稀土離子注入ZnO薄膜光波導的射程分布及光學特性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是優(yōu)良的寬禁帶半導體光電材料，成為繼GaN之后光電領域研究的熱門，ZnO相關產(chǎn)業(yè)將有廣闊的應用領域和市場前景。稀土元素因其特殊的電子層結構，具有豐富的力、光、電、磁性能，引起世界范圍內(nèi)科學家的研究興趣。若在氧化鋅薄膜光波導中摻雜進稀土離子，使稀土離子處在一個很低的聲子能量局域環(huán)境內(nèi)，基質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，以便應用在集成光學、高密度數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、低價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)等領域。稀土資源對國民經(jīng)濟、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域及傳統(tǒng)領域中得到應用，體現(xiàn)出很好的社會價值，對稀土特性的研究順應時代發(fā)展的要求。
　　 本文介紹了薄膜光波導理論、稀土元素及其應用、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技術分析Er+離子注入Z

3、nO薄膜得出的射程實驗數(shù)據(jù)進行對比，以期對實際實驗提供參考。
　　 在本論文的工作中，以ZnO燒結陶瓷為靶材，應用射頻磁控濺射技術在(001)藍寶石、(100)MgO襯底上制備ZnO波導薄膜。利用棱鏡耦合、X射線衍射、RBS背散射分析等技術研究了所沉積薄膜的光波導及內(nèi)部結構信息。結果表明在兩種襯底上所沉積的ZnO薄膜可以形成優(yōu)良的平面光波導結構；薄膜結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、學計量比；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在藍寶石襯底上沉積ZnO：Yb光波導薄膜，然后用離子注入技術將能量為200KeV的Er+離子注入薄膜中，劑量為1×1015ions/cm2。應用棱鏡耦合

5、技術、盧瑟福背散射(RBS)技術、X射線衍射(XRD)技術和熒光光譜等技術研究了薄膜的波導性質、基本結構、厚度、組分、Er+的射程情況及光學頻率上轉換性質。實驗發(fā)現(xiàn)摻雜Yb和Er的薄膜可以形成光波導結構，但波導質量較純ZnO波導膜差，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間的光學頻率上轉換。
　　 以具有稀土氧化物摻雜的ZnO燒結陶瓷盤作為靶材，利用射頻磁控濺射技術沉積稀土離子摻雜的ZnO薄膜，研究了薄膜在980nm激光激發(fā)下的光學性能。
　　 在ZnO中實現(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，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ZnO薄膜和Yb摻雜的ZnO薄膜，為有

7、效激活稀土離子及恢復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結構，但波導質量較純ZnO波導膜差，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頻率上轉換性質，980nm半導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