稀土離子注入ZnO薄膜光波導(dǎo)的射程分布及光學(xué)特性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是優(yōu)良的寬禁帶半導(dǎo)體光電材料，成為繼GaN之后光電領(lǐng)域研究的熱門，ZnO相關(guān)產(chǎn)業(yè)將有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。稀土元素因其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，具有豐富的力、光、電、磁性能，引起世界范圍內(nèi)科學(xué)家的研究興趣。若在氧化鋅薄膜光波導(dǎo)中摻雜進(jìn)稀土離子，使稀土離子處在一個(gè)很低的聲子能量局域環(huán)境內(nèi)，基質(zhì)材料或稀土離子本身將展現(xiàn)不同的特性。氧化鋅為頗具潛力的發(fā)光材料，以便應(yīng)用在集成光學(xué)、高密度數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、低價(jià)UV激光或發(fā)光二極管、固態(tài)照

2、明、安全通訊、生物檢測、太陽能利用、光通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。稀土資源對國民經(jīng)濟(jì)、軍事、國際影響力具有戰(zhàn)略影響，其優(yōu)良特性在諸多高精尖科技領(lǐng)域及傳統(tǒng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，體現(xiàn)出很好的社會價(jià)值，對稀土特性的研究順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求。
　　 本文介紹了薄膜光波導(dǎo)理論、稀土元素及其應(yīng)用、薄膜的制備方法、薄膜的研究方法等知識。利用TRIM軟件模擬了Ho、Er、Tm、Yb離子注入ZnO材料，并得出射程分布等參數(shù)，通過與由RBS技術(shù)分析Er+離子注入Z

3、nO薄膜得出的射程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以期對實(shí)際實(shí)驗(yàn)提供參考。
　　 在本論文的工作中，以ZnO燒結(jié)陶瓷為靶材，應(yīng)用射頻磁控濺射技術(shù)在(001)藍(lán)寶石、(100)MgO襯底上制備ZnO波導(dǎo)薄膜。利用棱鏡耦合、X射線衍射、RBS背散射分析等技術(shù)研究了所沉積薄膜的光波導(dǎo)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。結(jié)果表明在兩種襯底上所沉積的ZnO薄膜可以形成優(yōu)良的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；薄膜結(jié)晶狀況為存在少量其他晶向的c軸擇優(yōu)取向；薄膜含有的Zn及O組分原子數(shù)比例為近化

4、學(xué)計(jì)量比；薄膜的沉積速率受襯底材料表面能作用輕微影響；薄膜的有效折射率相對于ZnO體材料較小且受襯底材料影響。生長在藍(lán)寶石襯底上ZnO薄膜的平均晶粒尺寸較在MgO襯底上的小，且其隨膜厚的增加無明顯變化，但在MgO襯底上晶粒尺寸則隨膜厚的增加有增大趨勢。
　　 利用射頻磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上沉積ZnO：Yb光波導(dǎo)薄膜，然后用離子注入技術(shù)將能量為200KeV的Er+離子注入薄膜中，劑量為1×1015ions/cm2。應(yīng)用棱鏡耦合

5、技術(shù)、盧瑟福背散射(RBS)技術(shù)、X射線衍射(XRD)技術(shù)和熒光光譜等技術(shù)研究了薄膜的波導(dǎo)性質(zhì)、基本結(jié)構(gòu)、厚度、組分、Er+的射程情況及光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻雜Yb和Er的薄膜可以形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但波導(dǎo)質(zhì)量較純ZnO波導(dǎo)膜差，膜的有效折射率及沉積速率隨Yb摻雜量增加有減小趨勢；薄膜呈ZnO高度c-軸取向生長，Yb和Er能有效摻雜進(jìn)ZnO晶格，ZnO晶格常數(shù)受Yb摻雜量的不同而變化；在980nm激光激發(fā)下沒有發(fā)現(xiàn)在300～720n

6、m間的光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換。
　　 以具有稀土氧化物摻雜的ZnO燒結(jié)陶瓷盤作為靶材，利用射頻磁控濺射技術(shù)沉積稀土離子摻雜的ZnO薄膜，研究了薄膜在980nm激光激發(fā)下的光學(xué)性能。
　　 在ZnO中實(shí)現(xiàn)稀土元素的摻雜途徑很多，其中注入法為非均勻摻雜的一種。利用離子注入技術(shù)，在室溫下將能量為200 KeV、劑量分別為1×1015 ions/cm2和4×1014ions/cm2的Er+離子注入進(jìn)ZnO薄膜和Yb摻雜的ZnO薄膜，為有

7、效激活稀土離子及恢復(fù)樣品因注入引起的晶格損傷，使用退火爐在空氣氣氛下對樣品進(jìn)行850℃退火處理(退火后的樣品顯得異常通透)。研究發(fā)現(xiàn)摻雜Yb和Er后薄膜可以形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但波導(dǎo)質(zhì)量較純ZnO波導(dǎo)膜差，膜的有效折射率及沉積速率隨Yb摻雜量增加有減小趨勢；薄膜呈ZnO經(jīng)典c-軸取向生長；利用光譜儀研究了薄膜的光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換性質(zhì)，980nm半導(dǎo)體激光器被用來作為泵浦源，測試了300-720nm間的光譜，未發(fā)現(xiàn)薄膜在980nm激光激發(fā)下產(chǎn)生光