鉭鈮酸鉀薄膜制備工藝優(yōu)化及非線性光學(xué)性能研究.pdf

1、鐵電材料作為一類重要的信息功能材料，由于兼具鐵電、介電、壓電、熱釋電、電光及非線性光學(xué)等特性，可廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)、微機(jī)械學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域，而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鉭鈮酸鉀(KTa1-xNbxO3，KTN)具有優(yōu)良的鐵電性、介電性和熱釋電性，尤其是在居里溫度附近，KTN 晶體具有非常高的電光系數(shù)和非線性光學(xué)系數(shù)，這使得KTN 在光電子學(xué)、集成光學(xué)、激光技術(shù)中關(guān)鍵的光開關(guān)、光波導(dǎo)、光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器、激光鎖模

2、等器件中具有重要的應(yīng)用前景。KTN 也是較早被發(fā)現(xiàn)的具有光折變效應(yīng)的材料，在光記錄、光存儲(chǔ)以及在光學(xué)信息處理、光計(jì)算等方面是具有重要的應(yīng)用價(jià)值的材料。
　　 但是，在目前的KTN制備中，存在大體積、高光學(xué)均勻性的晶體難于生長(zhǎng)；由于熱處理溫度高，粉體易出現(xiàn)硬團(tuán)聚，陶瓷和薄膜中易出現(xiàn)金屬原子的化學(xué)計(jì)量比偏離、產(chǎn)生焦綠石相等問(wèn)題。因此迫切需要對(duì)制備工藝的優(yōu)化，以解決上述問(wèn)題。
　　 本文針對(duì)以上影響KTN的性能、制約KTN 材

3、料實(shí)用化的問(wèn)題，首次提出并采用了水熱法結(jié)合溶劑熱法制備KTN 納米粉體的新的技術(shù)路線和工藝方法，系統(tǒng)研究了水熱反應(yīng)條件下，反應(yīng)溫度、溶劑類型和pH 值濃度以及反應(yīng)時(shí)間與粉體形態(tài)、粒度和材料性質(zhì)之間的關(guān)系，成功制備了分散性好、高活性的納米粉體。在粉體制備的基礎(chǔ)上，采用氣氛燒結(jié)陶瓷的工藝，在較低的溫度下，制備了滿足化學(xué)計(jì)量比的KTN 優(yōu)質(zhì)陶瓷靶材。為了探索KTN 材料與微電子、光電子器件的工藝集成和兼容等問(wèn)題，在本課題組多年來(lái)建立的系統(tǒng)的P

4、LD 動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)制備KTN 薄膜的工藝條件，在不同的襯底上進(jìn)行了制備高取向、外延生長(zhǎng)KTN 薄膜的實(shí)驗(yàn)。用 X 射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）等微結(jié)構(gòu)表征手段，分別用X 射線光電子譜（XPS）、紅外－傅立葉變換譜等方法研究了薄膜的表面化學(xué)成分、價(jià)態(tài)以及化學(xué)鍵的振動(dòng)等性質(zhì)。為了探索低維KTN 材料在平面光波導(dǎo)器件等方面的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)KTN 薄膜透射光譜的測(cè)量，并采用Sw

5、anepoel 提出的包絡(luò)線計(jì)算方法，比較系統(tǒng)地研究了KTN 薄膜的光學(xué)性質(zhì)，得到了線性吸收系數(shù)、線性折射率等光學(xué)參數(shù)。采用Z-掃描技術(shù)，研究了薄膜的三階非線性光學(xué)性質(zhì)，得到了薄膜的非線性吸收及非線性折射率，通過(guò)理論計(jì)算，得到了KTN 薄膜的三階非線性極化系數(shù)的實(shí)部Reχ(3)和虛部Imχ(3)。采用此方法對(duì)KTN 三階非線性光學(xué)性質(zhì)的研究，此前國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。最后，采用第一性原理計(jì)算方法，構(gòu)建了KTN 超原胞，并應(yīng)用基于密度泛函廣義梯

6、度近似（GGA）的平面波贗勢(shì)法，計(jì)算了KTN 薄膜表面能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度，并得到了介電函數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等理論結(jié)果，為KTN 材料的電光性質(zhì)的深入探討和更廣泛的應(yīng)用，提供更牢固的科學(xué)基礎(chǔ)。
　　 本文具有如下特色和創(chuàng)新成果：
　　 (1)首次采用水熱結(jié)合溶劑熱合成方法，成功制備出滿足化學(xué)計(jì)量比的、高活性納米級(jí)KTN 粉體，為KTN 陶瓷和薄膜的制備以及其器件化和實(shí)用化提供了新的設(shè)計(jì)路線；與此同時(shí)，我們還對(duì)水熱和溶劑

7、熱合成的機(jī)理和水熱合成的熱力學(xué)模型進(jìn)行了理論研究。
　　 (2)以水熱法得到的KTN 粉體制備靶材，采用脈沖激光沉積（PLD）薄膜制備技術(shù)，在SrTiO3 (001)襯底上制備了KTa0.65Nb0.35O3 薄膜。研究了不同的襯底和沉積溫度對(duì)薄膜表面形貌和結(jié)晶性的影響。表征和分析測(cè)試表明，在優(yōu)化的工藝條件下，薄膜樣品有很好的結(jié)晶性，薄膜的生長(zhǎng)沿(001)具有擇優(yōu)的取向，薄膜表面光滑、均勻，晶粒排列致密。
　　 (3)用

8、KTN 薄膜的透射光譜，研究了KTN 薄膜的線性光學(xué)性質(zhì)，得到了薄膜樣品的折射率和線性吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系。790nm λ=處測(cè)得薄膜的折射率為2.32，接近相同組分KTN 晶體的值；開孔和閉孔Z-掃描曲線，研究了KTN 薄膜的線性和非線性光學(xué)性質(zhì)，測(cè)量得到薄膜的非線性折射率系數(shù)為γ=0.181cm2/GW（自散焦），非線性吸收系數(shù)β=3.97×10(2)cm GW，三階非線性光學(xué)極化率實(shí)部Reχ(3)和虛部Imχ(3)分別為2.5