碱金属钽铌酸盐薄膜的可控生长与光学特性研究

摘要

碱金属钽铌酸盐光电功能材料以其显著的电光性能在光电信息处理领域等具有较大的应用潜力。相对于体块材料，薄膜形式可以大幅度降低材料的电光调制电压，促进纳秒、亚纳秒量级光开关的实用化进程。因此，对碱金属钽铌酸盐薄膜的研究有着重要的理论与实用意义。本文针对钽铌酸盐材料薄膜化问题展开，制备了纯KLTN电光薄膜并对其实现可控生长，以及对薄膜的基本光学性能和薄膜中的光传输特性进行了研究。
　　利用脉冲激光沉积(PLD)技术成功制备了钙钛矿相的KTa0.5Nb0.5O3(KTN50)、KTa0.65Nb0.35O3(KTN65)和K0.95Li0.05Ta0.65Nb0.35O3(KLTN65)薄膜，从实验方面探索了薄膜的生长规律，得到了薄膜的最佳生长条件。结构及微观形貌表征表明，薄膜在(h00)方向取向度高达94.6％，晶粒尺寸大约50-100nm，且结晶质量良好。针对薄膜生长输运过程中粒子偏离化学计量比造成杂相产生的情况，主要研究了PLD法制备KTN薄膜等离子体羽辉的传输特性，得到了等离子体浓度的空间和时间分布特性。并在此基础上，研究了K、Nb和Ta原子的沉积规律，为钽铌基薄膜的可控生长提供了支持。
　　利用紫外-可见光分光光度计、椭偏仪和Z扫描等分析了KTN薄膜的透射和吸收光谱、折射率等基本光学性能。根据光谱特性计算得到薄膜厚度参数，并解释了薄膜光学禁带展宽的原因;基于薄膜的折射率色散特性，得出在Pt(111)/Ti/SiO2/Si基片上生长的钽铌酸盐薄膜的折射率方程参数;由薄膜的三阶非线性光学特性，研究得到其非线性折射系数为-6.59×10-10cm2/W，表明薄膜在波长为532nm、脉宽为8ns、光功率密度为0.48GW/cm2激光下具有自散焦特性。另外，为了探索KTN薄膜在光学器件领域的潜在应用，进一步研究了KTN/MgO和ITO/KTN/Pt平面波导中的光传输特性，通过频域分析和边界模式分析，得到了KTN平面波导的传播模式，并研究了不同尺寸薄膜TE模式的光传输效率，发现薄膜厚度200-500nm时波长为632.8nm的光具有较高的传输效率和较低的传输损耗。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的与意义

1．2 碱金属钽铌酸盐材料的研究概况

1．2．1 KTN系列晶体的国内外研究进展

1．2．2 PLD法制备KTN薄膜的研究进展

1．3 本论文的主要研究内容

第2章 碱金属钽铌酸盐薄膜的制备及结构表征

2．1 引言

2．2 碱金属钽铌酸盐陶瓷靶材的制备及表征

2．2．1 粉体合成

2．2．2 陶瓷靶材的制备

2．2．3 陶瓷靶材的结构表征

2．3 碱金属钽铌酸盐薄膜的制备

2．3．1 PLD法制备碱金属钽铌酸盐薄膜

2．3．2 KTN薄膜的结构表征

2．3．3 KTN薄膜的微观形貌

2．4 本章小结

第3章 KTN薄膜生长羽辉的传输特性研究

3．1 引言

3．2 脉冲激光沉积(PLD)技术物理机制

3．3 等离子体羽辉的空间膨胀

3．3．1 等离子体的空间等温膨胀

3．3．2 等离子体的空间绝热膨胀

3．4 薄膜组分的实验分析

3．5 本章小结

第4章 碱金属钽铌酸盐薄膜的基本光学性能研究

4．1 引言

4．2 钽铌酸盐薄膜的透射吸收特性

4．2．1 钽铌酸盐薄膜的透射吸收光谱

4．2．2 钽铌酸盐薄膜的光学禁带

4．2．3 钽铌酸盐薄膜的光学常数和厚度计算

4．3 钽铌酸盐薄膜的折射率特性

4．4 钽铌酸盐薄膜的光致非线性折射率特性

4．5 本章小结

第5章 KTN薄膜波导光传输特性研究

5．1 引言

5．2 KTN／MgO薄膜波导特性的仿真研究

5．2．1 KTN薄膜波导的模式分析

5．2．2 KTN薄膜波导的边界模式分析

5．2．3 KTN薄膜波导的光传输效率

5．3 电极对KTN薄膜波导的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢