富硅氧化硅和ZnO掺Er薄膜的制备及光学特性

摘要

由于Er<'3+>在1.54μm波段的发光是由4f壳层中电子的4I<,13/2>→4I<,15/2>跃迁产生的,对应着石英光纤的最小吸收窗口,因此在光通讯领域得到了广泛的应用.随着光纤通信和集成光电子学的发展,人们越来越多的关注掺Er光波导放大器(EDWA)的研究,EDWA在通讯领域的潜在应用前景对薄膜材料的研究提出了新的挑战.本硕士论文在国家自然科学基金(项目编号:50240420656)资助下完成的,论文中分别采用离子束辅助沉积(IBAD)和磁控溅射(MS)两种薄膜制备方法进行了掺Er材料的研究工作.实验内容分为三个部分,第一部分采用离子束辅助沉积的方法制备了掺Er-SiO<,x>薄膜.第二部分采用反应射频磁控溅射方法制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜.第三部分采用反应脉冲磁控溅射方法制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜.通过对薄膜形貌、组织结构、化学成分、光学特性以及光致荧光的检测分析及对比,探讨了不同沉积方法,不同基质材料薄膜中Er<'3+>离子1.54μm光致荧光特性.论文中主要研究结果如下:1.离子束辅助沉积制备掺Er-SiO<,x>薄膜的膜厚在微米量级;退火后薄膜中的O含量升高;结构分析结果表明:掺Er-SiO<,x>薄膜是无定形态,800℃退火后形成了纳米尺度的多晶硅薄膜,1100℃退火后薄膜的晶粒明显长大;光致荧光结果表明:未经退火的掺Er-SiO<,x>薄膜没有测到光致荧光,发光强度随退火温度的升高而增强,1100℃时强度达到最大.2.反应射频磁控溅射法制备的Er/Yb共掺ZnO薄膜,沉积温度到500℃时,薄膜具有最高的择优取向性,在不同的退火阶段,薄膜结构变化明显:低于800℃退火是ZnO晶粒逐渐长大的阶段,900℃退火薄膜中出现了Er<'3+>、Yb<'3+>偏析,高于1100℃退火薄膜与基底发生界面反应;退火后薄膜中O含量增加;未退火及800℃退火后Er/Yb共掺ZnO薄膜没有观测到近红外光致荧光,高于900℃退火薄膜在1540 nm附近具有明显的光致荧光,1050℃退火时光致荧光达到最大值;光谱呈现典型的晶体基质中E<'3+>离子荧光光谱所具有的明锐多峰结构特征;另外观察了Er/Yb共掺ZnO薄膜近紫外和可见光波段的光致荧光光谱.3.同射频磁控溅射沉积Er/Yb共掺ZnO薄膜的XRD谱对比,脉冲磁控溅射沉积薄膜出现的稀土氧化物析出量小,发生界面反应的退火温度较高;薄膜的晶粒尺寸和薄膜应力都偏小;在1050℃退火获得了更强的光致荧光,并且在1537nm形成一个连续的发光带;实验证明:在Er/Yb共掺ZnO薄膜中,过高的Er、Yb掺杂浓度不利于获得Er<'3+>离子高效的发光.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明

1.绪论

1.1 EDWA的研究背景

1.2 Er3+的精细结构及光谱理论

1.3 Yb共掺的作用

1.4掺Er薄膜材料的研究和发展现状

1.4.1掺Er硅基薄膜的研究现状

1.4.2掺Er化合物薄膜的研究现状

1.5本论文工作的主要目的和研究重点

参考文献

2薄膜的制备及分析方法

2.1本论文中薄膜制备的方法

2.1.1离子束辅助沉积技术

2.1.2磁控溅射沉积技术

2.2薄膜质量的研究方法

2.2.1透射电镜分析(TEM)

2.2.2 X射线衍射(XRD)

2.2.3扫描电镜分析(SEM)

2.2.4透射谱的分析方法

2.2.5薄膜光致荧光的测量

参考文献

3离子束辅助沉积(IBAD)法制备掺Er-SiOX薄膜

3.1掺Er-SiOX薄膜的制备

3.1.1衬底的选择及清洗

3.1.2靶的制备

3.1.3实验操作过程及参数控制

3.1.4基片的加热方式和退火工艺

3.2掺Er-SiOX薄膜的表征

3.2.1薄膜厚度分析

3.2.2薄膜成分分析

3.2.3薄膜结构分析

3.2.4薄膜的红外光致荧光

3.3本章结论

参考文献

4射频磁控溅射沉积Er/Yb共掺ZnO薄膜

4.1 Er/Yb共掺ZnO薄膜的制备

4.1.1衬底的选择和清洗

4.1.2实验操作过程及参数控制

4.1.3退火处理

4.2沉积温度对Er/Yb共掺ZnO薄膜的影响

4.2.1成分分析

4.2.2 XRD结构分析

4.2.3薄膜厚度及光学特性分析

4.3退火温度对Er/Yb共掺ZnO薄膜的影响

4.3.1成分分析：

4.3.2 XRD结构分析

4.3.3透射谱分析

4.4光致荧光特性分析

4.4.1红外PL发光的测量

4.4.2紫外PL发光的测量

4.5本章结论

参考文献

5脉冲磁控溅射制备Er/Yb共掺ZnO薄膜

5.1 Er/Yb共掺ZnO薄膜的制备

5.2 Er/Yb共掺ZnO薄膜的表征

5.2.1 XRD结构特征

5.2.2薄膜厚度及光学参数分析

5.3 Er/Yb共掺ZnO薄膜光致荧光特性

5.4本章结论

参考文献

6结论与展望

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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