Resumen de Production and characterization of nanostructured materials for optical aplications at Rovira i Virgili University

Joan J. Carvajal, Magdalena Aguiló Diaz, Francesc Díaz i González

• English

  Novel physical properties arise when the size of well-established optical materials is decreased to the nanometer range. This has generated great interest in all aspects of the synthesis and characterization of such nanocrystals, from materials for laser applications to materials for frequency conversion phenomena. In this paper we present three new approaches for studying these materials. Nanocrystals of laser materials are expected to show new spectroscopic features compared to their bulk counterparts. This has led to advances in the procedures for the synthesis of nanocrystals of double potassium tungstates and lutetium sesquioxides, both containing lanthanide ions, using a sol-gel approach: the Pechini meth- od. We extensively characterize the structure and spectra of these new nanocrystals with the aim of facilitating the produc- tion of new ceramic materials with laser applications. We also analyze the morphology and vibrational structures of the na- noparticles produced. We synthesized also Er-doped GaN sub-micron-sized rods on silicon (001) through the direct re- action of gallium and ammonia in a simple chemical vapor deposition system. This allowed us to study the unique prop- erties that natural electron confinement leads to in such wide- bandgap semiconductors. We studied their spectroscopic properties in depth to understand the excitation mechanisms of lanthanide ions in such semiconductor structures, which can lead to nearly ideal optical emissions. We recorded green and red emissions at room temperature coming from submicron-sized rods with excitation below the energy of the bandgap. Finally, the formation of ordered arrays of these one-dimensional structures is of special interest due to the new properties that may arise when compared to individual one-dimensional structures. At the Física i Cristal·lografia de Materials laboratory at Universitat Rovira i Virgili (URV) we produced two-dimensional photonic crystals of KTiOPO4, a non-linear optical material, using an entirely new procedure that combines bottom-up and top-down approaches. We produced an ordered array of KTiOPO4 one-dimensional structures using a silicon macroporous template and a KTi- OPO4 substrate to control their orientation. We demonstrated the physical properties of these photonic crystals: we meas ured their third-order forbidden band, and explored their near-IR and visible light diffraction properties.

• català

  Quan la mida de materials òptics ben coneguts es redueix al rang dels nanómetres, apareixen noves propietats físiques. Això ha motivat l’aparició d’un gran interès per la síntesi i la caracterització d’aquests nanocristalls, cobrint tots els vessants, des dels materials amb aplicacions làser fins als materials per fenòmens de conversió de freqüència. En aquesta publicació, presentem tres noves estratègies en l’estudi d’aquests materials desenvolupades els últims anys als laboratoris del nostre grup de recerca. Les noves característiques espectroscòpiques dels nanocristalls han impulsat al nostre grup a l’estudi de nous procediments de síntesi de tungstats dobles i també de sesquiòxids, ambdós contenint ions lantànids, a partir de tècniques de sol-gel. Els nanocristalls obtinguts han estat caracteritzats estructuralment, morfològicament, fonónicament i espectroscòpica amb la intenció de fabricar nous materials ceràmics amb òptimes prestacions làser.

  L’explotació de les oportunitats tecnològiques que ofereixen les propietats de les estructures uni-dimensionals de semiconductors de gap ample també estan sent objecte d’estudi en el nostre grup de recerca. En aquest context, s’han sintetitzat rods de mides sub-micrométriques de GaN dopats amb Er, crescuts sobre substrats de silici (001) mitjançant la reacció directa entre el gali i l’amoníac en un sistema de deposició química en fase vapor. Les propietats espectroscòpiques d’aquests rods de mides sub-micrométriques s’han estudiat per entendre els mecanismes d’excitació dels ions lantànids en aquestes estructures de semiconductors, que podrien proporcionar emissions òptiques tecnològicament molt demandades. En aquests rods de mides sub-micrométriques s’han observat emissions en el verd i en el vermell a temperatura ambient mitjançant excitació per sota de l’energia del gap del semiconductor. Finalment, la formació de conjunts ordenats d’aquestes estructures uni-dimensional es especialment interessant degut a les noves propietats que poden aparèixer quan es comparen a les propietats que presenten els components d’aquests conjunts de forma independent. Als nostres laboratoris de Física i Cristallografia de Materials (FiCMA) de la Universitat Rovira i Virgili (URV) s’estan fabricant actualment cristalls fotònics bidimensionals de materials d’òptica no-lineal, com el KTiOPO4, mitjançant nous procediments que combinen metodologies d’enfocament de baix a dalt i d’enfocament de dalt a baix. El conjunt ordenat d’estructures uni-dimensionals de KTiOPO4 és fabriquen mitjançant l’utilització d’un patró de silici macroporós i un substrat de KTiOPO4 que controla l’orientació de creixement de les estructures uni-dimensionals. Les propietats físiques d’aquest cristall fotònic han estat mesurades, la seva banda prohibida de tercer ordre determinada i també avaluades les seves propietats de difracció amb llum visible i IR.