Caracterização ótica não-linear em cerâmicas ferroelétricas transparentes (CFTs) de PLZT: TR (TR = nd,Ho, Er, Tm e Yb)

Entre os sistemas ferroelétricos, o sistema titanato zirconato de chumbo modificado com lantânio (PLZT) é um dos mais amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos, dada sua versatilidade em aplicações e relação de custo quando comparado aos materiais monocristalinos utilizados nessa mesma área. Quando preparado pelo devido método de síntese, apresenta excelentes propriedades óticas (altos valores de transmissão ótica) desde a região do visível ao infravermelho próximo, possibilitando uma adequada caracterização de suas propriedades óticas e eletro-óticas. Recentemente, a partir do final da década de 90, foi verificada sua alta potencialidade como matriz hospedeira para íons fotoluminescentes, como os da família dos lantanídeos (ou terras-raras). A possibilidade do uso conjunto das propriedades eletro-óticas (dado seu caráter ferroelétrico) e de suas propriedades luminescentes (devido à incorporação de dopantes laser-ativos) aumentou ainda mais a possibilidade de aplicação desses materiais. Desse modo, a caracterização eletro-ótica das cerâmicas de PLZT dopado torna-se indispensável, além de sua caracterização fotônica. Sendo assim, neste trabalho foi instrumentado um sistema de caracterização eletro-ótica, utilizando o método do compensador Senarmont, também conhecido como método dinâmico, para determinar os valores da birrefringência induzida (devido ao efeito eletro-ótico quadrático, Kerr) e a permanente (devido ao efeito eletro-ótico linear, Pockels) em função da temperatura, comprimento de onda e frequência do campo elétrico de prova para composições cerâmicas de PLZT na razão La/Zr/Ti=9/65/35, dopadas com os óxidos terras-raras Nd2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3 e Yb2O3, na quantidade de 1,0% em peso. Os resultados mostraram que há uma relação entre as propriedades eletro-óticas encontradas (seja na forma de valores dos coeficientes eletro-óticos, ou na variação da birrefringência) com as propriedades dielétricas, ferroelétricas e estruturais (já observadas em outros trabalhos do grupo de pesquisa no qual esta dissertação foi realizada) das cerâmicas que, por sua vez, foram relacionadas com o tipo de ocupação e de defeitos gerados devido à incorporação dos dopantes. Além disso, foi possível observar que para uma mesma composição pode ocorrer a presença dos dois tipos de efeitos eletro-óticos - Kerr e Pockels - com proporções distintas em função do tipo de dopante. Através desse método, para esse conjunto de amostras, também foi possível identificar dois tipos distintos de variações da birrefringência em função do campo elétrico para um mesmo efeito eletro-ótico (Kerr, ou Pockels), que também puderam ser associados com o tipo de ocupação dos dopantes. Em se tratando das caracterizações eletro-óticas em função da variável frequência, foi observada uma concordância com os resultados da caracterização ferroelétrica, realizada em outros trabalhos no GCFErr, sendo evidenciada a redução das propriedades eletro-óticas com o aumento da frequência, em que se observou a ocorrência de anomalias na resposta Pockels com influência direta na resposta Kerr. A caracterização como uma função do comprimento de onda mostrou a ocorrência de dois tipos de comportamentos, dependendo do íon dopante utilizado, sendo um deles a redução dos valores da birrefringência com o aumento do comprimento de onda (caso das amostras pura e dopadas com os íons neodímio (Nd) e itérbio (Yb)), havendo certa tendência ao comportamento previsto em literatura, no entanto, no segundo caso foi constatado o aumento irregular da birrefringência com o aumento do comprimento de onda (caso das amostras dopadas com os íons holmio (Ho), érbio (Er) e túlio (Tm), não havendo relação com os modelos teóricos adotados. Quanto à caracterização em função da temperatura, esta foi realizada em um range de que compreendeu as temperaturas características de sistemas relaxores (de freezing (TF(e)), máxima permissividade dielétrica (TM(e)) e Burns (TB(e))), exceto para a amostra dopada com o íon neodímio, cuja TF(e) estava abaixo do intervalo considerado. Através da curva de birrefringência (Δn) em função da temperatura foi possível determinar a temperatura de máxima birrefringência para cada uma das amostras, correlacionado-as entre si. Através da curva de (dΔn/dt) vs. T, foi possível constatar uma relação entre as máximas variações, positiva e negativa, da birrefringência com as temperaturas características TF e TB.Lead titanate zirconate modified with lanthanum, or PLZT, is one the most ferroelectric compounds utilized in electronic devices, due to its versatility and low production costs in comparison with single-crystalline materials. When adequately prepared, this system presents good optical (high optical transmission) properties, in the visible and near infrared range, and can be electro-optically characterized. Recently, in the end of 90s, it was verified its high potential as host of photoluminescent ions, as the lanthanide (rare-earth) family. The possibility to use its electro-optic properties (due to its ferroelectric characteristics) and its photoluminescent properties (achieved by the doping process) together ,enlarges the range of application of this system. In this way, the electro-optical characterization of doped PLZT ceramics becomes essential, besides the photonic characterization. In this work, the Senarmont compensator method for electro-optical characterization, or dynamic method, was instrumented, and the values of the induced (due to the quadratic electrooptic effect, Kerr) and permanent (due to the linear electro-optic effect, Pockels) birefringence were determined as a function of the temperature, wave-length and electric-field frequency, of the rare-earth (Nd2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3 e Yb2O3) doped PLZT, with La/Zr/Ti=9/65/35, ceramics. The results shown a relationship between of the electro-optic (electro-optic coefficients, or birefringence values) and the dielectric, ferroelectric and structural properties (studied in others works) of the ceramics, that were related with the site occupancy and the structural defects due to the aliovalent dopant. It also can be identified two distinct birefringence dependence as a function of the electric field, for the same electro-optic effect (Kerr, or Pockels), identified as a function of the doping process. In the case of electro-optical characterizations in function of the variable frequency, was observed an agreement with the characterization ferroelectric results made in other works in GCFerr, being evidenced the reduction of electro-optical properties with increasing frequency, where if it observed the occurrence of anomalies in the Pockels response with direct influence on the response Kerr. The characterization as a function of wavelength showed the occurrence of two types of behavior depending on the dopant ion used, being one of them the reduction of the values of birefringence with increasing wavelength (the samples pure and doped ions neodymium (Nd) and ytterbium (Yb)), with a tendency to expected behavior in the literature, however, in the second was seen irregular increase birefringence with increase wavelength (for samples doped with ions holmio ( Ho), erbium (Er) and thulium (Tm),not existing relation with to the theoretical models adopted. In relation the characterization as a function of temperature, this was carried through in a temperature interval that understood the characteristic temperatures of systems relaxores (freezing temperature (TF), the maximum dielectric permittivity (TM (e)) and Burns (TB)), except for the sample doped with neodymium ions, whose freezing temperature is below interval worked. By the curve of birefringence (Δn) as a function of temperature was possible to determine the temperature of maximum birefringence for each of the samples, correlated them with each other. Through the curve (d Δn / dt) vs. T was possible to identify a relationship between the maximum variations, positive and negative birefringence with the temperature characteristics TF and TB