ZnO薄膜中非線性的研究

ZnO薄膜中非線性的研究第1頁/共46頁ZnO薄膜中具有很多非線性的性質(zhì)，如在ZnO膜生長過程中，呈現(xiàn)出分形形貌；ZnO材料具有較大的二階和三階非線性系數(shù)，是很好的非線性光學(xué)材料。第2頁/共46頁分形理論是Mandelbrot在20世紀(jì)70年代提為表征復(fù)雜圖形和復(fù)雜過程而提出的，分形具有自相似性和空間尺度的不變性。ZnO薄膜在生長過程中呈現(xiàn)分形生長，其表面形貌具有廣義的自相似性。我們試想觀察不同實驗條件下其表面形貌，提出模型模擬其生長過程，并用分維表征其分形性質(zhì)，驗證模型的適用性。第3頁/共46頁美麗的分形圖片第4頁/共46頁美麗的分形圖形第5頁/共46頁Outline實驗構(gòu)想實驗過程結(jié)果分析實驗總結(jié)第6頁/共46頁1.薄膜生長初期形貌研究磁控濺射法，在Si和NaCl襯底上生長12.5nm的ZnO薄膜。由于沒有現(xiàn)成NaCl晶體，我們預(yù)先在化學(xué)實驗室用蒸發(fā)過飽和溶液法生長了NaCl晶體。XRD和SEM表征。第7頁/共46頁NaCl晶體的生長第8頁/共46頁2.退火溫度對薄膜形貌的影響磁控濺射法，在Si襯底上生長200nm的ZnO薄膜共四組。分別進行不退火，350°C退火，550°C退火和750°C退火。XRD和SEM表征。3.非線性光學(xué)性質(zhì)的驗證磁控濺射法，在玻璃襯底上鍍膜200nm，通過Z掃描技術(shù)測得薄膜的透光率，測量其三階非線性系數(shù)，驗證其非線性光學(xué)特性。第9頁/共46頁Outline實驗構(gòu)想實驗過程結(jié)果分析實驗總結(jié)第10頁/共46頁1.薄膜生長初期形貌研究Si襯底XRD表征：第11頁/共46頁NaCl襯底XRD表征：第12頁/共46頁Si襯底：SEM表征：第13頁/共46頁在一些區(qū)域，ZnO仍零星分布，未連接成片第14頁/共46頁棒狀結(jié)構(gòu)：在ZnO較少的區(qū)域，晶體以棒狀形貌存在：第15頁/共46頁在一些ZnO較多的區(qū)域，晶體已經(jīng)初步連接成片，呈島狀生長：第16頁/共46頁積聚的ZnO晶體類似擴散受限聚集模型DLA：第17頁/共46頁NaCl襯底：第18頁/共46頁ZnO顆粒在NaCl表面散布，主要以小球狀存在，一般為中心一顆粒較大小球和周圍若干顆粒較小小球組成的小球組。第19頁/共46頁彈道沉積模型模擬ZnO濺射過程：在濺射過程中，粒子垂直撞擊到表面上，但方位和方向有一定隨機性，碰到襯底表面的聚集基團后由于熱運動和粒子間的吸引力仍要運動一段時間，最終穩(wěn)定在一個能量較小的位置，1+1維彈道沉積模型可以較好模擬這種過程。第20頁/共46頁由于粒子在入射過程中有一定幾率以斜角度入射，從而形成斜柱狀形貌，這也可以解釋為什么有很多ZnO薄膜的XRD圖像出現(xiàn)峰的偏移。第21頁/共46頁彈道沉積模型模擬的生長過程在濺射的初期，由于初始粒子沉積位置有一定的隨機性，隨后濺射的粒子有被已聚集基團吸引的趨勢，從而形成分立的聚集基團向上生長，隨著薄膜逐漸變厚，這種分立性逐漸消失，從而形成連續(xù)的膜。（這也可以解釋小球組現(xiàn)象）第22頁/共46頁小球組：第23頁/共46頁放大尺度來看，一些地方ZnO仍以小球組形態(tài)零散分布，而一些地方小球已經(jīng)相連，形成長島狀結(jié)構(gòu)，但這種島狀結(jié)構(gòu)較Si襯底上的ZnO的島狀有明顯的差異。第24頁/共46頁可以看到，Si襯底上形成的島狀邊緣較為平滑，聚集面積較大，但方向性較弱；而NaCl襯底上的島狀邊緣較尖銳，島面積較小，但方向性更強。這是因為：從靶材濺落的原子在形成NaCl團簇后還要繼續(xù)在襯底表面遷移，這種遷移受到襯底原子的束縛而停止。由于NaCl的晶格結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，對濺落原子的約束力較強，所以一般ZnO會沿一定方向生長，而Si的約束力較弱，ZnO較易沿不同方向生長。第25頁/共46頁XRD表征：2.退火溫度對薄膜形貌的影響第26頁/共46頁第27頁/共46頁第28頁/共46頁第29頁/共46頁SEM表征：350°C退火：第30頁/共46頁550°C退火：第31頁/共46頁750°C退火：第32頁/共46頁顆粒大小的比較：通過與標(biāo)度尺比對，350°C退火時顆粒大小約為25nm。第33頁/共46頁550°C退火時其顆粒大小約為50nm第34頁/共46頁750°C退火時顆粒大小約為150nm第35頁/共46頁我們將圖像導(dǎo)入計算機，處理灰度后將其數(shù)值化，用加權(quán)盒計數(shù)法編程求其多重分形譜。第36頁/共46頁雙對數(shù)圖第37頁/共46頁從配分函數(shù)和度量尺度的雙對數(shù)圖可以看出在不同的尺度下各點線性關(guān)系較好，反映出圖形具有尺度不變性，驗證了ZnO薄膜的分形生長。由廣義分形維度Dq=k(q)/(q-1),導(dǎo)入不同退火溫度下ZnO的圖像，計算其廣義分形維度分別為：350°C：7.1550°C：6.5750°C：3.1隨著退火溫度的升高，分形維度減小，這是因為在視場中ZnO顆粒為較亮部分，分形維度減小表征了ZnO顆粒增大，這與退火使薄膜顆粒增大的結(jié)論是一致的，至于維度的具體數(shù)值有一定的誤差，因為某些地方亮部不是整個ZnO顆粒，某些地方暗部仍屬于ZnO.第38頁/共46頁3.非線性光學(xué)性質(zhì)的驗證我們采用Z掃描的方法研究氧化鋅薄膜的非線性光學(xué)性質(zhì),得到在不同的z-point處激光通過薄膜后的透射率。由于實驗時所用的激光器出現(xiàn)故障，功率不穩(wěn)定，導(dǎo)致測出的結(jié)果不理想，不能利用該數(shù)據(jù)得到精確的非線性系數(shù)。就最終得到的實驗數(shù)據(jù)來看，我們實現(xiàn)了定性地驗證ZnO薄膜對透光率的非線性性質(zhì)。第39頁/共46頁透射率曲線：第40頁/共46頁理論結(jié)果如下：第41頁/共46頁

由于儀器的原因沒能得到開口處峰的圖像，但由閉口處谷的圖像和理論圖像相比符合較好，由透射率曲線我們可定性的看出ZnO薄膜的非線性光學(xué)特性。第42頁/共46頁Outline實驗構(gòu)想實驗過程結(jié)果分析實驗總結(jié)第43頁/共46頁1.磁控濺射法生長較薄ZnO薄膜，觀察了薄膜生長初期形貌。2.研究了不同退火溫度