Ion beam damage by electronic excitation with swift heavy ions in lithium niobate mechanisms and nanostructuring for photonic applications

Resumen

objetivo de esta Tesis consiste en comprender y modelizar el origen del daño producido por la alta excitación electrónica durante la irradiación con iones energéticos y, de este modo, tratar de aplicar este conocimiento para diseñar y fabricar capas ópticas mediante la modificación por haz de iones de las propiedades estructurales del niobato de litio. Se discuten los diferentes mecanismos responsables del daño observado, y muestra cómo se puede utilizar para nanoestructuración y aplicación fotónica en LiNbO3. Esta Tesis muestra las ventajas de la utilización de haces de iones en ciencia aplicada de materiales y nanotecnología. Esta investigación ha sido llevada a cabo principalmente en el Centro de Micro-Análisis de Materiales (CMAM) de la Universidad Autónoma de Madrid (España). Sin embargo, tiempo de haz de otras instalaciones de investigación europeas, es decir, el Grand Accélérateur National d¿Ions Lourds (GANIL) en Caen (Francia) y el GSI de Darmstadt (Alemania), también fue utilizado. La tesis se divide en tres partes. La primera parte contiene una introducción al campo de estudio, al material investigado LiNbO3, y al propósito de la presente investigación. En la segunda parte se presentan las técnicas analíticas e instrumentos utilizados para la presente investigación. Finalmente, en la tercera parte, se presentan los resultados de esta Tesis, siendo discutidos cuidadosamente. Al final de la Tesis se resumen los principales resultados y las conclusiones generales de este trabajo. Los principales resultados de esta Tesis se basan esencialmente en cuatro investigaciones experimentales importantes: El primero explora los principales problemas relacionados con los defectos creados por la irradiación con iones. Este estudio trata de aclarar la estructura de la traza latente iónica y la determinación del umbral de amorfización. Un nuevo modelo teórico se presenta para explicar los resultados experimentales. Se ha desarrollado la novedosa idea de que los defectos puntuales se producen alrededor de la trayectoria del ion sea cual sea el poder de frenado electrónico, y se ha propuesto que estos defectos se producen como consecuencia del decaimiento no radiativo de los excitones localizados (o auto-atrapados). El mecanismo propuesto de crecimiento del daño bajo la radiación de iones es más consistente que los modelos anteriores basados en el mecanismo de pico térmico o en el simple mecanismo excitónico, y contiene una descripción convincente de la formación del daño por debajo del umbral. En este último régimen el uso de un código Monte Carlo permite una visión más profunda del proceso. La segunda investigación tiene que ver con el estudio de la morfología de la nanoporos obtenidos tras ataque químico de los daños inducidos en LiNbO3 por irradiación iónica de una gran variedad de iones y energías. El papel del tiempo de ataque y el agente químico sobre la morfología de los poros, el diámetro, la profundidad y la forma fueron también estudiados. La tercera parte experimental está dedicado a obtener un conocimiento más profundo sobre la cinética de recocido de las propiedades de recristalización del daño cuando éste está constituido principalmente por nanotrazas amorfas, y comparada con el caso límite de una intercara cristalino-completamente amorfa. Información importante sobre las diferentes etapas en la recuperación del daño fue obtenida. Un comportamiento de recrecimiento epitaxial, ha sido encontrado, mostrando dos claros regímenes cinéticos distintos durante la disminución del radio de la traza respecto al tiempo de recocido. Una sistemática de datos sobre la cinética de la recristalización de las trazas amorfas aisladas y de las capas homogénea, que han sido generadas en LiNbO3 por irradiación de alta energía utilizando baja o alta fluencia de iones, fue obtenida. Además, una ley de escalado universal, ha sido encontrada para describir el proceso, y un modelo de nucleación simple se utiliza para describir los fenómenos observados. Esta es la primera vez en la una investigación completa a cerca del mecanismo de recocido ha sido realizada en niobato de litio implantado con iones. Los resultados mostrados son muy importantes tanto para comprender la naturaleza de los defectos como para el diseño del daño para aplicaciones ópticas. Finalmente, el trabajo se completa con las investigaciones sobre la fabricación de guías de onda ópticas muy profundas en LiNbO3 utilizando el daño inducido con iones pesados y rápidos, a fluencias de irradiación ultra bajas, mucho más bajas que las utilizadas normalmente. Esto permite la creación de guías de onda mucho más gruesas (hasta decenas de micras). Tales guías de onda ópticas gruesas pueden ser útiles en dispositivos fotónicos para el infrarrojo medio.