Microscopic Insights in Photo-Induced Charge Transport in Fe:LiNbO3

La descrizione dei fenomeni del trasporto di carica in materiali ossidi polari ha ancora numerosi punti oscuri, a differenza di quanto accade per i semiconduttori e conduttori, per i quali il modello a bande spiega in modo esaustivo le loro proprietà. I primi studi negli isolanti ionici misero in evidenza la necessità di introdurre nuovi concetti e una nuova teoria di trasporto, senza la quale non sarebbe possibile spiegare in modo convincente il comportamento foto-elettrico di questi materiali. Uno di questi concetti chiave è quello di polarone, introdotto per la prima volta da L. D. Landau nel 1933, per spiegare alcune nuove proprietà manifestate dagli alkali halidi. Una forte interazione elettrone-fonone caratterizza questi materiali, grazie alla quale l’elettrone induce una distorsione locale del reticolo tramite interazione Coulombiana. Questo meccanismo produce une potenziale che localizza l’elettrone. Un polarone può essere pensato come una quasi-particella composta da una carica auto-intrappolata e dalla relativa distorsione reticolare che si muovono come un tutt’uno. Sotto particolari condizioni il polarone può muoversi per hopping termicamente assistito, diffondere nel materiale o essere intrappolato da difetti aventi un potenziale attrattivo. Inoltre, il polarone costituisce uno stato localizzato nel band gap, che può assorbire la luce rilasciando la carica intrappolata. La coesistenza di tutti questi processi, per specifiche condizioni di illuminazione e temperatura, determina i fenomeni di trasporto fotoindotto, oggetto di questa tesi. Il materiale scelto per questa ricerca è il niobato di litio (LiNbO3). Oltre al suo grande interesse tecnologico, dato che esso è largamente utilizzato in ottica nonlineare e olografia, risulta un sistema prototipo per lo studio dei polaroni tra tutti i materiali ossidi polari. Un altro vantaggio risiede nel fatto che le proprietà elettriche del materiale possono essere studiate in modo conveniente attraverso misure ottiche. L’obiettivo di questo studio è la creazione di un modello che descriva le proprietà di trasporto del materiale, partendo dalla sua composizione microscopica e dalle condizioni sperimentali alle quali è esposto. Per fare questo sono stati condotti un set di esperimenti in campioni creati ad hoc e confrontati con i risultati di simulazioni numeriche. I risultati principali sono la stima quantitativa di alcuni parametri microscopici polaronici poco noti e, di conseguenza, lo sviluppo di uno strumento numerico capace di predire il comportamento del materiale in un grande range di temperature e composizioni. Nuove idee riguardanti un modello semi-analitico sono state anche discusse e testate, assieme a nuovi e interessanti concetti tradizionalmente non applicati al niobato di litio, come quello della diffusione anomala dei polaroni in un network di difetti disordinati.