Formation de structures de domaines régulières et conversion de longueur d'onde dans le niobate de lithium modifié par échange protonique

Formation of a regular domain structure and wavelength conversion in lithium niobate modified by the proton exchange

• Auteur / Autrice : Evgenii Savelev
• Direction : Pascal Baldi, Vladimir Ya Shur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec Université d'Oural
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Raineri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Baldi, Vladimir Ya Shur, Fabrice Raineri, Ausrine Bartasyte, Alexander N. Vtyurin, Mikhail Kashchenko
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ausrine Bartasyte, Alexander N. Vtyurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Ingénierie de domaine

Guides d'ondes

Ferroélectricité

Mots clés libres

Ferroélectrique

Guides d'ondes

Ingénierie de domaine

Gradient de composition

Nanotechnologie

Conversion de longueur d'onde lumineuse

Ferroelectrics

Waveguides

Domain engineering

Composition gradient

Nanotechnology

Light wavelength conversion

Résumé

Buts de la recherche: (1) étude de l'évolution de la structure de domaine dans les monocristaux CLN modifiés par la méthode d'échange protonique doux lors de la commutation de la polarisation dans le champ électrique homogène et dans le champ créé par un microscope sonde à balayage, (2) analyse de la génération de seconde harmonique dans les monocristaux CLN dopés au magnésium avec une structure de domaine régulière créée au moyen d'un balayage par faisceau d'électrons.Pour atteindre ces buts, les principaux objectifs suivants ont été formulés:1. Étudier les particularités de la croissance anormale des domaines lamellaires sur la surface polaire pendant la commutation de polarisation dans les monocristaux de niobate de lithium modifiés par échange protonique doux.2. Étudier l'influence des paramètres d'échange protonique sur la distribution spatiale de la composition, la cinétique de la structure de domaine et les champs de seuil dans les monocristaux de niobate de lithium modifiés.3. Élaborer des méthodes de structures de domaine quasi-périodiques et régulières dans les monocristaux de niobate de lithium modifiés.4. Étudier les particularités de la génération de seconde harmonique dans les monocristaux de niobate de lithium dopés au magnésium avec une structure de domaine régulière créée au moyen d'un balayage par faisceau d'électrons focalisés.Méthodologie et méthodes de recherche.Des études expérimentales systématiques de la structure de domaine ont été réalisées à l'aide d'équipements analytiques modernes de haute précision. La visualisation in situ de l'évolution de DS a été réalisée à l'aide de la microscopie optique avec une caméra à grande vitesse. La distribution spatiale des ions H+ dans les plaques étudiées a été mesurée à l'aide de la microscopie confocale Raman (СRM). La visualisation non destructive de DS sur la surface a été réalisée par microscopie à force piézoélectrique à balayage (PFM). La visualisation des domaines en volume a été réalisée à l'aide de CRM et de la microscopie à génération de seconde harmonique (SHG). La commutation de polarisation locale à l'aide d'un microscope sonde à balayage a été utilisée pour créer des domaines isolés et des structures de domaine.PRINCIPAUX RÉSULTATS ET CONCLUSIONS DE L'ÉTUDE1. Il a été étudié pour la première fois la croissance anormale de domaines lamellaires sur la surface polaire Z pendant la commutation de polarisation dans des monocristaux de niobate de lithium modifiés par un échange protonique doux.2. Il a été trouvé que les champs de seuil de formation de domains anormalement bas sur la surface polaire Z dépendaient de la durée du processus d'échange protonique.3. Il a été détecté l'effet de la formation de structures de domaine quasi-périodiques pendant la croissance de domaines lamellaires à partir d'une paroi de domaine planaire.4. La diminution anormale observée des champs de seuil de la croissance des domaines lamellaires à la suite d'un échange protonique doux est attribuée à la formation d'un champ interne de cohérence causé par la présence d'un gradient de composition dans la couche superficielle.5. Il est démontré que la valeur du gradient de composition dans la couche superficielle croît avec l'augmentation de la durée de l'échange protonique, ce qui conduit à une diminution du champ de seuil.6. Il est démontré qu'il est possible de créer une structure de domaine régulière et stable avec une période de 500 nm en commutant localement la polarisation à l'aide d'un microscope sonde à balayage.7. Il a été obtenu pour la première fois une émission de 374 nm de longueur d'onde par génération de seconde harmonique dans un cristal de niobate de lithium dopé au magnésium avec une structure de domaine régulière d'une période de 2 µm créée par balayage à l'aide d'un faisceau d'électrons focalisé.

Conclusion1. The abnormal growth of stripe domains on the Z-polar surface during polarization switching in lithium niobate single crystals modified by soft proton exchange was studied for the first time.2. The dependences of abnormally low values of threshold fields of domain formation on the Z-polar surface on the duration of the proton exchange process are revealed.3. The effect of the formation of quasi-periodic domain structures with the growth of stripe domains from a planar domain wall was found.4. The observed anomalous decrease in the threshold field of stripe domain growth as a result of soft proton exchange is attributed to the formation of bound internal field caused by the presence of a composition gradient in the near-surface layer.5. It is shown that the composition gradient in the near-surface layer increases with an increase in the duration of the proton exchange process, which leads to a decrease in the threshold field.6. The possibility of creating a stable periodic domain structure with a period of 500 nm by local switching using the probe of a scanning probe microscope is demonstrated.7. For the first time, radiation with a wavelength of 374 nm was obtained by the method of the second-harmonic generation in a crystal of magnesium doped lithium niobate with a 2-µm-period domain structure created by scanning with a focused electron beam.