Vigentes investigadores: F. Agulló López, J. Olivares Villegas, M. Crespillo Almenara, J. Manzano Santamaría.
Colaboradores: M. Carrascosa Group (UAM), A. Rivera de Mena (UPM), O. Caballero Calero (IMM-CSIC), G. García López (Alba).

La figura muestra el poder de daño electrónico (o pérdida de energía) de varios iones en el LiNbO₃. La cantidad de excitación y los niveles de daño pueden ser ajustados eligiendo la masa del ion [1]

Imagen TEM (sección transversal) mostrando la nanotraza de daño generada por el ion Br 45 MeV en LiNbO₃

Imágenes AFM de los nanoporos obtenidos después  del vaciado mediante ataque químico de las nanotrazas amorfas generadas con irradiaciones de Br 45 MeV en el LiNbO₃

Guía de onda óptica hecha por la irradiación con F a 22 MeV en el LiNbO₃. La luz que se ve es la luz difusa de la guía de onda debido a algunos defectos residuales. Esta guía de onda plana de 4 cm de largo fue fabricada mediante el escaneo de la muestra en la línea estandard.

La línea de investigación se basa en el estudio de los mecanismos de daño electrónico generados en cristales de interés fotónico mediante la irradiación con iones pesados de alta energía (swift heavy ions), con interés especial en el estudio de la modificación de las propiedades ópticas de los materiales irradiados, con el objetivo de demostrar nuevas aplicaciones fotónicas (basadas en guías de onda ópticas). Los materiales estudiados hasta la fecha han sido: LiNbO3, TiO2, SiO2, KGW, BaMgF4. La actividad en aplicaciones ópticas se desarrolla en colaboración con el grupo de Óptica no lineal del Depto. de Física de Materiales de la UAM (liderado por Mercedes Carrascosa).

Asimismo, se estudia el daño electrónico en materiales como SiO₂, Al₂O₃ que son también interesantes en el campo de fusión nuclear (materiales para la pared del reactor, por ejemplo para ventanas). Esto se lleva a cabo en colaboración con el CIEMAT.

Fenomenología básica:

Cuando iones con energías de varios MeV inciden y entran en un cristal, inicialmente  se frenan progresivamente debido a las interacciones electrónicas o al llamado poder de frenado electrónico (Se). Viajan unas pocas micras en este régimen de frenado y al final del rango de penetración el principal mecanismo de frenado de los iones es causado por las colisiones elásticas nucleares o al llamado poder de frenado nuclear. Para un material dado el poder de frenado electrónico depende del número atómico o masa del proyectil y está en el rango de valores (0.1 – 40) keV/nm.

Por encima de un cierto umbral (de amorfización) en su poder de frenado electrónico (Se ≈ 5 keV/nm, para el caso del cristal LiNbO3) los iones generan trazas amorfas latentes de diámetro nanométrico y de varias micras de longitud. Estas nanoestructuras únicas se han propuesto para varias aplicaciones dando lugar al llamado campo de Tecnología con Trazas Iónicas.

Por debajo del umbral de amorfización, también se puede generar y acumular daño (defectos, etc.) con la fluencia de irradiación hasta que se generan capas amorfas homogéneas.

El progreso principal desarrollado en el CMAM en esta Línea se puede clasificar dentro de los siguientes conceptos:

Modelización de la generación y acumulación del daño:

Se ha revisado el modelo conocido de thermal-spike. Aunque este modelo es razonable explicando los fenómenos que ocurren para excitaciones por encima del umbral invocando la fusión del material, no explica la generación de daño por debajo del umbral. Primeramente se propuso un modelo de thermal-spike extendido. Posteriormente, se ha trabajado satisfactoriamente en un modelo basado en el mecanismo de desexcitación no radiativa de excitones auto-atrapados. Se ha introducido también el concepto de doble spike (excitación y térmica).

Los títulos de las publicaciones mostrados a continuación ilustran y resumen estas actividades:

• - Lattice pre-amorphization by ion irradiation: fluence dependence of the electronic stopping power threshold for amorphization.
• - Montecarlo simulation of damage and amorphization induced by swift ion irradiation in LiNbO3.
• - Theoretical modelling of swift-ion-beam amorphization: application to LiNbO3.
• - Synergy between thermal spike and exciton decay mechanisms for ion damage and amorphization by electronic excitation.
• - Kinetics of ion-beam damage in lithium niobate
• - Ion-beam damage and non-radiative exciton decay in LiNbO3.
• - Electronic-excitation versus nuclear collision damage by ion-beams in dielectric materials (LiNbO3).
• - Giant enhancement of material damage associated to electronic excitation during ion irradiation: The case of LiNbO3.
• - Assessment of swift-ion damage by RBS/c: determination of the amorphization threshold.
• - Effect of defect accumulation on ion-beam damage morphology by electronic excitation in lithium niobate: a montecarlo approach.
• - On the exciton model for ion-beam damage: the example of TiO2.

Nano-estructuración:

Se ha estudiado a fabricación y caracterización sistemática de nanoporos producidos mediante vaciado de las trazas amorfas por ataque químico. Se obtienen nanoporos con interesantes formas únicas relacionadas con la estructura cristalina del cristal. Estos nanoporos pueden ser rellenados con metales para producir nanocompuestos con propiedades ópticas novedosas. Vease las referencias que contienen “nanopores”

Aplicaciones ópticas: Guías de ondas ópticas:

El método de irradiación con iones de elevada energía se ha aplicado exitosamente en la fabricación de guías ópticas noveles en LiNbO₃ y otros cristales (KGW, c-SiO₂, BaFM₄).

Se han fabricado guías ópticas utilizando fluencias varios órdenes de magnitud inferiores que las requeridas por la clásica implantación de iones ligeros gracias al control/sintonización  del daño (en cantidad y localización).

Así, mediante acumulación del daño, se pueden generar capas amorfas de daño con irradiaciones del tipo por sub-umbral (esto es, utilizando iones cuyo fenado electrónico es inferior que el requerido para generar trazas amorfas con los primeros impactos). Estas capas con fronteras muy definidas se pueden ubicar unas pocas micras en el interior del cristal mediante el empleo de iones de alta energía (por ejemplo, iones de O, F con 10-30 MeV), definiendo una guía superficial de tipo escalón y gran confinamiento óptico.

Se ha avanzado en el conocimiento del efecto fotorefractivo en guías de onda ópticas producidas mediante irradiación iónica (publicaciones J. Villaroel).

Se ha demostrado también en el CMAM la fabricación de guías ópticas mediante irradiación con fluencias ultrabajas (10¹² at/cm2) en el régimen de excitación por encima del umbral mediante la selección de la energía de modo que el máximo de excitación y daño esté situado dentro del cristal. En este caso, se fabrica un medio efectivo nanoestructurado, de modo que escogiendo una fracción de daño de sólo un 10 % se obtienen guías ópticas funcionales.

Se ha demostrado también la viabilidad de fabricar guías ópticas muy gruesas, de varias decenas de micras, utilizando fluencias ultrabajas de iones de muy alta energía (> 400 MeV, at GANIL, France and GSI, Germany). Estas guías ópticas son de gran utilidad potencial en aplicaciones infrarrojas. Una aplicación de especial interés se encuentra en el campo de ña “Astrofotónica”. Colaboración con el Laboratorio de Astrofísica de Genoble.

Veansé las publicaciones.

[1] Gracias a la alta energía disponible en el CMAM podemos situar el máximo del daño (i.e. el pico de  Bragg) enterrado  a unas  pocas micras. Esta es una condición requerida para producir una guía de onda óptica.

El umbral de formación de nanotrazas amorfas es alrededor de 5-6 keV/nm para el LiNbO₃. El ion Br 45 MeV crea tales capas.