鉭鈮酸鉀薄膜制備工藝優(yōu)化及非線性光學性能研究.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、電光及非線性光學等特性，可廣泛應用于微電子學、光電子學、集成光學、微機械學等高新技術領域，而受到越來越廣泛的關注。鈣鈦礦結構鉭鈮酸鉀(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)和非線性光學系數(shù)，這使得KTN 在光電子學、集成光學、激光技術中關鍵的光開關、光波導、光調(diào)制器、光偏轉器、激光鎖模

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

3、料實用化的問題，首次提出并采用了水熱法結合溶劑熱法制備KTN 納米粉體的新的技術路線和工藝方法，系統(tǒng)研究了水熱反應條件下，反應溫度、溶劑類型和pH 值濃度以及反應時間與粉體形態(tài)、粒度和材料性質之間的關系，成功制備了分散性好、高活性的納米粉體。在粉體制備的基礎上，采用氣氛燒結陶瓷的工藝，在較低的溫度下，制備了滿足化學計量比的KTN 優(yōu)質陶瓷靶材。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題，在本課題組多年來建立的系統(tǒng)的P

4、LD 動力學理論和實驗研究的基礎上，進一步優(yōu)化了脈沖激光沉積（PLD）技術制備KTN 薄膜的工藝條件，在不同的襯底上進行了制備高取向、外延生長KTN 薄膜的實驗。用 X 射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）等微結構表征手段，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成分、價態(tài)以及化學鍵的振動等性質。為了探索低維KTN 材料在平面光波導器件等方面的應用，通過對KTN 薄膜透射光譜的測量，并采用Sw

5、anepoel 提出的包絡線計算方法，比較系統(tǒng)地研究了KTN 薄膜的光學性質，得到了線性吸收系數(shù)、線性折射率等光學參數(shù)。采用Z-掃描技術，研究了薄膜的三階非線性光學性質，得到了薄膜的非線性吸收及非線性折射率，通過理論計算，得到了KTN 薄膜的三階非線性極化系數(shù)的實部Reχ(3)和虛部Imχ(3)。采用此方法對KTN 三階非線性光學性質的研究，此前國內(nèi)外未見報道。最后，采用第一性原理計算方法，構建了KTN 超原胞，并應用基于密度泛函廣義梯

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

7、熱合成的機理和水熱合成的熱力學模型進行了理論研究。
　　 (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，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薄膜表面形貌和結晶性的影響。表征和分析測試表明，在優(yōu)化的工藝條件下，薄膜樣品有很好的結晶性，薄膜的生長沿(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 薄膜的線性光學性質，得到了薄膜樣品的折射率和線性吸收系數(shù)隨波長變化的關系。790nm λ=處測得薄膜的折射率為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性質，測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，三階非線性光學極化率實部Reχ(3)和虛部Imχ(3)分別為2.5