zカットされたLiNbO:Fe中の任意の光パターンによって生成される光電場の時間発展：光電子ナノ粒子操作への応用

Time evolution of photovoltaic fields generated by arbitrary light patterns in z-cut LiNbO:Fe: application to optoelectronic nanoparticle manipulation.

• Juan Francisco Muñoz-Martínez
• Ángel Alcázar
• Mercedes Carrascosa

抄録

バルク光起電効果は、鉄ドープニオブ酸リチウム（LiNbO:Fe）のように、特定の強誘電体結晶に照明下で高電界を発生させる現象です。このような電場を利用した様々な革新的なアプリケーションには、極軸が大きな結晶面に垂直なZカット板を用いる必要があります。しかし、このような構成での光電場の運動論や分布については、これまで詳細な研究が行われていませんでした。本研究では、有限要素法を用いた完全解析により、Zカット構造の光電場の電荷輸送を調べた。粒子捕捉アプリケーションに一般的に使用されるライトパターンを用いて、結晶によって発生する電場の時間発展を研究した。その結果、光軸に垂直な光起電力電流が最終的な電荷分布の発達に重要な役割を果たしていることを示した。さらに、全照射体積で飽和電場に到達するために必要な、結晶内部に局所的な電荷蓄積が存在することも明らかにした。結晶の厚さと光吸収の役割を分析した。これらはプロセスの時間発展を決定する上で重要であることがわかった。このシミュレーションは、光起電力光電子ピンセットの解析と改良のための重要なツールとして期待されている。

The bulk photovoltaic effect is a phenomenon that generates high electric fields in certain ferroelectric crystals under illumination, as iron doped lithium niobate (LiNbO:Fe). A variety of innovative applications of these electric fields require using of z-cut plates, in which the polar axis is normal to the larger crystal faces. However, the kinetics and distribution of the photovoltaic fields in this configuration have not been investigated in depth. In this work, the photovoltaic charge transport of z-cut configuration is studied through a complete finite element analysis. Light patterns commonly used for particle trapping applications are used to study the temporal evolution of the electric field developed by the crystal. Results show that photovoltaic currents perpendicular to the optical axis play a key role in the development of the final charge distribution. Moreover, there is a relevant, localized charge accumulation inside the crystal which is required to reach the saturation electric field in the whole illuminated volume. The role of crystal thickness and light absorption are analysed. It has been found that they are important to determine the time evolution of the process. The simulations are expected to be a key tool to analyse and improve photovoltaic optoelectronic tweezers.