本文關(guān)鍵詞：離子注入光學(xué)晶體材料的Blistering現(xiàn)象和波導(dǎo)制備研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：離子束技術(shù)是材料表面改性和表征的一個重要研究領(lǐng)域,在過去幾十年里催生了半導(dǎo)體工業(yè)中的若干關(guān)鍵技術(shù)。盧瑟福背散射/溝道分析、彈性反沖探測分析、核反應(yīng)分析和二次離子質(zhì)譜分析已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的表面和界面分析方法。離子注入/輻照技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和絕緣體材料的表面改性及處理中,在化學(xué)、醫(yī)藥和冶金等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。上個世紀(jì)末以來集成光學(xué)得到了迅猛發(fā)展。集成光學(xué)器件結(jié)構(gòu)緊湊,可以將多個光學(xué)微納元件集成在同一塊襯底上以實現(xiàn)特定的光學(xué)功能,在生化傳感、環(huán)境檢測及信息通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光波導(dǎo)是集成光學(xué)最基本的組成結(jié)構(gòu),由一定厚度的高折射率介質(zhì)及低折射率的包覆層構(gòu)成。光波導(dǎo)的尺度與工作波長在同一個量級(微米),通光截面較小,與體材料器件相比更容易達到高功率密度。光波導(dǎo)中的非線性光學(xué)效應(yīng)(二次諧波產(chǎn)生、光學(xué)參量振蕩等),激光效應(yīng)(波導(dǎo)激光、波導(dǎo)放大器等)和光孤子等已經(jīng)成為國際上的研究熱點。迄今為止光波導(dǎo)器件的制備可以由多種方式實現(xiàn),較為常用的方法包括金屬離子擴散、離子交換、薄膜沉積、離子束技術(shù)、飛秒激光直寫、溶膠凝膠等。其中,離子束技術(shù)是一種得到廣泛研究及應(yīng)用的波導(dǎo)制備技術(shù),在特定材料中的波導(dǎo)形成機理仍吸引著業(yè)界的研究興趣。通過控制注入離子的種類、能量和劑量,離子束技術(shù)可以在光學(xué)晶體、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體和有機材料等襯底上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)有多種利用離子束技術(shù)的手段可以制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),其中最典型的方法是直接離子注入/輻照、Crystal Ion Slicing(CIS)/Smart Cut以及離子束增強刻蝕。直接對光學(xué)材料進行離子注入/輻照可以改變材料表面的折射率從而形成光波導(dǎo)。離子注入/輻照技術(shù)能夠精確控制注入離子的種類、劑量和深度,是一種應(yīng)用較廣泛的波導(dǎo)制備方法,在光學(xué)晶體、聚合物、陶瓷、玻璃等多種光學(xué)材料均可形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。將離子注入/輻照技術(shù)與光刻、刻蝕工藝相結(jié)合,可以制備條形波導(dǎo)、脊型波導(dǎo)等光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子注入通�？煞譃檩p離子(H和He)注入和較重離子(C、O、Si、Ar、Cu等)注入。質(zhì)量較重離子注入一般會在材料近表面區(qū)域形成幾微米厚的折射率增加的波導(dǎo)層,從而將光限制在波導(dǎo)層中傳播。重離子注入的劑量通常比輕離子注入低1～3個數(shù)量級,相對而言重離子是一種更為有效的波導(dǎo)制備方法。近年來,快重離子輻照(能量在20MeV-幾GeV的重離子)作為一種新的波導(dǎo)制備手段,顯示出許多獨特的優(yōu)勢,受到了研究者的重視。CIS/Smart Cut技術(shù)是制備單晶薄膜波導(dǎo)的一種有效的方法。該方法是將輕離子(H或He)注入到晶體內(nèi)部一定的深度,然后鍵合到適合的襯底上,經(jīng)過濕法刻蝕或者退火處理后能夠均勻地從襯底上“切”下單晶薄膜。輕離子注入引起的Blistering現(xiàn)象是CIS/Smart Cut技術(shù)的物理基礎(chǔ)。由于H和He在大部分材料里的固溶度都很低,注入會在晶體內(nèi)部形成一個含有氣泡的損傷層,退火處理時注入的離子擴散并聚集到氣泡中,這些氣泡逐漸變大并且相互連接到一起,最后氣泡內(nèi)的壓力就會使晶體表面發(fā)生變形,產(chǎn)生表面Blistering現(xiàn)象。依賴于注入離子的能量,CIS/Smart Cut 可以制備出厚度幾百納米到幾個微米的單晶薄膜,選擇合適的鍵合襯底可以形成對光具有較強限制作用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子束增強刻蝕結(jié)合了離子注入和化學(xué)濕法腐蝕,是在材料表面制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和其他微納結(jié)構(gòu)的一種較有效的方法。在離子注入過程中,注入離子將能量轉(zhuǎn)移到晶體晶格上引起大量的缺陷,從而形成高損傷層甚至非晶層,損傷層的耐腐蝕性與體材料相比會大為降低。研究結(jié)果表明,損傷達到一定程度的區(qū)域可以被特定的腐蝕液刻蝕,而未損傷區(qū)域則不能被刻蝕(或者刻蝕速率極低),這就形成了刻蝕的選擇性。雖然離子束增強刻蝕不能直接制備出波導(dǎo),但與平面波導(dǎo)制備技術(shù)相結(jié)合可以制備出結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的脊型波導(dǎo)、波導(dǎo)光柵等微結(jié)構(gòu)。本文主要研究離子束技術(shù)在光學(xué)晶體材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),包含三方面內(nèi)容：CIS/Smart Cut(包括Blistering現(xiàn)象和薄膜制備),離子束增強刻蝕和直接離子注入光學(xué)材料制備光波導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下：鈮酸鋰(LiNbO3)具有優(yōu)良的電光、非線性、聲光、光彈等物理性質(zhì),是集成光學(xué)中最有價值的材料之一。我們研究了不同劑量離子注入后鈮酸鋰晶體表面起泡時間和退火溫度的關(guān)系,計算了起泡過程中的活化能。利用He離子注入與Cu-Sn鍵合相結(jié)合的方法制備了大面積(幾cm2)低缺陷密度的亞微米厚度鈮酸鋰平板波導(dǎo)。通過盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)和暗模特性譜分析了所制備鈮酸鋰薄膜的性質(zhì)。實驗結(jié)果表明,我們制備的鈮酸鋰薄膜盧瑟福背散射/溝道譜產(chǎn)額較低,鈮酸鋰薄膜和二氧化硅隔離層能夠形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。金紅石(Ti02)晶體具有高折射率和較高的三階非線性光學(xué)系數(shù),可以制作超快光學(xué)開關(guān)和超連續(xù)光源等多種納米光子學(xué)器件。我們利用能量為200keV,不同劑量的He離子注入金紅石晶體,研究了不同退火溫度和退火時間下晶體表面的Blistering現(xiàn)象。通過盧瑟福背散射/溝道技術(shù),高分辨X射線衍射和掃描電子顯微鏡測試分析了注入后晶體近表面區(qū)域的性質(zhì)。研究結(jié)果表明,通過大劑量的He離子注入和一定條件的退火處理,金紅石晶體可以實現(xiàn)有效的剝離。鉭酸鉀(KTa03)晶體有較強的二次電光效應(yīng),還具有較大的介電常數(shù)和折射率,可以應(yīng)用于可調(diào)微波器件、數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器和各種集成光學(xué)窗口。我們利用能量為190keV,不同劑量的He離子注入KTaO3晶體,在不同的退火條件下研究離子注入的Blistering現(xiàn)象。二次離子質(zhì)譜測試結(jié)果顯示,退火過程中He離子發(fā)生了明顯的外擴散,He離子分布由退火前的單峰高斯分布變成了雙峰分布。研究結(jié)果表明,通過He離子注入和后續(xù)的退火處理,KTaO3晶體在較低的注入劑量下就可以實現(xiàn)有效的剝離。我們采用MeV的氧、硅和銅離子注入z切同成分鈮酸鋰單晶樣品,研究了鈮酸鋰的離子束增強刻蝕特性。利用臺階儀、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡測量了刻蝕的深度、速度以及表面形貌�？涛g的形貌是由注入離子的種類和劑量決定的,通過選擇合適的離子種類和劑量,可以避免表面裂紋的出現(xiàn),制備高質(zhì)量的微納結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,與氧和硅離子注入相比,銅離子注入可以形成陡直的腐蝕側(cè)壁,腐蝕所形成的脊型結(jié)構(gòu)比較規(guī)則。我們利用6MeV銅離子注入導(dǎo)致的離子束增強刻蝕在退火質(zhì)子交換鈮酸鋰平面波導(dǎo)上制備了低損耗的脊型光波導(dǎo),所制備脊型波導(dǎo)最低損耗為113dB/cm。摻鐠正硅酸釔晶體(Pr：YSO)具有良好的光學(xué)性能,是量子光信息儲存的一種優(yōu)選襯底材料。我們利用6MeV氧離子注入摻鐠正硅酸釔晶體,制備了低損耗的平面和條形波導(dǎo)。采用棱鏡耦合方法測量波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的暗模特性譜,研究了注入引起的折射率變化和注入劑量之間的關(guān)系。共聚焦微熒光光譜顯示波導(dǎo)區(qū)域熒光發(fā)光特性與體材料相比并沒有發(fā)生明顯的變化。制備的Pr：YSO波導(dǎo)在量子信息存儲中具有潛在的應(yīng)用價值。近化學(xué)計量比鈮酸鋰(SLN)與同成分鈮酸鋰(CLN)相比具有更完美的晶體結(jié)構(gòu),可以明顯改善晶體性能。鎂摻雜能極大的增加鈮酸鋰晶體的光損傷閾值。我們在摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰上利用多劑量的MeV氧離子注入形成平面光波導(dǎo)。利用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)研究了離子注入產(chǎn)生的損傷,采用棱鏡耦合法測量波導(dǎo)的暗模特性譜,并通過一系列的退火處理研究波導(dǎo)模式有效折射率的退火特性。研究結(jié)果表明,退火過程可以作為調(diào)節(jié)波導(dǎo)折射率的一種有效手段。
【關(guān)鍵詞】：離子注入 Blistering 光波導(dǎo) 離子束增強刻蝕 光學(xué)晶體
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN252
【目錄】：

• 中文摘要10-14
• ABSTRACT14-18
• 符號說明18-19
• 第一章 緒論19-32
• 1.1 離子束技術(shù)簡介19-21
• 1.2 離子束技術(shù)的應(yīng)用21-25
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容和目標(biāo)25-28
• 參考文獻28-32
• 第二章 基本理論及實驗方法32-49
• 2.1 平面波導(dǎo)線光學(xué)理論33-35
• 2.2 離子注入與背散射/溝道分析技術(shù)35-39
• 2.3 質(zhì)子交換技術(shù)39-41
• 2.4 光刻技術(shù)41-42
• 2.5 波導(dǎo)性能測試方法42-46
• 2.6 X射線衍射46-47
• 參考文化47-49
• 第三章 He離子注入鈮酸鋰晶體表面Blistering現(xiàn)象和薄膜波導(dǎo)制備研究49-61
• 3.1 He離子注入鈮酸鋰晶體表面Blistering現(xiàn)象50-54
• 3.2 He離子注入與Cu-Sn鍵合法制備鈮酸鋰單晶薄膜54-60
• 參考文獻60-61
• 第四章 He離子注入金紅石和鉭酸鉀晶體表面Blistering現(xiàn)象61-76
• 4.1 He離子注入金紅石晶體表面Blistering現(xiàn)象62-69
• 4.2 He離子注入鉭酸鉀晶體表面Blistering現(xiàn)象69-75
• 參考文獻75-76
• 第五章 重離子注入鈮酸鋰晶體離子束增強刻蝕和脊型波導(dǎo)制備研究76-87
• 5.1 離子注入鈮酸鋰晶體離子束增強刻蝕性質(zhì)研究77-83
• 5.2 離子束增強刻蝕方法制備質(zhì)子交換鈮酸鋰脊型波導(dǎo)83-86
• 參考文獻86-87
• 第六章 氧離子注入Pr：YSO和Mg：SLN晶體波導(dǎo)制備研究87-100
• 6.1 氧離子注入Pr：YSO晶體平面波導(dǎo)的制備88-93
• 6.2 氧離子注入Pr：YSO晶體條形波導(dǎo)的制備93-95
• 6.3 氧離子注入Mg：SLN晶體平面波導(dǎo)的制備95-99
• 參考文獻99-100
• 第七章 總結(jié)100-104
• 7.1 主要研究結(jié)果101-103
• 7.2 主要創(chuàng)新點103-104
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及獲得的獎勵104-105
• 致謝105-106
• 附外文論文106-116
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表116

【參考文獻】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王磊;離子注入平面與條形光波導(dǎo)的優(yōu)化條件研究[D];山東大學(xué);2007年

  本文關(guān)鍵詞：離子注入光學(xué)晶體材料的Blistering現(xiàn)象和波導(dǎo)制備研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：329938