Domain Engineering via Ion-Exchange in a Ferroelectric Ionic Conductor

QC 2024-11-13

Abstract

Rb-dopad KTiOPO₄, ett ferroelektriskt jonledare är ett lovande ickelinjärt optiskt material för att konstruera periodiska ferroelektriska domäner för frekvenskonvertering via kvasi-fasmatchningsteknik (QPM). Prestandan hos QPM-komponenten är beroende av kvaliteten på de konstruerade periodiska domänerna och nyligen rapporterades det som en av de mest pålitliga metoderna för att uppnå domäner med hög bildförhållande. Det är baserat på att använda jonutbyte för att modifiera koercitivfältet för RKTP. Denna nya metod har tillåtit demonstration av periodiska domäner i sub-µm-området, vilket möjliggör många intressanta ickelinjära optiska fenomen som ännu inte har demonstrerats med andra ferroelektriska material. I början av detta arbete var den underliggande fysiken för koercitivfält dåligt förstådd.  En djupare förståelse för interaktionen mellan jonbyte och polningsdynamik är avgörande för att fullt ut kunna utnyttja denna teknik för konstruktion av nya QPM-komponenter. Denna avhandling undersöker tekniker för kontroll av koercitivfältet genom jonbytesprocesser för ferroelektrisk domänteknik. Den studerar två primära jonbytesmetoder i RKTP: monovalent rubidium (Rb⁺) och tvåvärt barium (Ba²⁺) joner. Dessa två jonarter, med olika laddningsnummer och jonradier, spelar distinkta roller för att förstärka koercitivfältet i RKTP genom olika mekanismer. Olika tekniker används för att utföra dessa studier.

Växlingen av polarisationen karaktäriseras i bulk hos Rb- och Ba-utbytt RKTP. Genom att undersöka switchtiden kan det inducerade koercitivfältet från dessa två typer av jonutbyte jämföras systematiskt, där en högre switchtid motsvarar ett högre koercitivfält. Ramanspektroskopi används för att undersöka de mikrostrukturella förändringarna som induceras av Rb-utbytet i RKTP-kristaller. Denna teknik avslöjar att indiffuserat Rb⁺ har inverkan på de oktaedriska TiO₆- och tetraedriska PO₄-grupperna. Dessutom utförs time-of-flight sekundär jonmasspektrometri (ToF-SIMS) mätningar under in-situ uppvärmningsförhållanden för att förstå dynamiken i jonbytesprocessen.  För att ytterligare förstå beteendet hos Ba-exchange, används bandexcitation piezoresponse force microscopy (BE-PFM) för att undersöka egenskaper hos växlingen av polarisationen i Ba-utbytta prover på nanoskala. Mätningarna avslöjar att Ba-utbytet ökar den lokala jonkonduktiviteten, vilket effektivt screenar polarisationsväxling och gör domänkärnbildning mer energiskt kostsam. Från jämförelsen och observationerna från Raman och BE-PFM blir det uppenbart att mekanismerna för att inducera koercitivfältet av dessa två typer av joner är mycket olika.

Båda teknikerna används för att demonstrera högeffektiva QPM-komponenter. Genom att kombinera Ba-utbyte för periodisk polning, och en post-poling Rb-utbytesprocess, visar vi vågledare med oberoende kontroll av koercitivfält och brytningsindex. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-356259