發(fā)布時(shí)間：2020-08-06 22:01

【摘要】：離子輻照作為一種有效、可控的修飾和分析材料近表面區(qū)域性質(zhì)的技術(shù),被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、物理和化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。其中,離子注入技術(shù)已經(jīng)成為集成電路中半導(dǎo)體器件的主要摻雜手段之一。另外,在鋁合金、金屬與陶瓷材料表面改性領(lǐng)域,離子輻照技術(shù)能夠使工件的耐磨性、抗蝕性、催化性能、超導(dǎo)性能以及光學(xué)性能等特性得到明顯提高�；谠又g相互作用的離子輻照技術(shù),在光學(xué)材料改性、制備光傳輸用和光產(chǎn)生用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及光調(diào)制用二維材料等方面也具有十分重要的價(jià)值和意義,而集成光子系統(tǒng)中主要涉及光的產(chǎn)生、傳輸與調(diào)制。作為一種信息處理與傳輸系統(tǒng),集成光學(xué)器件具有體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高、損耗低以及使用便捷等優(yōu)點(diǎn),在光信息處理和光通信等方面具有極大的優(yōu)越性。光波導(dǎo)作為集成光學(xué)器件的基本元件,對(duì)于集成光學(xué)器件的實(shí)現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用。目前,有多種各有優(yōu)勢(shì)的方法可以成功制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),而本文使用的離子輻照技術(shù),通過(guò)在材料表面引入損傷、缺陷等,誘導(dǎo)材料性質(zhì)發(fā)生改變,成功制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。二維材料由于其優(yōu)異的性質(zhì),在晶體管、超級(jí)電容器、光電探測(cè)器、傳感器以及DNA測(cè)序等方面均極具應(yīng)用價(jià)值。盡管如此,但是二維材料往往需要某些特定的功能,才能更好地滿足各種實(shí)際應(yīng)用中的不同要求。因此,對(duì)二維材料進(jìn)行有效合理地修飾以實(shí)現(xiàn)特定的功能是十分必要的。利用離子束技術(shù)調(diào)控二維材料的相關(guān)性質(zhì)也已經(jīng)被證明是一種非常有效的方法。在實(shí)際應(yīng)用中,離子束引入的雜質(zhì)和缺陷在二維材料功能化中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文涉及的材料主要分為兩類(lèi):光學(xué)晶體和二維硒化物材料。光學(xué)晶體主要包括 LaAl03 晶體、(La,Sr)(Al,Ta)03 晶體、Nd:GdV04 晶體以及 Nd:YLiF4 晶體;二維硒化物材料主要包括二硒化鎢(WSe2)與二硒化錸(ReSe2)。對(duì)于不同的材料來(lái)說(shuō),由于材料本身的性質(zhì)不同,離子輻照后對(duì)其折射率、吸收率等方面造成不同的改變,進(jìn)而引入不同的性質(zhì)。因而根據(jù)實(shí)際需要合理調(diào)控離子輻照的條件,以實(shí)現(xiàn)特定的性質(zhì)具有十分重要的價(jià)值。本文的主要工作內(nèi)容有:(1)利用離子輻照光學(xué)晶體材料,成功制備光傳輸用和光產(chǎn)生用波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并研究其相關(guān)結(jié)構(gòu)特性與光波傳輸特性等;(2)利用C離子輻照二維硒化物材料,調(diào)控材料的帶隙以及發(fā)光特性等,以制備光調(diào)制用二維材料。本文主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論模擬相結(jié)合的方法研究離子輻照前后材料的相關(guān)性質(zhì)變化,利用棱鏡耦合和端面耦合方法測(cè)試研究晶體材料的暗模特性曲線以及近場(chǎng)光強(qiáng)分布情況;利用SRIM軟件模擬離子射入材料的射程、離子分布、離散、摻雜濃度以及能量損失等相關(guān)參數(shù);利用inverseWentzel-Kramer-Brillouin(iWKB)和Reflectivity Calculation Method(RCM)程序重構(gòu)離子輻照后晶體材料的折射率分布;利用 Finite-Difference Beam Propagation Method(FD-BPM)模擬光波導(dǎo)器件的光場(chǎng)傳輸;利用盧瑟福背散射與溝道分析技術(shù)(RBS/channeling)分析離子輻照后晶體材料的損傷情況等;利用共聚焦微拉曼光譜、吸收光譜以及photoluminescence(PL)譜分析離子輻照前后物質(zhì)分子的振動(dòng)情況、吸收率情況以及帶隙變化等;利用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)以及納米壓痕技術(shù)研究離子輻照后材料的結(jié)構(gòu)、元素組成、化學(xué)態(tài)以及力學(xué)等性質(zhì)的變化;利用 atomic force microscopy(AFM)和 scanning electron microscopy(SEM)對(duì)二維材料進(jìn)行形貌表征等�；谝陨蠈�(shí)驗(yàn)和模擬方法,所取得的研究?jī)?nèi)容如下:鋁酸鑭(LaA103)晶體常溫下為六方晶系,當(dāng)溫度813K時(shí),變?yōu)榱⒎骄�。六方晶系時(shí)(常溫下),晶格常數(shù)a = b = 5.36A,c=13.111A;立方晶系時(shí)(溫度813K),晶格常數(shù)a = 3.821A。熔點(diǎn)為2080 ℃,密度為6.52g/cm3,硬度為6.0-6.5mohs,介電常數(shù)為e = 21。其顏色依退火狀況不同,由棕黃色到褐色。由于其極好的光學(xué)和介電性質(zhì),LaAlO3晶體在集成光電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。室溫下,利用C離子輻照LaAl03晶體,具體輻照條件如下:I能量為 6.0 MeV,劑量為 3.0 × 1015 ions/cm2;Ⅱ 能量為(6.0 + 5.5)MeV,劑量為(5.0 + 4.0)× 1014 ions/cm2;Ⅲ 能量為 20.0 MeV,劑量為 1.0 × 1015 ions/cm2。C離子輻照后,成功制備傳輸用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)試樣品的波導(dǎo)特性發(fā)現(xiàn),不同輻照條件誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的導(dǎo)波模式、折射率分布以及晶格損傷。RBS/channeling譜、XRD圖譜和微拉曼光譜顯示了樣品近表面區(qū)域(電子阻止本領(lǐng)占主導(dǎo)地位的區(qū)域)的晶格損傷分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)赝嘶鹛幚砘謴?fù)了樣品的部分晶格損傷。適當(dāng)?shù)赝嘶鹛幚砗?633 nm波長(zhǎng)下,輻照條件為Ⅰ和Ⅱ的樣品的傳輸損耗分別降為3.59和3.57 dB/cm。這些結(jié)果使LaAlO3晶體在集成光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。利用能量為6.0 MeV,劑量為1.5 × 1015 ions/cm2的C離子和O離子分別輻照LaAl03晶體。C離子輻照后,成功制備傳輸用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu);O離子輻照后,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)赝嘶鹛幚?也成功制備出光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。樣品波導(dǎo)區(qū)域中,拉曼光譜半高寬和強(qiáng)度的變化顯示了樣品無(wú)序程度的分布情況。通過(guò)比較C離子和O離子輻照后的相關(guān)特性發(fā)現(xiàn),C離子輻照可以更好地限制光的傳輸。根據(jù)其傳輸性質(zhì),在集成光子系統(tǒng)中,可以做出更準(zhǔn)確和恰當(dāng)?shù)倪x擇。鋁酸鍶鉭鑭((La,Sr)(Al,Ta)03,LSAT)晶體常溫下為立方晶系,當(dāng)溫度降至150K以下時(shí),晶系從立方變?yōu)檎换蛩姆浇Y(jié)構(gòu)。常溫下晶格常數(shù)a = b = c =3.868 A,熔點(diǎn)為1840℃,密度為6.74 g/cm3,硬度為6.5 mohs,介電常數(shù)為ε = 22。根據(jù)退火情況,晶體顏色由無(wú)色到淺棕色。在各種薄膜沉積應(yīng)用中,LSAT晶體是襯底的首選材料。在光譜方面,從紫外到近紅外區(qū)域,LSAT晶體均得到了廣泛的研究。因而,LSAT晶體在光學(xué)或者與激光相關(guān)的應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。利用能量為6.0 MeV,劑量為1.0 × 1015和2.0 × 1015 ions/cm2的C離子分別輻照LSAT晶體,并成功制備傳輸用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用RBS/channeling譜、拉曼光譜以及XRD圖譜分析研究了樣品的損傷和微結(jié)構(gòu)特性。暗模特性曲線以及近場(chǎng)光強(qiáng)分布顯示,兩輻照樣品均支持0階模和1階模傳輸。測(cè)量得到兩輻照樣品的傳輸損耗分別為1.85和2.71 dB/cm。以上結(jié)果說(shuō)明:本組實(shí)驗(yàn)中,能量為6.0 MeV,劑量為1.0 × 1015 ions/cm2的C離子輻照的樣品可以更好地限制光的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為在實(shí)際應(yīng)用中使用LSAT晶體光波導(dǎo)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。利用能量為20.0 MeV,劑量為1.0 × 1015 ions/cm2的C離子輻照LSAT晶體。利用RBS/channeling譜、硬度和彈性(楊氏)模量隨深度變化的曲線以及XRD譜線分析并展現(xiàn)了樣品近表面區(qū)域的損傷、硬度以及結(jié)構(gòu)等變化情況。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)赝嘶鹛幚砗?成功在LSAT晶體中形成傳輸用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用棱鏡耦合和端面耦合等方法研究不同退火條件下,光波導(dǎo)性質(zhì)的變化情況。并選取波導(dǎo)傳輸損耗最低(0.83 dB/cm)時(shí)的退火條件作為以下光譜分析研究的實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)拉曼光譜測(cè)試顯示了退火處理對(duì)樣品損傷恢復(fù)的影響。摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體,Nd摻雜濃度(原子比)1%,四方晶系,空間群I41/amd,密度為 5.47g/cm3。1064 nm 波長(zhǎng)下,折射率n0= 1.972,ne = 2.192。Nd:GdV04晶體是一種用于二極管泵浦的高效激光材料,在808.4 nm波長(zhǎng)處的吸收帶約為1.6 nm,這可以與GaAlAs激光二極管的發(fā)射帶很好的匹配。另外,Nd:GdVO4晶體還具有優(yōu)異的光譜性質(zhì),比如大的發(fā)射截面和高的拉曼增益。因此,作為重要的功能材料,Nd:GdVO4晶體吸引了大量的關(guān)注。但是它的晶格結(jié)構(gòu)卻很容易通過(guò)離子輻照得到改變,進(jìn)而影響其相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)。利用離子輻照Nd:GdVO4晶體,并成功制備了光產(chǎn)生用波導(dǎo)結(jié)構(gòu),具體輻照條件如下:Ⅰ能量為460.0 keV,劑量為5.6 × 1016 ions/cm2的H離子輻照;Ⅱ能量為6.0 MeV,劑量為1.0 × 1015 ions/cm2的C離子輻照;Ⅲ能量為6.0 MeV,劑量為3.0 × 1015 ions/cm2的C離子輻照。原子移位比(dpa)、XRD衍射峰的偏移、樣品硬度和彈性(楊氏)模量與壓痕深度之間的關(guān)系以及微拉曼光譜的變化表明離子輻照引起晶格結(jié)構(gòu)的紊亂。拉曼光譜中,波導(dǎo)區(qū)域的峰強(qiáng)和峰位發(fā)生明顯的變化,這為分析離子輻照Nd:GdVO4晶體引起的晶格結(jié)構(gòu)變化提供了準(zhǔn)確的信息。對(duì)吸收光譜、熒光光譜、折射率分布和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成的研究也表明樣品中損傷的產(chǎn)生。此外,可以發(fā)現(xiàn),C離子(中等質(zhì)量離子)輻照引起的近表面晶格損傷高于相似dpa下H離子(輕離子)輻照引起的損傷。摻釹氟化鋰釔(Nd:YLiF4,Nd:YLF)晶體,四方晶系,晶格常數(shù)a = 5.26 A,c= 10.94 A,密度為3.95 g/cm3,熔點(diǎn)為825℃,硬度為4-5 mohs,透光范圍為0.1-7.5μm。在1.053μm波長(zhǎng)下的折射率分別為no= 1.448,ne=1.47。其激光波長(zhǎng)π= 1.047,σ 1.053,熒光壽命約為485μs。因其具有熒光譜線寬度大以及自然雙折射等優(yōu)點(diǎn),是低閾值連續(xù)波(CW)鎖模激光器的優(yōu)良候選材料。另外,Nd:YLF晶體在超快脈沖激光系統(tǒng)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。利用能量為80.0 keV,劑量為1.0×1015 ions/cm2的Ga離子輻照Nd:YLF晶體。XRD圖譜和熒光光譜說(shuō)明,Ga離子輻照后,Nd:YLF樣品的整體結(jié)晶性和本征光致發(fā)光特性均得到了很好的保留。拉曼光譜中,325 cm-1處的拉曼峰峰強(qiáng)的急劇增大表明:Ga離子輻照Nd:YLF晶體在實(shí)際生產(chǎn)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。二硒化鎢(WSe2),作為一種半導(dǎo)體過(guò)渡金屬二硫族化合物(STMD),由于其p型半導(dǎo)體特性,近年來(lái)引起人們廣泛的關(guān)注。單層WSe2已逐漸成為光伏和光導(dǎo)器件應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)有吸引力的選擇。與本體塊狀材料不同,單層WSe2是一種直接帶隙半導(dǎo)體,適用于光電子、采光、化學(xué)傳感器以及自旋波谷耦合等相關(guān)應(yīng)用。利用能量為1.0 MeV,劑量為5.0 × 1013和5.0 × 1014 ions/cm2的C離子分別輻照藍(lán)寶石襯底上的單層WSe2樣品,以探索其缺陷效應(yīng)。AFM圖像表明C離子輻照可有效調(diào)控樣品的形狀和尺寸等。拉曼光譜顯示了 C離子輻照后單層WSe2樣品的振動(dòng)和電子性質(zhì)。PL光譜表明通過(guò)C離子輻照可以有效調(diào)控樣品的帶隙,在制備光調(diào)制用二維材料方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。二硒化錸(ReSe2),作為另一種STMD材料,也因其很好的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)而被廣泛研究,在超CMOS器件中具有較大地應(yīng)用潛力。與WSe2等材料不同的是,ReSe2在光學(xué)和振動(dòng)性質(zhì)方面對(duì)層數(shù)的依賴(lài)性非常弱。利用能量為1.0 MeV,劑量為5.0 × 1013和5.0 × 1014 ions/cm2的C離子分別輻照藍(lán)寶石襯底上的多層ReSe2樣品,以探索其輻照效應(yīng)。通過(guò)分析AFM和SEM圖像發(fā)現(xiàn),C離子輻照后,ReSe2樣品的尺寸和厚度等形貌可以得到有效的控制。通過(guò)分析XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn),離子輻照后,樣品的結(jié)晶性得到提高。拉曼光譜的紅移現(xiàn)象表明層間范德華相互作用不足以決定聲子行為的層依賴(lài)性。另外,在光催化中,適當(dāng)?shù)腃離子輻照后,表面能帶的彎曲可以有效抑制電子和空穴的復(fù)合,從而提高其反應(yīng)效率。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN252
【圖文】：

山東大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑子的示意圖。Ｐ為在正面碰撞中最接近的距離。低能離子在輻照樣品時(shí)，子級(jí)聯(lián)碰撞［４］，當(dāng)所有離子和運(yùn)動(dòng)原子靜止后，大量的缺陷對(duì)會(huì)在樣品］，從而影響材料的宏觀性質(zhì)，例如輻照腫脹、生長(zhǎng)、脆化、硬化、電導(dǎo)能下降、光學(xué)性能改變等。逡逑

優(yōu)點(diǎn)是：（１）材料適用性廣泛；（２）具有很強(qiáng)的重復(fù)性和可靠性，通過(guò)優(yōu)化輻參數(shù)，包括離子種類(lèi)、能量和劑量，可以精確控制改性材料的相關(guān)性質(zhì)；（３）入過(guò)程溫度可調(diào)，可以滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。逡逑離子輻照可以分為輕離子（Ｈ或Ｈｅ離子）和重（或中等質(zhì)量）離子（Ｃ、以及０等原子序數(shù)大于８的離子）輻照兩種。為形成光波導(dǎo)，輕離子輻照劑約為１０ｌ６ｉ0ｎＳ／ｃｍ２量級(jí)，輻照能量在幾百ｋｅＶ到幾ＭｅＶ之間；而重離子輻照量約為１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２量級(jí)，輻照能量一般為幾ＭｅＶ，相比于輕離子輻照低１－２數(shù)量級(jí)左右［３（Ｗ４］。離子輻照制備光波導(dǎo)根據(jù)其形成機(jī)理以及折射率分布，可以致分為下圖１．２．１［３５］中的三種類(lèi)型：“位壘”型（ａ）、“勢(shì)阱”型（ｂ）以及“勢(shì)阱＋壘”型⑷。逡逑關(guān)于離子輻照制備光波導(dǎo)的更多內(nèi)容，在本課題組其它博士學(xué)位論文中有細(xì)介紹，這里不再贅述。逡逑

量約為１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２量級(jí)，輻照能量一般為幾ＭｅＶ，相比于輕離子輻照低１－２個(gè)逡逑數(shù)量級(jí)左右［３（Ｗ４］。離子輻照制備光波導(dǎo)根據(jù)其形成機(jī)理以及折射率分布，可以大逡逑致分為下圖１．２．１［３５］中的三種類(lèi)型：“位壘”型（ａ）、“勢(shì)阱”型（ｂ）以及“勢(shì)阱＋位逡逑壘”型⑷。逡逑關(guān)于離子輻照制備光波導(dǎo)的更多內(nèi)容，在本課題組其它博士學(xué)位論文中有詳逡逑細(xì)介紹，這里不再贅述。逡逑｜邐３邋Ｉ邐＼邋ｂ邋Ｉ邋、邋ｃ逡逑ｉ—丨邋ｌｒ逡逑Ｄｅｐｔｈ邐Ｄｅｐｔｈ邐Ｄｅｐｔｈ逡逑圖１．２．１［３５］⑷“位壘”型；（ｂ）邋“勢(shì)阱”型；（ｃ）邋“勢(shì)阱＋位壘，，型逡逑１．３離子輻照二維材料逡逑二維材料是伴隨著２００４年曼切斯特大學(xué)Ｇｅｉｍ團(tuán)隊(duì)成功分離出單原子層石逡逑墨烯而提出的。二維材料包括石墨烯、過(guò)渡金屬二硫族化合物（比如ＭｏＳ２，ＷＳ２，逡逑ＲｅＳ２，邋ＷＳｅｄＤ邋ＲｅＳｅ２）、／？－ＢＮ以及拓?fù)浣^緣體。由于其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱逡逑學(xué)以及光學(xué)特性，二維材料在晶體管［３Ｍ３］、超級(jí)電容器［４４４７］、光電探測(cè)器［４８＿５１］、逡逑３逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 崔麗娟;高進(jìn);杜玉峰;張高偉;張磊;龍毅;楊善武;詹倩;萬(wàn)發(fā)榮;;氫離子輻照純釩中形成的位錯(cuò)環(huán)[J];物理學(xué)報(bào);2016年06期

2 王宇鋼;姚淑德;薛建明;張崇宏;孫友梅;;強(qiáng)離子輻照引起材料損傷研究立項(xiàng)報(bào)告[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2016年18期

3 馬明旺;陳西良;楊康;楊小敏;劉丹;朱智勇;;高能鐵離子輻照二氧化硅玻璃產(chǎn)生的缺陷研究[J];核技術(shù);2009年04期

4 邵春林，余增亮;低能離子輻照的刺激效應(yīng)模型[J];核技術(shù);1996年06期

5 劉純寶;王志光;;離子輻照引起的金屬/絕緣體界面混合與相變研究[J];原子核物理評(píng)論;2006年02期

6 劉平平;詹倩;趙明忠;萬(wàn)發(fā)榮;大尗`忝

本文編號(hào)：2783024