Tracer-Diffusion in protonenausgetauschtem Lithiumniobat

Projektleiter: Prof. Dr. Harald Schmidt

Förderzeitraum: 08/18 - 07/21
 

Lithiumniobat (LiNbO₃) ist eines der technologisch bedeutendsten Materialien im Bereich optischer Anwendungen. Auf diesem Material basierende optische Wellenleiter bilden ein grundlegendes Element zur Herstellung verschiedenster photonischer Bauteile. In diesem Zusammenhang hat sich der Protonenaustausch-Prozess zu einer effektiven Methode zur Herstellung von Wellenleitern mit niedrigen Verlusten entwickelt. Während des Protonenaustausch-Prozess wird Lithium in einer Oberflächenschicht durch Wasserstoff ersetzt, indem LiNbO₃ in einer wasserstoffreichen Schmelze  (z. B. Benzoesäure) bei moderaten Temperaturen (< 300 °C) geglüht wird. Derzeit sind die kinetischen Aspekte der Bildung der mit Wasserstoff angereicherten Zone unbekannt und müssen auf grundlegender Ebene verstanden werden. Dies beinhaltet die Kenntnis von Tracer-Diffusionskoeffizienten der Li- und H-Ionen und ihr Zusammenspiel zur Bestimmung von effektiven Diffusionskoeffizienten, die den Protonenaustausch-Prozess beschreiben. Das Ziel des Projektes ist die Bestimmung von Wasserstoff- und Lithium- Tracer-Diffusionskoeffizienten in protonenausgetauschten LiNbO₃-Einkristallen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Wasserstoffkonzentration.

Hierzu werden Zwei-Stufen-Experimente durchgeführt. Zuerst wird ein LiNbO₃-Kristall bei definierter Temperatur mit dem Isotop ¹H protonenausgetauscht. Hieraus werden effektive Diffusionskoeffizienten bestimmt. Danach werden stabile ⁶Li- und ²H-Tracer eingesetzt, um die Diffusion in der mit ¹H angereicherten Zone zu quantifizieren. Als Tracerquelle werden ⁶LiNbO₃-Sputterschichten und deuterierte flüssige Benzoesäure eingesetzt. Die Isotopenprofile werden mit Sekundärionen-Massenspektrometrie bestimmt. Die Untersuchungen erfolgen an kongruenten und (nahezu) stöchiometrischen LiNbO₃-Einkristallen. Die Ergebnisse erlauben einen Vergleich der Diffusionskoeffizienten und Aktivierungsenergien der Li- und- H Diffusion. Auf der Basis von Literaturarbeiten und diesen experimentellen Daten wird ein Modell präsentiert, das eine Beschreibung effektiver Diffusionskoeffizienten ermöglicht, die den Protonenaustausch-Prozess beschreiben. Die fundamentalen Ergebnisse, die während des Projekts erzielt werden, sollen auch zu einer optimierten Herstellung und Performance von LiNbO₃ basierten Bauteilen beitragen.