3.2 Scambio ionico

Lo scambio ionico è un processo termodinamico, in cui due elementi chimici vengono scambiati tra due fasi adiacenti, grazie ad un gradiente di potenziale elettrochimico. È utilizzato nella realizzazione di guide di luce in niobato di litio per drogare il cristallo, sia con protoni (proton exange, PE), sia con metalli, mediante lo scambio con Li⁺, ione ad alta mobilità. Una delle due fasi è il cristallo di niobato di litio, l'altra è una fase liquida o gassosa che contiene il drogante da scambiare con Li⁺. Nella realizzazione di guide PE, il cristallo viene immerso in un bagno di acido benzoico, la sorgente di protoni, e benzoato di litio. Portando il sistema alla temperatura di 200-300 °C per alcune ore, a causa del moto termico degli ioni del liquido e del cristallo, si producono collisioni casuali tra gli ioni alla superficie di separazione, dove avviene lo scambio tra le specie ioniche. Il gradiente di potenziale chimico all'interfaccia tra le due fasi induce un flusso di ioni H⁺ nel cristallo e contemporaneamente vengono rilasciati Li⁺ nella miscela per mantenere la neutralità di carica locale. La diffusione dello ione H⁺ nel substrato avviene per diffusione termica finchè, a causa della diversa mobilità degli ioni, non si crea un campo elettrico che mette fine al processo di diffusione:

$$\textrm{LiNbO$_3$ + $x$H$^{+}$} \to \textrm{Li$_{1-x}$H$_x$NbO$_3$ + $x$Li$^{+}$}$$

Il processo di scambio ionico può essere favorito dall'applicazione di un campo elettrico esterno (fig. 3.3); in questo caso il meccanismo di trasporto dominante è dovuto al potenziale esterno applicato, che prevale sul moto diffusivo delle specie ioniche.

Figura 3.3: Processo di scambio ionico in soluzione acida. A destra scambio ionico elettroassistito, dove lo strato guidante si forma su una sola superficie del substrato.

Nel niobato di litio, lo scambio protonico isovalente H⁺ → Li⁺ produce un aumento del solo indice di rifrazione straordinario ed una leggera diminuzione di quello ordinario. Sono perciò realizzabili guide di luce che si propaga con sola polarizzazione straordinaria (TE per cristalli x-cut, TM per z-cut). Il profilo d'indice che si ottiene è a step-index, con profondità fino a 8 mm; il salto d'indice superficiale è dell'ordine di Dn_e = 0.1 e dipende dalla quantità di protoni scambiati, ossia dalla temperatura e dal tempo di scambio, nonché dalla percentuale molare del benzoato di litio presente nella fase liquida [29]. È opportuno sottoporre i campioni proton exchanged ad annealing per ristabilire le proprietà acustico-ottiche ed elettro-ottiche del substrato, necessarie per la realizzazione di dispositivi ottici. In seguito ad annealing termico, il riordino della matrice cristallina è seguito dalla diffusione dei protoni in profondità, il cui profilo tende a diventare gaussiano [8].

Guide di luce in niobato di litio drogato con ferro per applicazioni olografiche
Barbara Imperio
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