氫化納米硅薄膜非線性光學性質(zhì)研究.pdf

1、隨著半導體電子集成器件的尺寸逐漸逼近量子遂穿的極限，摩爾定律正面臨著極大的挑戰(zhàn)。近幾十年來，光子學器件由于相比于傳統(tǒng)電子學器件擁有更加穩(wěn)定、更加快速、更加低能耗等眾多優(yōu)點逐漸被研究人員所重視。未來若需要繼續(xù)維持芯片發(fā)展速度的摩爾定律，器件的研究由電子學轉(zhuǎn)為光子學是十分必要的。現(xiàn)在，硅基光子學技術(shù)，借助硅材料極大的元素儲量導致的廉價成本以及與現(xiàn)代微電子加工技術(shù)的完美兼容和良好的光電混合集成特性，正逐漸實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應用，是目前國內(nèi)外最

2、重要的前沿研究領域之一。由于體材料硅本身間接帶隙的限制，使得其無法被直接用來設計制備光發(fā)射或是吸收器件。然而利用硅基材料尺寸減小到納米量級時產(chǎn)生的量子限制效應以及光吸收/發(fā)射時不再需要完美遵循動量守恒定律的特點，我們即可以填補這一缺陷。目前對于納米量級硅材料的光學性質(zhì)已有了一部分的研究，然而對于氫化納米硅非線性光學方面的了解還十分欠缺。這一方面性質(zhì)在光子學器件中也很重要，若是能夠?qū)ζ溥M行控制，則可以制備各種非線性光學元器件；相反，若是對

3、其毫無了解，則可能由于例如自聚焦等非線性效應造成破壞。
　　本論文主要對于以下幾點進行了較為詳細的研究：（1）利用等離子體增強氣相化學沉積法，控制氫稀釋比、射頻電源功率、沉積溫度等條件制備了一系列不同禁帶寬度的氫化納米硅薄膜樣品。（2）利用開孔 Z掃描實驗方法測量了氫化納米硅薄膜的非線性光吸收系數(shù)。（3）利用閉孔Z掃描實驗方法測量了氫化納米硅薄膜的非線性折射率。（4）采用飛秒激光對于樣品進行微米尺度的激光誘導晶化，并利用開孔Z掃描

4、手段研究晶化后樣品產(chǎn)生的奇特非線性光吸收現(xiàn)象。
　　氫化納米硅的結(jié)構(gòu)為硅納米晶體鑲嵌于無序的非晶硅網(wǎng)格之中，它可以由等離子體增強氣相化學沉積法進行廉價并且大規(guī)模的生長，故可以集成至絕大多數(shù)的光電子學器件之中。之前對于氫化納米硅的研究多數(shù)集中于量子限制效應，電子學性質(zhì)和線性光學性質(zhì)，其非線性光學性質(zhì)，尤其是例如全光開關等光子學器件的研究還較少。本文利用Z掃描方法對于其非線性光學性質(zhì)進行了詳細的研究，我們發(fā)現(xiàn)，氫化納米硅薄膜的非線性光

5、吸收性質(zhì)可以分別由入射激光的波長、強度以及樣品的禁帶寬度獨立進行靈敏的由飽和吸收至反飽和吸收的調(diào)節(jié)。我們利用修正了的三階非線性光吸收微分方程對于實驗數(shù)據(jù)進行了完美的擬合，并從樣品所擁有的帶尾態(tài)這一獨特能帶結(jié)構(gòu)對于這種調(diào)制現(xiàn)象進行了解釋。另一方面，由于硅材料中非常明顯的載流子色散效應，導致吸收了光子之后躍遷至帶尾態(tài)以及導帶中更高能態(tài)的電子會對于材料的折射率產(chǎn)生重大影響。我們可以通過調(diào)節(jié)入射光的波長，將樣品的非線性折射率在飽和型折射和克爾型

6、折射之間靈敏調(diào)節(jié)。之后我們進一步建立模型定量研究了各個波長之下兩種非線性折射機制的大小。由于我們可以通過入射光波長、強度以及樣品的禁帶寬度來靈敏調(diào)節(jié)氫化納米硅材料的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率，為利用其制備非線性光學元器件打下了良好的理論基礎。
　　在進行開孔Z掃描實驗的過程中，我們發(fā)現(xiàn)當入射光強度超過一定的閾值之后，樣品的非線性吸收性質(zhì)將會發(fā)生一個不可逆的突變，吸收率將會增大700％以上，并且不再隨入射光波長和強度的改變而改變。