脉冲激光沉积法制备硫系玻璃薄膜的结构与光学性质研究

摘要

硫系玻璃具有良好的透红外光性能，是重要的光学材料与光电子材料。硫系玻璃薄膜在现代集成光学器件研发领域具有诱人的应用前景。本文采用脉冲激光沉积法制备出GeSx（x=2,4，6）、GeSex（x=2,4，6）、90GeS2-5Ga2S3-5CdS、80GeS2-10Ga2S3-10KBr、（1-x）（4GeSe2-Ga2Se3）-xKBr（x=0，0，1，0.2，0.3）多种体系的玻璃薄膜，采用多种现代测试分析手段，对薄膜的组分、玻璃结构和光学性质等方面作了系统的表征和分析，得出如下主要结果和结论：
　　 （1）脉冲激光沉积法制备的硫系玻璃薄膜，其组分与靶材偏离很小。薄膜的表面光滑平整、粗糙度很小。除0.7（4GeSe2-Ga2Se3）-0.3KBr薄膜退火后出现微晶化，其它玻璃薄膜在退火前后均为非晶态。
　　 （2）随着S含量增大，GeSx（x=2,4，6）玻璃薄膜中Ge-Ge键数量减少，平均键能增大，导致短波吸收边发生蓝移，光学带隙逐渐增大（2.59 eV到2.86 eV）；由于Ge4+离子半径较大，极化率较高，导致玻璃薄膜折射率随S含量增加而减小。GeSx薄膜以[GeS4/2]四面体为主要结构基团，以共边或共顶点连接构成玻璃网络；80GeS2-10Ga2S3-10KBr和90GeS2-5Ga2S3-5CdS玻璃薄膜也是以[GeS4/2]和[GaS4/2]四面体为主构成的三维玻璃网络。
　　 （3）随着Se含量增加，GeSex（x=2,4，6）薄膜的光学带隙逐渐减小（1.95eV到1.90eV），但折射率逐渐增加。随着KBr含量增加，（1-x）（4GeSe2-Ga2Se3）-xKB（x=0，0.1，0.2）玻璃薄膜的光学带隙逐渐增加（1.98eV到2.24eV），折射率逐渐下降。退火导致Ge-Se基薄膜的光学带隙均相应增大。
　　 （4）在0.8GeSe2-0.2GaESe3和GeSe4薄膜中观察到明显的光致体积膨胀、光致暗化效应和光致各向异性效应。相对体积膨胀分别为3.3％和9.3％，光致各向异性度分别为5.8％和7.1％。光照射诱发更多的结构缺陷，增加了价带顶的局域态密度，也增大了玻璃的结构无序性。层间结构荷电后，电荷间排斥作用引起体积膨胀。同时使玻璃中紧密变价对（IVAP）与邻近原子的键连接发生改变，产生光致各向异性。
　　 （5）90GeS2-5Ga2S3-5CdS薄膜经电场极化处理后，有二次谐波信号产生，最大二阶非线性系数为x（2）=3.83pm/V。极化电场诱导偶极子作定向排列，适当的极化温度使得偶极子能够摆脱玻璃网络的束缚，有利于偶极子的定向排列；但温度过高时偶极子热运动过于剧烈，削弱了电场对偶极子的定向排列作用。