Φωτοεπαγόµενες παραµορφώσεις σε κρυστάλλους LiNbO3 µε προσµίξεις σιδήρου. In situ µελέτη µε συνδυασµό τοπογραφίας σύγχροτρον και περιθλασιµετ...

Abstract

Το νιοβικό λίθιο είναι ένας τεχνητός πιεζοηλεκτρικός, ηλεκτρο-οπτικός κρύσταλλος µε πολλές εφαρµογές σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Φωτισµός του LiNbO3 µε ορατή ακτινοβολία έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου φορτίων χώρου κατά µήκος του άξονα πόλωσης c στον όγκο του υλικού (φωτοβολταϊκό φαινόµενο όγκου). Με τη συνδυαστική χρήση των πλέον σύγχρονων µεθόδων περιθλασιµετρίας υψηλής διακριτικής ικανότητας και τοπογραφίας ακτινοβολίας synchrotron παρατηρήσαµε πως ο φωτισµός δειγµάτων Fe:LiNbO3 µε λευκή ορατή ακτινοβολία έχει ως αποτέλεσµα την εµφάνιση κρυσταλλικών παραµορφώσεων στον όγκο του υλικού. Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η συστηµατική µελέτη των κρυσταλλικών παραµορφώσεων οι οποίες επάγονται στους κρυστάλλους νιοβικού λιθίου µε προσµίξεις κατά το φωτισµό τους µε ορατή ακτινοβολία µε σκοπό να προσδιοριστούν πλήρως οι παραµορφώσεις αυτές και να διερευνηθεί ο µηχανισµός δηµιουργίας τους. Για το λόγο αυτό διερευνήθηκε το είδος των παραµορφώσεων, η χωρική και χρονική εξέλιξή τους και η εξάρτησή τους από τη φύση της πρόσµιξης, από τις διαστάσεις της φωτεινής δέσµης και της έντασης της ακτινοβολίας. Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα υπολογίστηκε το φωτοβολταϊκό πεδίο φορτίων χώρου και εξάχθηκαν συµπεράσµατα για τις δυνατότητες των σύγχρονων µεθόδων περίθλασης και τοπογραφίας ακτίνων-Χ. Παρατηρήθηκε πως ο φωτισµός δειγµάτων Fe:LiNbO3 µε λευκή ορατή ακτινοβολία είχε ως αποτέλεσµα την εµφάνιση κρυσταλλικών παραµορφώσεων στην φωτιζόµενη περιοχή. ?εν παρατηρήθηκαν κρυσταλλικές παραµορφώσεις κατά το φωτισµό δειγµάτων µε πρόσµιξη µαγνησίου ή σε καθαρά δείγµατα. Για τα δείγµατα x-cut και z-cut Fe: LiNbO3 οι παραµορφώσεις απεικονίστηκαν ως αντίθεση έντασης σε τοπογραφίες ακτινοβολίας σύγχροτρον. Από τις µονοχρωµατικές τοπογραφίες συναρτήσει της γωνίας πρόσπτωσης των ακτίνων-Χ εξάχθηκαν οι καµπύλες περίθλασης απ’όλο τον κρύσταλλο µε χωρική ανάλυση έως και 10µm. Από τη µεταβολή της θέσης και της µορφής των καµπυλών περίθλασης µετά το φωτισµό σχεδιάστηκαν οι χάρτες ισοϋψών του ενεργού αποπροσανατολισµού και του εύρους στην ηµίσεια τιµή των καµπυλών περίθλασης. Από τον χάρτη ισοϋψών του ενεργού αποπροσανατολισµού στο δείγµα z-cut υπολογίστηκε η εκτατική παραµόρφωση στο κέντρο της φωτιζόµενης περιοχής εzz=0.8?10-4 και η διατµητική παραµόρφωση στα όρια της φωτιζόµενης περιοχής εzx(zy) =1.35?10-4 arcs. Θεωρήσαµε ότι ο φωτισµός στο Fe:LiNbO3 δηµιουργεί µέσω του φωτοβολταϊκού φαινοµένου όγκου περιοχές φορτίων χώρου στο εσωτερικό του κρυστάλλου παράλληλα µε τη φυσική επιφάνεια και αποδώσαµε µέσω του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινοµένου την παραµόρφωση στο κέντρο στη συνιστώσα Εz του πεδίου και την παραµόρφωση στα όρια κατά κύριο λόγο στις συνιστώσες Εx, Ey του πεδίου.

Lithium niobate is an artificial piezoelectric electro-optic crystal with many applications in optoelectronic devices. The illumination of a LiNbO3 crystal with visible radiation has as a consequence the development of a bulk space charge electric field along polar axis c of the crystal (bulk photovoltaic effect). Using a combination of advanced high resolution X-ray diffractometry and synchrotron topography (synchrotron area diffractometry) we have observed that the illumination of Fe:LiNbO3 samples with white light results in the development of deformations in the bulk of the crystal. Object of the present dissertation is the systematic study of these crystalline deformations in order to determine the different components of deformation tensor and the mechanism that creates them. For this reason we have studied the type of the deformations, its spatial and temporal evolution and its dependence on the nature of the doping material, the dimensions of the light pattern and the intensity of the light. Based on our experimental results we extracted a value for the bulk photovoltaic field in Fe:LiNbO3 demonstrating the possibilities of the most advanced method of synchrotron diffraction and topography. We have observed that the illumination of Fe:LiNbO3 samples with white light resulted in the development of deformations following the macroscopic pattern of inhomogeneous illumination. We did not observe any deformations after the illumination of Mg doped or non doped samples. For the x-cut and z-cut Fe: LiNbO3 samples the deformations have been visualized as contrast in synchrotron radiation topographs. From the monochromatic topographs as a function of x-ray incidence angle, we have extracted the rocking curves from the whole crystal with a spatial resolution of 10µm. We have used the angular shift of the peak of the rocking curves after illumination in order to draw the contour maps of the effective misorientation from the whole crystal. The effective misorientation contour map of the z-cut sample was used in order to calculate the tensile strain in the centre of the illuminated region, εzz=0.8?10-4 and the shear deformations at the borders of the illuminated region, εzx(zy) =1.35?10-4. We have assumed that the illumination of a Fe:LiNbO3 crystal creates, through the bulk photovoltaic effect, space charge regions parallel to the physical surfaces of the z-cut sample. Through the converse piezoelectric effect we have attributed the photodeformations in the centre of the illuminated region to the Εz component of the bulk photovoltaic field and the photodeformations in the borders of the illuminated region mainly to the Εx,Ey components of the electric field. The lattice deformations developed in the z-cut Fe:LiNbO3 crystal after illumination can be used to study the space charge field Εph . Based on the experimental results of the present study we have calculated the bulk photovoltaic field for the 0.138 mole% Fe:LiNbO3 crystal (cFe+2 =6x1024m-3), Eph= 1.3± 0.1?107 V/m. We have studied the temporal evolution of the deformations and its dependence on the light intensity and compared it with the corresponding temporal evolution of the photovoltaic electric potential induced in the z-cut sample. We have confirmed that the deformations in iron doped lithium niobate are related to the macroscopic photovoltaic field since the simulation of relaxation times vs light intensity with the use of Eph= 1.3?107 V/m describes very well the experimental relaxation times. The experimental results of the illumination of the x-cut crystal showed that the photodeformations relax in the crystal surface in a different way than in the z-cut crystal. In the x-cut sample the contribution of extra elastic terms that have to be introduced in order to relax the incompatibility between regions of the crystal with different piezoelectric deformations seems to be more important and anisotropic.