Film sottili di VO2 per il controllo attivo delle proprietà di emissione di Er in matrice dielettrica

In this Master Thesis the control of the emission properties of Er(III) in alumina through coupling with magnetron sputtered vanadium dioxide films is investigated. Vanadium dioxide undergoes a semiconductor to metal transition (SMT) at about 68 °C. In this work, the SMT is triggered by thermal energy, and it causes an abrupt change of the dielectric function of vanadium dioxide. Vanadium dioxide thin films are coupled with erbium doped alumina thin active layers. The active control of Er(III) first excited state lifetime is possible thanks to the change of vanadium dioxide dielectric function. Moreover, the radiative decay rate of Er(III) at 1540 nm is enhanced through coupling with silicon thin films. The detailed structure of the multilayer comprising Er doped alumina films is tuned by means of a simulation of Er(III) radiative decay rate enhancement at 1540 nm. The contrast between the radiative lifetime of Er(III) ions with semiconducting or metallic vanadium dioxide overlayers is calculated, too. Experimental photoluminescence measurements are in excellent agree with simulations. Thanks to this work, applications in nanophotonics, optoelectronics and telecommunications, like optical modulators, amplifiers, or single photon quantum sources, could be developed in the future.

In questa tesi magistrale l’obiettivo è investigare il controllo delle proprietà di fotoemissione di ioni Er(III) in allumina mediante l’accoppiamento con film sottili di biossido di vanadio, depositati per magnetron sputtering. Il biossido di vanadio presenta una transizione semiconduttore - metallo a circa 68 °C. La transizione, che in questo lavoro viene innescata termicamente, comporta una netta variazione della funzione dielettrica del biossido di vanadio. I film di biossido di vanadio vengono interfacciati a degli strati sottili costituiti da allumina drogata con Er(III). Sfruttando la variazione della funzione dielettrica del biossido di vanadio è così possibile controllare in modo attivo il tempo caratteristico di decadimento della fotoluminescenza a 1540 nm dagli ioni Er(III), dovuta alla transizione elettronica tra il primo stato eccitato e lo stato fondamentale. Il decadimento radiativo del primo stato eccitato degli ioni Er(III), inoltre, viene accelerato grazie all’accoppiamento tra lo strato attivo (erbio in allumina) e un film di silicio. La struttura dettagliata del multistrato sottile che contiene lo strato attivo è ottimizzata sulla base di una simulazione dell’accelerazione del decadimento radiativo del primo stato eccitato degli ioni Er(III), e del contrasto tra il tempo di vita dello stato eccitato stesso con il biossido di vanadio in fase semiconduttiva o metallica. I risultati sperimentali corroborano la bontà della simulazione. Questo tipo di ricerche conduce ad applicazioni in nanofotonica, in optoelettronica e nelle telecomunicazioni, per la realizzazione ad esempio di modulatori ottici, amplificatori o sorgenti a singolo fotone.