Työssä tutkittiin mittauksilla ferroelektristen nanorakenteiden epälineaarisia optisia ominaisuuksia. Tarkastelun kohteena oli neljä bariumtitanaatti/strontiumtitanaatti – superhilanäytettä, joissa syntyvä taajuuskahdennettu säteily mitattiin. Mittaustulosten avulla selvitettiin superhilarakenteen vaikutusta näytteiden taajuuskahdennettuun vasteeseen.
Mittauksia varten rakennettiin tarvittava optinen koejärjestely. Koska työn tavoitteena oli tutkia näytteiden ominaisuuksia laaja-alaisesti, pyrittiin koejärjestelystä tekemään mahdollisimman monipuolinen. Näytteelle tulevan lasersäteen tulokulmaa sekä detektorin mittauskulmaa voitiin muuttaa tietokoneen ohjauksella. Tulevan säteilyn polarisaatiosuuntaa muutettiin puoliaaltolevyä pyörittämällä. Myös tämä tapahtui tietokoneen välityksellä mahdollisimman suuren tarkkuuden saavuttamiseksi.
Myös näytteen atsimuuttikulmaa sekä näytteellä syntyvän taajuuskahdennetun säteilyn mitattavaa polarisaatiokomponenttia voitiin muuttaa vaivattomasti. Näin koejärjestely tarjosi monipuoliset mahdollisuudet erilaisten mittausten tekemiseen.
Säteilyn lähteenä mittauksissa käytettiin pulssitettua infrapunalaseria, jonka aallonpituus oli 1064 nm. Näytteen jälkeen mitattiin taajuuskahdennettua säteilyä, jonka aallonpituus oli 532 nm. Näytteissä syntyvä taajuuskahdennettu signaali mitattiin useilla eri laserin tulokulmilla ja näytteen atsimuuttikulmilla. Sekä näytteelle tulevan että näytteessä syntyneen mitattavan valon polarisaatiota varioitiin puoliaaltolevyn ja polarisaattorien avulla. Taajuuskahdennettu signaali mitattiin oskilloskooppiin kytketyllä valomonistinputkella.
Mitattujen tulosten perusteella pääteltiin jaksollisen superhilarakenteen vaikuttavan voimakkaasti näytteiden epälineaarisiin optisiin ominaisuuksiin. Vaikka toinen superhilan materiaaleista, strontiumtitanaatti, oli rakenteeltaan keskeissymmetrinen, tuotti superhilanäyte huomattavasti vastaavan paksuista puhdasta bariumtitanaattinäytettä voimakkaamman taajuuskahdennetun signaalin.
Aiemmasta tutkimuksesta poiketen (Zhao et al. 1999) näytteistä saatavan taajuuskahdennetun signaalin voimakkuuden havaittiin kasvavan superhilan kerrospaksuuden kasvaessa.
Näytteiden epäisotrooppisuutta tutkittiin mittaamalla taajuuskahdennettu signaali atsimuuttikulman funktiona. Signaaleissa havaittiin huomattavaa vaihtelua atsimuuttikulman muuttuessa. Polarisaatiomittaukset eivät kuitenkaan tukeneet
7. Yhteenveto 60 mahdollisuutta näytteiden vahvasta epäisotrooppisuudesta. Epäisotrooppisen signaalin syntyyn löydettiin kolme mahdollista syytä: mittauksissa muuttuva tulokulma, näytteiden pinnan tasossa oleva polarisaatio sekä näytteiden epähomogeenisuus.
Näistä näytteiden epähomogeenisuus vaikuttaa todennäköisimmältä vaihtoehdolta.
Polarisaatiomittausten avulla pyrittiin selvittämään, mihin avaruudelliseen pisteryhmään tutkittavat näytteet kuuluivat. Kaikki mittauksissa saadut tulokset tukivat sitä, että myös superhilanäyte kuuluu puhtaan bariumtitanaatin tavoin C4v –ryhmään.
Lopuksi työssä haettiin vielä toisen asteen suskeptibiliteettitensorin komponenteille arvot sijoittamalla teoreettinen lauseke mittausdataan.
Tensorikomponentit olivat teoreettisen lausekkeen vapaita sijoitusparametreja, jotka saivat kompleksiset arvot. Sijoitus tehtiin Matlab-ohjelmalla käyttäen pienimmän neliösumman menetelmää. Tästä mallista saatuja tensorikomponenttien arvoja verrattiin mittauksissa saatuun dataan.
Tässä työssä tutkitut näytteet tarjoavat oivan jatkotutkimuskohteen, sillä tutkittavaa jäi vielä paljon. Erityisesti koejärjestelyä voisi yrittää muokata siten, että säteen osumakohta näytteelle olisi helpompi määrittää. Tämä antaisi paremman varmuuden siitä, että mittauksissa näytteiden epähomogeenisuus ei pääse vaikuttamaan tuloksiin. Myös näytteiden homogeenisuuden tarkka tutkiminen on tärkeää jatkotutkimuksia ajatellen, sillä epätietoisuus homogeenisuudesta aiheutti ongelmia tämänkin työn analyysissä. Vastaavasti tulokulman vaikutuksesta taajuuskahdennettuun signaaliin olisi syytä tehdä tarkempi mittaus.
Tarkempaa tutkimusta olisi syytä tehdä myös tämän työn, ja aiheesta aiemmin tehdyn tutkimuksen (Zhao et al. 1999) näytteiden eroista, sillä superhilan kerrospaksuuden vaikutuksen taajuuskahdennettuun signaaliin havaittiin näissä tutkimuksissa olevan täysin käänteinen. Mielenkiintoinen tutkimuskohde olisi myös superhilat, joissa barium- ja strontiumkerrokset eivät ole keskenään yhtä paksut, vaan toista materiaalia olisi näytteessä enemmän.
Lähteet
Abeles, B. & Tiedje, T. “Amorphous semiconductor superlattices” Phys. Rev. Lett. 51, 2003−2006 (1983)
Armholt, P. ” Heijastuskulmissa mittaava optinen mittalaite”, Diplomityö, Tampereen Teknillinen Yliopisto 2010.
Armstrong, J. A. Bloembergen, N. Ducuing, J. & Pershan, P. S. “Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media” Phys. Rev. 127, p. 1918, (1962)
Bihari, B., Kumar, J. Stauf, G.T., Van Buskirk, P. C. & Hwang, C. S. "Investigation of barium titanate thin films on MgO substrates by second‐harmonic generation," J. Appl.
Phys.76, no.2, pp.1169-1174, Jul 1994
Boulnois, J.L. “Lasers in Medical Science”, London 1986, Springer London Boyd, R. "Nonlinear optics," San Diego 2003, Academic Press.
Bretscher, O. “Linear Algebra With Applications”, 3rd ed. Upper Saddle River NJ 1995, Prentice Hall
Franken, P.A., Hill, A. E., Peters, C. W. & Weinrich, G. "Generation of Optical Harmonics," Phys. Rev. Lett. 7, 118-119 (1961).
Guyot-Sionnest, P. Chen, W. & Shen, Y.R. "General considerations on optical second-harmonic generation from surfaces and interfaces," Phys. Rev. B 33, 8254-8263 (1986) Hecht, E. "Optics," New York 1998, Addison-Wesley.
Helmersson, U., Todorova, S., Barnett, S.A., Sundgren, J.-E., Markert, L.C. & Greene, J.E. “Growth of single-crystal TiN/VN strained-layer superlattices with extremely high mechanical hardness” J. Appl. Phys. 62, 481 (1987)
Hiltunen, J., Lappalainen, J., Puustinen, J., Lantto, V. & Tuller, H.L. “Size-dependent optical properties of BaTiO3 - SrTiO3 superlattices,” Opt. Express 16, no. 11. 8219-8228. (2008)
Lähteet 62 Hiltunen. J, Seneviratne, D., Sun, R., Stolfi, M., Tuller, H. L., Lappalainen, J., & Lantto, V.,
“BaTiO3--SrTiO3 multilayer thin film electro-optic waveguide modulator,” Appl. Phys.
Lett. 89, no. 24 (2006)
Hollas, J. M. "Modern Spectroscopy," USA 2004, John Wiley & Sons.
Johnston, K. Huang, X. Neaton, J.B. & Rabe, K. “First-principles study of symmetry lowering and polarization in BaTiO/SrTiO superlattices with in-plane expansion” Phys.
Rev. B 71, 100101 (2005)
Jungwirth, T., Atkinson, W. A., Lee, B. H. & MacDonald, A. H. “Interlayer coupling in ferromagnetic semiconductor superlattices” Phys. Rev. B 59, 9818 (1999)
Kauranen, M., Maki, J.J. & Persoons, A. ”Determination of second-order susceptibility components of chiral surfaces,” Proc SPIE 2527, 328-337 (1995)
Kauranen, M., Verbiest, T., Maki, J. J. & Persoons, A. “2nd harmonic generation from chiral surfaces” J. Chem. Phys. 101, 8193 (1994)
Kwei, G. H., Lawson, A. C., Billinge, S. J. L. & Cheong, S. W. “Structures of the ferroelectric phases of barium titanate”, J. Phys. Chem. 97 (10), 2368-2377, (1993) Lines, M. & Glass, A. “Principles and applications of ferroelectrics and related materials”, Oxford 1979, Clarendon Press
Lu, H. A., Wills, L. A., Wessels, B. W., Lin, W. P., & Wong, G. K. “Second-harmonic generation of poled BaTiO3 thin films,” Appl. Phys. Lett. 62, no. 12, 1314 (1993)
Maiman, T. "Stimulated Optical Radiation in Ruby," Nature 187, 493-494 (1960).
Maki, J. J., Kauranen, M. & Persoons, ”Surface second-harmonic generation from chiral materials” A. Phys. Rev. B 51, 1425 (1995)
Miller, R.C. “Optical Harmonic Generation in Single Crystal BaTiO_{3},” Phys. Rev. 134, no. 5A, A1313 (1964)
N. Bloembergen, N. "Nonlinear optics – Past, Present, and Future," IEEE, J. Quantum Elect. 6, 876-880 (2000)
Nakhmanson, S.M., Rabe, K.M., & Vanderbilt, D., “Polarization enhancement in two- and three-component ferroelectric superlattices,” Appl. Phys. Lett. 87, no. 10 (2005)
Lähteet 63 Neaton, J.B., & Rabe, K.M. “Theory of polarization enhancement in epitaxial BaTiO3/SrTiO3 superlattices,” Appl. Phys. Lett. 82, no. 10, 1586 (2003)
Okazaki, A. and Kawaminami, M “Lattice constant of strontium titanate at low temperatures” Mater. Res. Bull. 8, 545 (1973)
Rotter, L.D., Kaiser, D.L., & Vaudin, M. D. “Anomalous second harmonic generation in BaTiO3 thin films,” Appl.Phys.s Lett. 68, no. 3, 310 (1996)
Sai-Halasz, G. A., Tsu, R. & Esaki, L. ”A new semiconductor superlattice” Appl. Phys.
Lett. 30, 651 (1977)
Scott, J. F., Jiang, A. Q., Redfern, S. A. T., Zhang, M. & Dawber, M. , "Infrared spectra and second-harmonic generation in barium strontium titanate and lead zirconate-titanate thin films: “Polaron” artifacts," J. Appl. Phys. 94, no.5, pp.3333-3344, (2003) Scott, J.F. “Ferroelectric Memories”, Germany 2000, Springer-Verlag
Setter, N., Damjanovic, D., Eng, L., Fox, G., Gevorgian, S., Hong, S., Kingon, A., Kohlstedt, H., Park, N.Y., Stephenson, G.B., Stolitchnov, I., Taganstev, A.K., Taylor, D.V., Yamada, T. & Streisser, S. “Ferroelectric thin films: Review of materials, properties, and applications,” J. Appl. Phys. 100, no. 5 (2006)
Shen, Y.R. "Nonlinear optical studies of surfaces," App. Phys. A Mater. 59, 541-543 (1994)
Shen, Y.R. "The Principles of Nonlinear Optics," USA 1984, John Wiley & Sons, Inc.
Svelto, O. "Principles of Lasers," New York 1998, Springer Science
Tagantsev, A.K., Sherman, V.O., Astafiev, K.F., Venkatesh J. & Setter, N. ”Ferroelectric Materials for Microwave Tunable Applications,” J. Electroceram 11 (2003)
Tsurumi, T., Ichikawa, T., Harigai, T., Kakemoto, H. & Wada, S. “Dielectric and optical properties of BaTiO3/SrTiO3 and BaTiO3/BaZrO3 superlattices,” J. Appl. Phys. 91, no. 4, 2284-2289 (2002)
Turner, R. C., Fuierer, P. A., Newnham, R. E. & Shrout, T. R. “Materials for high temperature acoustic and vibration sensors: A review “ Appl. Acoust. 41, 299 (1994) Whatmore, R. W., Patel, A., Shorrocks, N. M. & Ainger, F. W. “Ferroelectric materials for thermal IR sensors. State-of-the-art and perspectives” Ferroelectrics 104, 269–83 (1990)
Lähteet 64 Wu, H.D., Harsh, K.F., Irwin, R.S., Zhang, W., Mickelson, A.R. & Lee, Y.C. “MEMs designed for tunable capacitors,” IEEE Microwave Theory Tech. Symp 127-129 (1998) Xuan, L., Pan, S., Chen, Z., Wang, R., Shi, W., & Li, C. “Second-harmonic generation in BaTiO3 films doped with cerium,” Appl.Phys. Lett. 73, no. 20, 2896 (1998)
Yashar, P. Barnett, S.A., Rechner, J. & Sproul, W.D. “Structure and mechanical properties of polycrystalline CrN/TiN superlattices.” J. Vac. Sci. Technol. A 16 5, pp.
2913–2918. (1998)
Young, H., Freedman, R. “University Physics”, USA 1983, Addison-Wesley
Zhao, T. Chen, F., Lu, H., Yang, G., & Chen, Z., “Laser molecular-beam epitaxy and second-order optical nonlinearity of BaTiO3/SrTiO3 superlattices,” Science in China Series A: Mathematics 43, no. 7, 760-766 (2000) c
Zhao, T., Chen, Z., Chen, F., Lu, H. Yang, G. & Cheng, H. “Electrical and optical properties of strongly reduced epitaxial BaTiO 3−x thin films,” Appl. Phys. Lett. 77, no.
26, 4338 (2000) a
Zhao, T., Chen, Z., Chen, F., Shi, W., Lu, H., & Yang, G., “Enhancement of second-harmonic generation in BaTiO3/SrTiO3 superlattices,” Phys. Rev. B 60, no. 3 (1999) Zhao, T., Lu, H., Chen, F., Yang, G., & Chen, Z. “Stress-induced enhancement of second-order nonlinear optical susceptibilities of barium titanate films,” J. Appl. Phys. 87, no.
10, 7448, (2000)