Il lavoro svolto in questa tesi si inserisce nell'ambito della ricerca
dell'Ottica Integrata dei materiali e delle tecniche per la realizzazione
di guide di luce fotorefrattive. Si è studiato il processo di diffusione
termica di ferro in cristalli di niobato di litio puro e drogato con titanio,
attraverso l'analisi composizionale SIMS. Le misure del profilo di concentrazione
del ferro presentano per tutti i campioni un andamento anomalo nei primi
5-6mm, a causa di un effetto matrice dovuto alla alta concentrazione del drogante
in superficie; dopo una depressione iniziale, i profili SIMS presentano
un andamento ben fittato da una gaussiana, caratteristico della diffusione
da film 'sottile'. Non conoscendo il profilo di concentrazione del ferro
nei primi micron di profondità, non è stato possibile fornire
una stima della concentrazione assoluta del drogante. Dalle misure delle
profondità di diffusione si sono calcolati i coefficienti di diffusione
di ferro e titanio, entrambi compatibili con i dati riportati in letteratura.
Le zone più superficiali, a profondità di 1-2mm, sono state caratterizzate da misure di spettroscopia Raman e infrarossa. Le misure di infrared reflection indicano la presenza di una fase superficiale, di spessore stimabile a meno di un micron, in cui la concentrazione del ferro è superiore alla sua solubilità in niobato di litio. La presenza di un layer superficiale, ipotizzabile anche dal colore dei campioni giallo-ocra,
è indicata dall'apparizione di un nuovo picco, assente nello spettro
infrarosso del cristallo puro. Da queste analisi si può dedurre
che le diffusioni effettuate, per i tempi e le dosi di drogante scelti,
sono al confine tra i regimi di diffusione da film 'spesso' e da film 'sottile'.
Per la presenza della fase superficiale, l'accoppiamento della luce nelle
zone diffuse risulta difficile. Solo i campioni a minor concentrazione
superficiale di ferro presentano modi guidati, rivelati attraverso misure
m-lines e dark-lines. A causa delle alte perdite nell'accoppiamento della luce, i due metodi di misura rivelano un numero di modi diverso. Dal calcolo degli indici di rifrazione efficaci per i modi di propagazione, si sono ricostruiti i profili d'indice di rifrazione con i metodi di Chiang e White-Heidrich, a partire dai dati di entrambe le misure m-lines e dark-lines. Per i campioni che presentano modi di propagazione guidata, si sono correlati i due profili, d'indice e di concentrazione del drogante, verificando parzialmente il modello, che lega le due grandezze, valido per diffusioni di titanio in niobato di litio.
È stato inoltre condotto uno studio del cambiamento strutturale, indotto dalla diffusione di droganti, sulla matrice cristallina del niobato di litio attraverso misure HRXRD. Gli effetti del drogaggio di ferro e titanio sono opposti, tendendo rispettivamente ad espandere ed a comprimere le celle in direzione ortogonale alla superficie del campione. La concentrazione dei droganti, decrescente all'aumentare della profondità, induce mismatch che variano in proporzione. Le rocking curve acquisite consistono in picchi asimmetrici, dati dalla convoluzione del picco del substrato con i picchi dovuti a contributi da diverse profondità del campione. Si sono perciò stimati i massimi disaccordi reticolari introdotti dalla presenza di droganti, che nel caso della diffusione di solo ferro sono risultati proporzionali alla concentrazione superficiale del drogante. Nell'ipotesi di mismatch paralleli alla superficie molto minori a quelli ortogonali, si sono calcolati gli strain, che concorrono, per effetto fotoelastico, all'aumento dell'indice di rifrazione.
Nel caso di codiffusione di ferro e titanio, si è studiata la sovrapposizione degli effetti dei droganti, che restituiscono una rocking curve con un picco allargato sia ad angoli minori che maggiori all'angolo di Bragg del substrato. Tuttavia si è osservato che i massimi disaccordi reticolari introdotti non possono essere stimati semplicemente sommando linearmente gli effetti dei due droganti.
Con lo stesso apparato utilizzato per l'acquisizione dello spettro Raman, si è studiata la divergenza di un fascio guidato dovuta alla diminuzione dell'indice di rifrazione, per danneggiamento fotorefrattivo da parte di luce blu. Il difficile accoppiamento della luce in guida ha portato a problemi nelle misure del decadimento esponenziale dell'intensità del fascio, rivelata attraverso una fenditura. Sono perciò fornite stime della costante temporale di risposta fotorefrattiva e di danneggiamento dipendente dalle condizioni di accoppiamento. Attraverso tali misure si è stimato l'aumento della sensibilità fotorefrattiva dovuto al drogaggio con ferro.
Le prospettive aperte da questa tesi sono legate al raggiungimento del
regime di diffusione da film 'sottile', da cui valutare per difetto la
solubilità del ferro in niobato di litio. La strada più conveniente
per applicazioni pratiche è la diminuzione della dose di drogante
diffuso, dal momento che un aumento dei tempi di diffusione è meno
interessante dal punto di vista industriale.
La stima della dose massima per il drogaggio di niobato di litio puro e per il drogaggio di guide in titanio permetterebbe l'ottimizzazione del processo di diffusione del ferro e la realizzazione di guide e dispositivi optoelettronici di migliore qualità ottica. L'obiettivo è ottenere guide che permettano un buon accoppiamento della luce e che presentino un'alta sensibilità fotorefrattiva, per applicazioni olografiche.
