本文關(guān)鍵詞： 氫化納米硅薄膜 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 Z掃描 可調(diào)非線性光吸收和光折射 激光誘導(dǎo)晶化 吸收系數(shù)調(diào)制　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著半導(dǎo)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(xué)器件由于相比于傳統(tǒng)電子學(xué)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(xué)轉(zhuǎn)為光子學(xué)是十分必要的�，F(xiàn)在,硅基光子學(xué)技術(shù),借助硅材料極大的元素儲量導(dǎo)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(yīng)用,是目前國內(nèi)外最重要的前沿研究領(lǐng)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(shè)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(yīng)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(bǔ)這一缺陷。目前對于納米量級硅材料的光學(xué)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(xué)方面的了解還十分欠缺。這一方面性質(zhì)在光子學(xué)器件中也很重要,若是能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制,則可以制備各種非線性光學(xué)元器件;相反,若是對其毫無了解,則可能由于例如自聚焦等非線性效應(yīng)造成破壞。本論文主要對于以下幾點進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究:(1)利用等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)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(jìn)行微米尺度的激光誘導(dǎo)晶化,并利用開孔z掃描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(qiáng)氣相化學(xué)沉積法進(jìn)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(xué)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(yīng),電子學(xué)性質(zhì)和線性光學(xué)性質(zhì),其非線性光學(xué)性質(zhì),尤其是例如全光開關(guān)等光子學(xué)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(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,我們發(fā)現(xiàn),氫化納米硅薄膜的非線性光吸收性質(zhì)可以分別由入射激光的波長、強(qiáng)度以及樣品的禁帶寬度獨(dú)立進(jìn)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(jìn)行了完美的擬合,并從樣品所擁有的帶尾態(tài)這一獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)對于這種調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)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(yīng),導(dǎo)致吸收了光子之后躍遷至帶尾態(tài)以及導(dǎo)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折射之間靈敏調(diào)節(jié)。之后我們進(jìn)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(jī)制的大小。由于我們可以通過入射光波長、強(qiáng)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(xué)元器件打下了良好的理論基礎(chǔ)。在進(jìn)行開孔Z掃描實驗的過程中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射光強(qiáng)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(qiáng)度的改變而改變。我們對于吸收突變后的樣品進(jìn)行了詳細(xì)的物性分析,發(fā)現(xiàn)激光照射區(qū)域發(fā)生了微米尺度的激光誘導(dǎo)晶化。我們利用晶化后樣品吸收系數(shù)的改變提出了空間漸變吸收理論,完美的解釋了我們所觀察到的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象對于設(shè)計新型弱光非線性器件有著一定的幫助。最后我們利用這一效應(yīng)制備了一種新型光限幅器件,并對于其性能進(jìn)行了測試。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O484

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本文編號：1478120