Diapositiva 1

CNISMeeting – PD 2011
Materiali ferroelettrici per
applicazioni in ottica integrata ed
olografia
Marco Bazzan, Cinzia Sada
Nicola Argiolas, Maria Vittoria Ciampolillo
Annamaria Zaltron
Materiali ferroelettrici
Materiali con momento di dipolo elettrico P non nullo
Polarizzazione elettrica residua PR0 a temperature T< TC
Sono costituiti da dipoli elettrici
elementari che contribuiscono alla
polarizzazione complessiva del
materiale.
Si organizzano in domini
ferroelettrici la cui polarizzazione
può esser invertita
dall’applicazione di un campo
elettrico.
Polarizzazione
Campo elettrico
L’inversione può anche esser
periodica
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Materiali ferroelettrici in ottica integrata
Il niobato di litio
+
a3
Asse c
asse c
Li
<001>
a2
Nb
Y
Li
a1
Ps
X
LiNbO3 Z-cut
Nb
Ossigeno
DzLi =0.69Å
DzNb=0.26Å
LiNbO3 X-cut
Litio
Niobio
3
Proprietà del niobato di litio
Piezoelettricità
P=pσ
Piroelettricità
Δ Ps = πΔT
Elettro-ottico
indice di rifrazione n dipende dal campo
elettrico applicato E: n=n(E)
Fotorifrattivo
illuminazione non omogenea modifica l’indice
di rifrazione n
Proprietà ottiche non lineari
P dipende dal campo elettrico E
P=ε0χ(1)E + 2dE2 + ….
PNL
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Fotorifrattività
1. Illuminazione non omogenea foto-eccita cariche da centri donori che si ridistribuiscono
conseguentemente nel materiale;
2. Il campo elettrico spaziale che si instaura modifica l’indice di rifrazione via effetto
elettro-ottico;
3. Registrazione del pattern luminoso in pattern di indice di rifrazione: MEMORIA OTTICA.
Trasporto nel materiale
e-
Donore
+
Accettore

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Fotorifrattività
Applicazioni
La proprietà fotorifrattiva dipende da:
1.Presenza di centri donori/accettori di carica;
2.Struttura del materiale e difettualità;
3.Trasporto di carica nel materiale
Può esser esaltata incorporando opportuni droganti nel materiale che si comportino da
donore/accettore: Ferro (Fe3+/Fe2+), Rame,..
Applicazioni: memorie ottiche, registrazione olografica, sensori
dispositivi di volume e/o integrati con guide di luce.
Può esser ridotta drogando il materiale con elementi che alterano i processi di
trasporto di carica: Zirconio, Afnio,Magnesio, Zinco..
Applicazioni: stadi ottici in cui il segnale non deve modificarsi nella
propagazione, come in: guide di luce, modulatori ottici,
duplicatori di frequenza.
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Attività di ricerca
Preparazione del materiale
Studio dell’incorporazione di droganti in niobato di litio:
Drogaggio del materiale
1.locale (diffusione termica da film sottile, impianto ionico);
T700°-1100°C
tempo= 8-120h
2.di volume (crescita di cristalli mediante tecnica Czochralski)
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Attività di ricerca
Un esempio: la crescita di cristalli
contatto
collo
corpo
collo
~1.5cm
tempo
temperatura
fuso
Raggio Rc
spalla
~5°C
tempo
mcorpom
t
spalla
corpo
e
real
t
impostata
 m 


t


Rc2vc  s  
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Attività di ricerca
Caratterizzazione del materiale
Studio delle proprietà del materiale:
1.Profilo composizionale del drogante (spettrometria di massa di ioni secondari);
2.Proprietà strutturali della regione drogata (diffrazione da raggi X in alta
risoluzione per la misura del parametro di cella, stima della deformazione
reticolare e difetti);
3.Proprietà ottiche (misura delle proprietà fotorifrattive, della trasmittanza, misura
del profilo di indice di rifrazione in guide di luce, diffusione della luce).
Studio della fisica di base:
1.Correlazione delle proprietà ottiche alla composizione e alla struttura della
regione drogata;
2.Sviluppo di modelli per la descrizione degli effetti dell’incorporazione del
drogante;
3.Sviluppo di modelli di trasporto di carica e trasporto di materia (drogante).
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Progetto PRIN
2010/2012 - Università di PD e Roma La Sapienza
PHOTONCHIP photonic lab-on-chip: Laboratorio fotonico integrato per il
riconoscimento selettivo di sostanze chimiche
riferimento
riferimento
ksig
kh
kref
segnale
Lettura
Scrittura
Riferimento
in guida
Output
Output
Segnale
in guida
input
ologramma
input
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Photonic-Lab-on-chip
NH3
Design
I
OK!
λ
NH3
I
λ
Lettura
Scrittura
OK!
Sensore
??
Rivelazione
della sostanza
in altri
ambienti
I
Input
CH3COOH
NH3
CH3H6O
C2H5OH
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Proprietà ottiche non lineari
Generazione di luce
La propagazione di luce in materiali non lineari è
governata dalle equazioni di Maxwell: se P dipende
da E in modo non lineare, la componente PNL
“agisce” come sorgente di radiazione S ad una
frequenza (lunghezza d’onda) diversa
Luce incidente
Sorgente di luce
S
Luce generata
Mezzo non lineare
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Proprietà ottiche non lineari
Generazione di luce
Interazione con il materiale con proprietà ottiche non lineari comporta la
conversione di energia dal segnale incidente verso il segnale generato
Esempio: generazione di seconda armonica SHG 2
Applicazione: Realizzazione di sorgenti di luce a lunghezze d’onda
non reperibili in commercio
Essenziale: propagazione dei fasci luminosi
senza modifiche  bassa fotorifrattività
Dopo la lunghezza di coerenza lc i fasci a
 e 2 si sfasano: conversione di energia non
efficiente
I
I2 
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L
Conversione di frequenza
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Generazione di luce
Conversione di frequenza e domini ferroelettrici periodicamente invertiti
lc 

1
4 n( )  n(2 )

Invertendo periodicamente i domini ferroelettrici è
possibile mantenere la conversione di energia dal
segnale incidente () verso quello generato (2)
Phase matching
Quasi Phase Matching
no Matching
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Attività di ricerca
Realizzazione di strutture a domini ferroelettrici periodicamente invertiti
Poling elettrico
Domini ferroelettrici periodici
+
ddp
lc nel visibile 3-10 μm
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Processi fotolitografici di deposizione degli elettrodi;
Processo di poling elettrico;
Caratterizzazione ottica e strutturale dei domini ferroelettrici;
Correlazione delle proprietà del materiale;
Studio del processo di formazione dei domini e relativo accrescimento;
Modellizzazione dei fenomeni fisici in dipendenza del drogante (abbattimento
fotorifrattività);
7. Caratterizzazione e design del dispositivo finale (in collaborazione con
Università di Pavia e Università di Palermo).
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Progetto di Eccellenza Ca.Ri.Pa.Ro
2009-2012
Convertitore di frequenza nel visibile basato su cristalli di niobato di litio con
domini ferroelettrici periodicamente invertiti su substrati ad elevata
resistenza al danneggiamento ottico
Guida di luce
Specchi Bragg a 2
Substrato Zr:LiNbO3
3 (pompa)
2
1
Specchio Bragg a 1
1 (signale)
Ottica di focalizzazione e
filtro
Beamsplitter
supporto
Regione con domini periodici
Specchio Bragg a 1
Applicazione:
sorgente di luce per applicazioni
in anticontraffazione
Laser a Diodo
OPO integrato
CCD
Substrato da analizzare
(ad esempio PUF per
anticontraffazione)
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Collaborazioni
Internazionali
Principali Collaborazioni Internazionali
Standford
Francia:
Spagna:
Ungheria:
India:
USA:
Metz Budapest
Madrid
New Delhi
Università di Metz Nancy e Lab. Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (LMOPS)
Universidad Autonoma de Madrid e Center of Microanalisis de Materiales (CMAM)
Research Laboratory for Crystal Physics of the Hungarian Academy of Sciences
Inter University Accelerator Center
Università di Standford
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Collaborazioni
Nazionali
Principali collaborazioni in Italia
Università di Milano e Politecnico
Università di Pavia
Università di Palermo
Università di Pisa
Politecnico di Torino
Università di Roma
CNR
Istituto IMM
Istituto INO
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