鐵電鈮酸鍶鋇（SBN）薄膜電光性能的研究.pdf

1、為滿足現(xiàn)代光通信、光信息處理等領(lǐng)域的需要，光電子器件正向著小型化、集成化發(fā)展。鐵電鈮酸鍶鋇(SBN)材料以其優(yōu)良的介電、壓電、熱釋電、電光以及光折變性能廣泛地應(yīng)用于電光調(diào)制器、熱釋電紅外探測(cè)器、全息成像存儲(chǔ)器等集成光電器件中，尤其是其優(yōu)良的電光性能正受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。SBN具有廣闊的應(yīng)用前景，因此對(duì)于這種材料的制備及性能表征已成為薄膜光電子學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一。本文從理論上和實(shí)驗(yàn)上研究了SBN薄膜的線性電光性能，建立并完善了測(cè)試和

2、表征薄膜電光性能的系統(tǒng)。 表征薄膜材料電光性能的重要參數(shù)是線性電光系數(shù)和半波電壓，電光系數(shù)越大，半波電壓越小，則該材料所制備的電光器件效率越高，越小型化，因此也更加滿足集成光電子器件的要求。本文針對(duì)SBN薄膜縱向電光系數(shù)較大的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了其縱向電光性能。針對(duì)摻雜鉀鈉的鈮酸鍶鋇(KNSBN)薄膜橫向電光系數(shù)較大的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了其橫向電光性能。 基于F-P腔可調(diào)諧濾光片原理的啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)了F-P腔原理測(cè)試SBN薄膜縱

3、向電光系數(shù)的方法。對(duì)于F-P腔模型，可以不假設(shè)縱向電光系數(shù)r13和r33之間的倍數(shù)關(guān)系，獨(dú)立地求得它們的值，對(duì)于以往的方法來(lái)說是一個(gè)很大的進(jìn)步，根據(jù)薄膜特征矩陣法模擬后，發(fā)現(xiàn)在MgO厚度為0.01mm，SBN薄膜厚度為1μm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)透射峰波長(zhǎng)的調(diào)諧。由于薄膜制作工藝、實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)量手段限制，這種方法目前難以實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)以往測(cè)量方法的總結(jié)和比較，本文最終選用并改進(jìn)了簡(jiǎn)單反射法測(cè)量SBN薄膜的縱向電光系數(shù)，這種方法光路簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可

4、搭建性強(qiáng)，不需要施加高的工作電壓，但該方法的理論處理忽略了自然雙折射，認(rèn)為no≈ne，而且需要假設(shè)r13和r33之間的倍數(shù)關(guān)系，使其具有一定的局限性。 本文詳細(xì)推導(dǎo)了簡(jiǎn)單反射法測(cè)量SBN薄膜縱向電光系數(shù)的理論公式，針對(duì)該方法設(shè)計(jì)出兩種樣品結(jié)構(gòu)，一種為SBN75/KSBN75/Si膜系，采用溶膠凝膠法(Sol-Gel)鍍制SBN薄膜，KSBN75層通過1000℃高溫處理，目的是在Si與上層的純SBN75層之間形成緩沖層，減小襯底與

5、SBN薄膜之間的晶格失配率，而純SBN層的退火溫度為750℃。通過X射線衍射儀(XRD)分析，SBN薄膜在Si襯底上沿C軸高度擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，測(cè)量出其縱向電光系數(shù)r33為98.44pm/V。另一種為SBN60/LiNiO2/MgO膜系，此樣品為香港理工大學(xué)物理系采用脈沖激光沉積法(PLD)制得，LiNiO2薄膜即能充當(dāng)?shù)纂姌O又能保證SBN薄膜的取向性，測(cè)量出其縱向電光系數(shù)r33為186.61pm/V。兩種樣品的縱向電光系數(shù)測(cè)量值與理論值相

6、比有一定差距，這可能與薄膜取向性、制備方法、電極材料等方面有關(guān)。但兩種樣品的電光系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出常用電光材料LiNbO3晶體的電光系數(shù)(rc=18.9pm/V)。 SBN的縱向電光系數(shù)較大，但橫向電光系數(shù)較小，在很大程度上限制了其使用范圍，摻雜適當(dāng)?shù)碾x子可以有效地提高SBN的橫向電光系數(shù)。本文采用Sol-Gel法在MgO(001)單晶襯底上制備了符合化學(xué)計(jì)量比的完全填充型鐵電KNSBN薄膜，通過X射線衍射，搖擺曲線，X射線Φ掃描，

7、原子力顯微鏡，掃描電子顯微鏡等方法研究了薄膜的微結(jié)構(gòu)性能，研究發(fā)現(xiàn)KNSBN薄膜在MgO單晶襯底上沿C軸外延生長(zhǎng)，隨著Sr2+含量增加，薄膜結(jié)晶的優(yōu)先取向性隨之減弱，表面粗糙度增加。采用Adachi雙光路比較法成功地測(cè)得KNSBN薄膜的橫向電光系數(shù)r51，由于自發(fā)極化強(qiáng)度與介電常數(shù)的影響，r51的數(shù)值隨Sr2+含量增加而增大。K+，Na+的引入有效地提高了r51的值，當(dāng)Sr2+/Ba2+=9時(shí)，r51值可達(dá)到126.96pm/V，比SB