Ferroelektristen nanorakenteiden epälineaariset optiset ominaisuudet

Abstract

Epälineaarisessa optiikassa tutkitaan ilmiöitä, joissa voimakas optinen kenttä muuttaa aineen optisia ominaisuuksia. Näissä tapauksissa ilmiöiden voimakkuudet eivät riipu kentästä lineaarisesti, vaan tarkasteluun on otettava mukaan kentän korkeampia potensseja. Taajuudenkahdennus on epälineaarinen optinen ilmiö, jossa aineeseen saapuva sähkömagneettinen säteily muodostaa aineessa alkuperäiseen nähden kaksinkertaisella taajuudella värähtelevää säteilyä. Taajuudenkahdennus voi tapahtua vain aineessa, joka ei ole keskeissymmetrinen. Tämän takia taajuudenkahdennus on erittäin hyvä työkalu rajapintojen tutkimiseen. Tässä työssä tutkittiin taajuudenkahdennuksen avulla ferroelektristen nanorakenteiden epälineaarisia optisia ominaisuuksia. Tutkittavissa näytteissä oli vuorottelevina ohuina kerroksina bariumtitanaattia ja strontiumtitanaattia. Tällaista kahdesta tai useammasta aineesta koostuvaa vuorottelevaa kerrosrakennetta kutsutaan superhilaksi. Superhiloilla on jaksollisuutta sekä kerrosten sisäisessä rakenteessa että kerrosten muodostamassa rakenteessa, ja niiden ominaisuudet saattavat poiketa huomattavasti kerrosmateriaalien ominaisuuksista. Työn näytteet on valmistettu Oulun yliopiston mikroelektroniikan ja materiaalifysiikan laboratoriossa. Työn alussa esitellään lineaarisen ja epälineaarisen optiikan perusteita painottaen työn kannalta oleellisia asioita. Mittaukset-luvussa käsitellään työn mittauksissa käytetty koejärjestely sekä näytteille tehdyt erilaiset mittaukset. Näytteet-luvussa esitellään työssä tutkitut näytteet ja käydään läpi työhön liittyvää aiempaa tutkimusta. Tulokset-luvussa esitetään mittauksissa saadut tulokset ja niistä tehty analyysi. Lopuksi Yhteenveto-luvussa kootaan työn avainasiat ja tärkeimmät johtopäätökset. Työn tutkimus osoitti selvästi, että superhilarakenne vaikuttaa näytteiden epälineaarisiin optisiin ominaisuuksiin. Jokainen superhila tuotti huomattavasti vahvemman taajuuskahdennetun signaalin kuin niissä olevien aineiden määrät antavat olettaa. Lisäksi superhilan kerrospaksuudella havaittiin olevan merkitystä näytteen tuottaman taajuuskahdennetun signaalin voimakkuuteen. Työssä pyrittiin myös selvittämään näytteiden avaruudellinen pisteryhmä ja tutkimaan toisen asteen suskeptibiliteettitensorin muotoa. Näytteen pisteryhmä saatiin rajattua kolmeen lähes ekvivalenttiin vaihtoehtoon. Tensorikomponenteille saatiin määritettyä karkea arvio, mutta lisää tutkimusta tarvitaan tarkempien tulosten saamiseksi. Myös tarkempi tutkimus näytteiden ominaisuuksista, kuten homogeenisuudesta, on tarpeen jotta tuloksista voidaan tehdä luotettavampia johtopäätöksiä. /Kir10