单一组分钛酸锶钡光学微腔及构筑方法

摘要

本发明公开了一种单一组分钛酸锶钡光学微腔及构筑方法，该方法利用含聚乙烯吡咯烷酮的前驱体溶液，通过重复甩胶镀膜－热处理工艺，且通过不同的热处理条件对钛酸锶钡薄膜的微观结构进行调控，以构筑由钛酸锶钡布拉格反射膜层和均一相的钛酸锶钡间隔层形成的光学微腔。本发明的最大特点是：光学微腔的反射镜和间隔层均用同一种前化学溶液进行构筑；其优点是：所用设备简单，操作方便，成本低，普适性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种由铁电多层膜组成的法布里—珀罗光学微腔技术，具体是指一种由钛酸锶钡(BST)布拉格反射膜层和均一相钛酸锶钡间隔层组成的光学微腔及其制备方法。

背景技术

反射镜和光学微腔是光量子操控系统中不可破缺的重要器件。光学微腔因具有量子电动力学效应而给新型光电子器件的研发带来了新的机遇，如利用微腔的选频和对电磁场的放大作用，已成功制备了垂直腔面发射激光器、共振发光二极管、探测器和光开关等器件。构建这些器件的常用材料大多是半导体、无机氧化物或有机物。由于这些材料本身具有非常弱的甚至无电光、声光等效应，基于这些材料制作的光学微腔只能在设定的工作频率下运行，无法实现腔模频率的动态调谐。而铁电化合物具有大的电光系数，基于铁电材料制作的光学微腔的工作频率就有可能通过外加电场加以调控。我们曾在名为“钛酸锶钡法布里—珀罗光学微腔及制备方法”的专利文件1中(申请专利号：200710038665.1)，公开了BST光学微腔的制备方法。但是在此专利介绍的工艺流程中需要采用两种不同的溶液分别制备BST布拉格反射膜层和间隔层，这无疑增加了BST光学微腔制备的成本和复杂性。最近，我们实现了一种制备BST光学微腔的新工艺——在制备微腔的反射镜和间隔层时，只要采用不同的热处理条件，就可以利用同一种前驱体溶液制备高质量的BST光学微腔。该方法对降低BST光学微腔的制备成本，推进和拓展BST光学微腔在集成光电子器件、光通讯、光计算等领域的应用都将起到积极的作用

发明内容

本发明的目的：提供一种利用单一前驱体溶液制备性能优良且工作频率可调谐的BST光学微腔的简易方法。

本发明的光学微腔结构包括：钛酸锶单晶衬底，在衬底上通过化学溶液法依次排列生长如下结构的膜层：

DBR\Spacer\DBR；

上述膜层中的DBR为5—20个周期的BST多层介质反射膜，每层介质反射膜的厚度为60—200nm；Spacer为均一相的BST间隔层，其膜层厚度为30—100nm。

本发明中的BST光学微腔采用化学溶液法生长，其过程如下：

1.用于制备BST光学微腔的前驱体溶液的配制：

溶剂为冰醋酸，稳定剂为已酰丙酮，添加剂为聚乙烯吡咯烷酮，它们的摩尔比为25～35:0.5～1.5:0.5～1.5。

溶质为醋酸锶、醋酸钡、正丁醇钛，它们的摩尔比为(1—x):x:1，其中0<x<1。先将醋酸锶、醋酸钡溶于热的冰醋酸中，待溶液冷却到室温后依次将已酰丙酮、正丁醇钛、聚乙烯吡咯烷酮加入上述溶液中持续搅拌，通过稀释或者蒸馏将溶液的浓度调整为0.3M/L，并过滤得到澄清透明的前驱体溶液。

2.BST光学微腔膜层的制备：

微腔膜层采用常规的旋涂镀膜工艺，按上述的膜层结构依次在钛酸锶衬底上制备。

本发明的基本构想是：采用专利文件1(申请号200710038665.1)中表述的方法生长近周期性的BST反射膜。突出的创新性表现在BST间隔层的制作上：通过200℃—400℃的低温处理，使首先沉积在反射膜层2上的第一层BST形成无定形相；继续沉积BST时，由于上一次生长的BST薄膜处于非晶体态，BST薄膜表面没有电极性，由相分离产生的聚乙烯吡咯烷酮纳米聚集体随机分布在胶凝膜内，不会产生空间择优分布；再经700℃—750℃的高温晶化处理，使前后两次沉积的BST膜都转化成钙钛矿铁电体，而第二次沉积的薄膜表现为均一相的结构，该层用作整个微腔的间隔层。

本发明的的一个显著特点是：光学微腔的反射镜和间隔层均用同一种化学溶液进行构筑；其优点是：所用设备简单，操作方便，成本低，普适性强。

附图说明

图1给出了BST光学微腔的结构示意图，1和3分别为衬底和间隔层，2和4为上下两个BST多层介质反射膜堆。

图2为BST光学微腔的反射光谱。曲线1对应间隔层厚度为48nm的微腔；曲线2对应间隔层厚度为62nm的微腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例1

钡锶比为90/10溶液的配制：

溶剂为冰醋酸，稳定剂为已酰丙酮，添加剂为聚乙烯吡咯烷酮。

溶质为醋酸钡、醋酸锶、正丁醇钛，它们的摩尔比为0.9:0.1:1。将2.7864g醋酸钡，0.2603g醋酸锶，0.65g聚乙烯吡咯烷酮溶于30ml加热的冰醋酸中，然后加入约2ml的已酰丙酮，搅拌并使其冷却，最后加入4.2ml正丁醇钛并持续搅拌2—3个小时，加入少量冰醋酸稀释，并过滤得到清澈透明、摩尔浓度约为0.3M/L的BST前驱体溶液。

实施例2

含10个周期的BST布拉格反射膜层2的制备：

利用旋涂镀膜工艺，以每分钟3000转的转速，将实施例1中配制好的、钡锶比为90/10的前驱体溶液滴到旋转着的钛酸锶单晶衬底1上，旋涂时间为30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在200℃、350℃和750℃的温度下热处理4分钟，4分钟和8分钟，重复上述生长步骤10次，得到具有10个周期的BST布拉格反射膜层2，膜层2的厚度约为900nm。

实施例3

BST光学微腔间隔层的制作：

将实施例1中配制好的前驱体溶液滴到上述制备好的BST反射膜层2上，以甩胶速率为每分钟3000转的转速旋涂30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在200℃和350℃的温度下热处理4分钟，重复上述步骤1次后，接着将样品在750℃的温度下热处理30分钟，得到均一相的间隔层3，其厚度约为62nm。

实施例4

含10个周期的BST布拉格反射膜层4的制备：

再将实施例1中配制好的前驱体溶液滴到上述制备好的间隔层上，以甩胶速率为每分钟3000转的转速旋涂30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在200℃、350℃和750℃的温度下热处理4分钟，4分钟和8分钟，重复上述生长步骤10次，得到具有10个周期的BST布拉格反射膜层4，反射膜层4的厚度同样为900nm。最后得到结构为：钛酸锶衬底1/10个周期BST布拉格反射膜层2/间隔层3/10个周期BST布拉格反射膜层4。

为说明光学微腔的腔模频率可通过改变工艺参数得到调控，我们将上述实施例中镀制光学微腔反射膜层和间隔层的转速改为每分钟3500转，使间隔层厚度及多层膜的周期长度变小。图2给出了这两种光学微腔的反射光谱数据，测量结果表明两个微腔的谐振频率确实可以通过调整工艺参数进行调控。