CRESCITA DI FIBRE MONOCRISTALLINE DI NALA(MOO4)2: ER, CE IN UNA FORNACE MICRO PULLING DOWN

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Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato la crescita di fibre monocristalline di NaLa(MoO4)2 , noto come NLM, drogate con ioni quali Er3+ e Ce3+, in una fornace Micro Pulling Down (m-PD). Prima d’ora questo materiale non era mai stato cresciuto con questo metodo. Il Micro Pulling Down è stato sviluppato negli anni ’90 dal Prof. Fukuda presso la Tohoku University, si tratta di una tecnica innovativa derivata dalla tecnica Czochralski per la crescita di monocristalli. L’interesse per lo studio di metodi di crescita per fibre monocristalline ha avuto un notevole sviluppo negli ultimi dieci anni grazie alle loro vaste possibilità di applicazione nello sviluppo di dispositivi laser e per il loro utilizzo nel campo della medicina e delle telecomunicazioni. I vantaggi nel crescere fibre piuttosto che cristalli sono molteplici, in primo luogo: numerosi studi hanno dimostrato che le fibre monocristalline sono caratterizzate da una struttura reticolare a bassa densità di difetti, è stato infatti dimostrato che la densità di dislocazioni decresce col diametro. In secondo luogo, e non meno importante, la crescita di fibre monocristalline è preferibile rispetto a quella di monocristalli che successivamente necessitano di essere tagliati e lavorati per essere adattati alle dimensioni sempre più ridotte dei nuovi dispositivi optoelettronici. Inoltre le velocità di crescita utilizzate per le fibre sono dell’ordine del mm/min, quindi decisamente superiori a velocità dell’ordine del mm/h utilizzate, ad esempio, nel metodo Czochralski. Le tecniche di crescita per fibre monocristalline sfruttano le transizioni di fase, le più usate appartengono alla tipologia di metodi di crescita da fuso, questi a loro volta si suddividono in due categorie a seconda che sia previsto o meno l’uso di un crogiuolo per contenere il materiale fuso. Il metodo Micro Pulling Down prevede l’uso di un crogiuolo e il materiale allo stato fuso viene fatto cristallizzare in seguito al contatto con un seme monocristallino che funge da matrice di crescita. L’ apparato sperimentale previsto dal Micro Pulling Down permette di ottenere fibre di buona qualità e rispetto ad altri metodi ha il vantaggio di essere molto semplice. L’ interesse nella crescita di fibre di NLM è dato dal fatto che questa matrice è particolarmente adatta al drogaggio con ioni trivalenti di terre rare, in particolare puo` ammettere anche alte concentrazioni dello ione Ce3+, che ha un raggio ionico che supera del 10% quello degli altri ioni trivalenti di terre rare ed ha quindi difficolta’ ad essere inserito nella maggior parte dei cristalli isolanti. I cristalli drogati con ioni trivalenti di Erbio, inoltre, sono particolarmente interessanti per la loro possibilità di emissione intorno a 1.5 mm, ed è stato dimostrato che il contemporaneo drogaggio con ioni trivalenti di Cerio migliora l’efficienza dell’emissione laser di questo materiale, e questo è tanto più vero quanto più alta è la concentrazione di Cerio introdotta nella matrice. In quest’ottica nel corso di questo lavoro di tesi sono state cresciute varie fibre drogate con lo 0.4 % di Erbio e diverse concentrazioni di Cerio quali: 2.9%, 9.9% e 35%, per possibili applicazioni laser. Sono stati inoltre cresciuti campioni contenenti solamente il Cerio, per scintillatori, con le seguenti concentrazioni: 0.03%, 1%, 3%, 4%, 5%. Nel primo capitolo della tesi è data un introduzione ai principali metodi di crescita da fuso con particolare attenzione al Micro Pulling Down, sono descritti i principi di funzionamento e sono dati alcuni cenni ai loro fondamenti teorici. Il secondo capitolo fornisce una descrizione dettagliata dell’apparato sperimentale, utilizzato per crescere le fibre, e degli strumenti di misura , attraverso cui sono state studiate le proprietà dei campioni ottenuti. Nel terzo capitolo sono descritti i processi di crescita dei vari campioni cresciuti durante questo lavoro di tesi: sono descritte le operazioni di preparazione della fornace, le fasi di crescita con i problemi riscontrati e i tentativi di soluzione; sono presentati infine i campioni ottenuti. Tali campioni sono stati sottoposti a misure di diffrattometria per verificarne la qualità e determinarne l’orientazione. Su alcuni campioni sono inoltre state eseguite misure di assorbimento, fluorescenza e vita media. Tali misure sono presentate nel quarto capitolo allo scopo di valutarne la qualità ottica e le possibilità di applicazione.