Simulazione del processo foto-galvanico tramite il metodo degli elementi finiti

The photogalvanic process is the process of converting light energy, such as solar energy, into electric energy, by means of photo-chemical reactions. In the case concerning this thesis, the process unfolds by illuminating with a laser an iron doped lithium niobate crystal which, due to its photovoltaic properties, in turn creates strong electric fields. These fields, by extending outside the crystal, combine with the fields generated by the pyroelectric and piezoelectric effects, which are created by the heating and the thermal expansion of the crystal following the illumination. The anisotropic nature of lithium niobate creates a 3-fold symmetry of the resulting electric field, enabling the controlled splitting of millimetric water droplets to occur in these directions, making this material peculiarly useful for microfluidic applications. The main goal of this thesis is to simulate the equations governing these physical phenomenons using the finite elements method. Moreover, both simplified and complete models will be analyzed, both in the presence and in the absence of the water droplet to study its effect on the resulting electric fields.

Il processo foto-galvanico è il processo di conversione dell'energia luminosa, come ad esempio quella solare, in energia elettrica, tramite reazioni foto-chimiche. Nel caso considerato in questo elaborato, il processo avviene illuminando con un laser un cristallo di niobato di litio drogato con ferro, che a causa delle sue proprietà fotovoltaiche fa originare forti campi elettrici. Questi campi, che si estendono fuori dal cristallo, si combinano ai campi generati dall'effetto piroelettrico e piezoelettrico, dovuti al riscaldamento e all'espansione termica del materiale a seguito dell'illuminazione. La natura anisotropica del niobato di litio permette di ottenere una forma a tre lobi, separati di 120°, del campo elettrico risultante, facendo sì che la separazione delle gocce avvenga solo in queste direzioni predefinite, rendendo questo materiale estremamente utile per applicazioni di microfluidica. In questa tesi verranno simulate le equazioni che governano questi fenomeni utilizzando il metodo degli elementi finiti, e verranno analizzati sia modelli semplificati che completi, sia in assenza che in presenza della goccia per valutarne l'effetto sui campi elettrici risultanti.