감소 혹은 제거될 수 있다고 알려져 왔다.
Doped YAG 결정에 발생한 손상을 감소 혹은 제거하려면 어떻게 해야한다고 알려져 왔는가? Doped YAG 결정들은 후가공 즉, core-drilling, cutting, polishing으로부터 표면 손상이 발생한다. 이러한 표면 손상은 고온에서 wet chemical etching으로 감소 혹은 제거될 수 있다고 알려져 왔다. 그러나 합리적인 etching 속도로 Nd : YAG 결정의 바깥쪽 layer를 제거하는 chemical etchant는 800oC 이상의 용융 상태의 KOH, 250oC의 농축 (> 40 %) HCl[3], 농축 H3PO4[4, 5] 및 H3PO4과 H2SO4의 혼합 용액[6]으로 그 수가 제한적이다.
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참고문헌 (12)

  1. A.A. Kaminski, "Laser crystals", Springer, New York (1981). 

  2. M.A. Dubinskii, K.L. Schepler, V.V. Semashko, R.Yu. Abdulsabirov, S.L. Korableva and A.K. Naumov, "Spectroscopic analogy approach in selective search for new $Ce^{3+}$ -activated all-solid-state tunable ultraviolet laser materials", J. Mod. Opt. 45 (1998) 221. 

  3. Y. Shimony, Y. Kalisky, H. Lotem, Z. Goldbart and J. Kagan, "Growth and characterization of (Ho,Tm,Er) : YAG crystals for 2.09 ${\mu}m$ laser", J. Appl. Phys. 68 (1990) 2966. 

  4. C. Belouet, "About crystalline perfection of Nd-doped YAG single crystals", J. Crystal Growth 15 (1972) 188. 

  5. M. Gerber and Th. Graf, "Optimum parameters to etch Nd : YAG crystals with orthphosphoric acid $H_3PO_4 ", Optics & Laser Technology 33 (2001) 449. 

  6. K.E. Shafer, D.E. Eakins, D.F. Bahr, M.G. Norton and K.G. Lynn, "Strength enhancement of single crystal laser components", J. Mater. Res. 18 (2003) 2537. 

  7. S. Maekawa, T. Tohyama and I. Morita, "Etch pits at dislocations in yttriun aluminum garnet", J. Crystal Growth 18 (1973) 99. 

  8. M. Swirkowski, M. Skorczakowski, J. Jabczynski, A. Bajor, E. Tymicki, B. Kaczmarek and T. Lukasiewicz, "Investigation of structural, optical and lasing properties of YAG : Yb single crystals", Opto-Electronics Review 13 (2005) 213. 

  9. S. Kostic, Z.Z. Lazarevic, V. Radojevic, A. Milutinovic, M. Romcevic, N.Z. Romcevic and A. Valcic, "Study of structural and optical properties of YAG and Nd : YAG single crystals", Materials Research Bulletin 63 (2015) 80. 

  10. Y. Peizhi, D. Peizhen, Y. Zhiwen and T. Yulian, "The growth defects in Czochralski-grown Yb : YAG crystal", J. Crystal Growth 218 (2000) 87. 

  11. L. Burgess, F.J. Kumar and J. Mackenzie, "Orientation dependence of etch pit density in (111) and (211) CdZnTe everson etch", J. Electron. Mater. 44 (2015) 3277. 

  12. R.D. Shannon, "Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides", Acta Cryst. A32 (1976) 751. 

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