LiNbO3薄膜光學(xué)特性

本文格式為Word版，下載可任意編輯——LiNbO3薄膜光學(xué)特性S.Shandilyaetal./ThinSolidFilms520(2023)2142–2146

C軸取向的LiNbO3薄膜的光學(xué)特性

SwatiShandilyaa,AnjaliSharmaa,MonikaTomarb,VinayGuptaa,*

ab

物理和天鐵物理系，德里大學(xué)，德里-110007，印度

米蘭達(dá)女子學(xué)院，德里大學(xué)，德里110007，印度

摘要

C-軸取向鈮酸鋰（LiNbO3晶體）薄膜被沉積到外延匹配（001）藍(lán)寶石基板采用脈沖激光沉積技術(shù)。的薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性已分別使用的X-射線(xiàn)衍（XRD）和紫外-可見(jiàn)光譜研究。拉曼光譜已被用來(lái)研究的c軸取向LiNbO3薄膜的光學(xué)聲子模和缺陷電影。XRD分析說(shuō)明在所生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜，這是由于壓力的存在鈮酸鋰晶體和藍(lán)寶石之間的晶格失配小。折射率（n=2.13在640nm處）（006）鈮酸鋰晶體薄膜的要稍低一些相應(yīng)的體積值（N=2.28）。各個(gè)負(fù)責(zé)在從相應(yīng)的（006）LiNbO3薄膜的折射率的偏差的因素散裝探討和值的偏差的主要原因是，由于存在晶格收縮沉積膜中的應(yīng)力。關(guān)鍵詞光學(xué)特性脈沖激光沉積薄膜鈮酸鋰

1.引言

鈮酸鋰（LiNbO3）

鈮酸鋰（LiNbO3晶體）是一個(gè)巨大的技術(shù)材料光學(xué)器件的利息。大量的文獻(xiàn)可在鈮酸鋰單晶等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，其優(yōu)異的光學(xué)性能的晶體沿觀(guān)測(cè)c軸[1-3]。鈮酸鋰單晶的已知表現(xiàn)出通用的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，因此它繼續(xù)是一個(gè)極好的材料，各種光子的應(yīng)用，如頻率轉(zhuǎn)換器，光開(kāi)關(guān)，光調(diào)制器，多路復(fù)用器等人[4-7]。在他們的薄膜是有利的批量對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備應(yīng)用程序。了解是眾所周知的發(fā)揮了重要的作用的薄膜的折射率實(shí)現(xiàn)的光學(xué)設(shè)備，并且即使一個(gè)小的變化在其值會(huì)影響其應(yīng)用。鈮酸鋰晶體薄膜的折射率通過(guò)各種工人使用紫外可見(jiàn)光譜進(jìn)行了測(cè)量和光導(dǎo)波技術(shù)。對(duì)于聲光和電光器件的制造，這是十分重要的研究的光學(xué)與c軸取向的LiNbO3薄膜的性能的。幾個(gè)報(bào)告的c軸取向LiNbO3薄膜的生長(zhǎng)電影使用各種沉積技術(shù)[8,9]，正在努力連續(xù)主要集中向增長(zhǎng)的各種基板上包括，外延匹配藍(lán)寶石，硅，熔融石英等藍(lán)寶石襯底上已用于LiNbO3薄膜的沉積影片由不同的工人光學(xué)器件的應(yīng)用，由于其低折射率和相像的晶體結(jié)構(gòu)，盡管小晶格失配和較低的熱膨脹系數(shù)差在比較的LiNbO3[2]。Shibata等。成長(zhǎng)外延鈮酸鋰晶體薄膜的（001）和（110）藍(lán)寶石晶體脈沖激光沉積法[10]。他們報(bào)告說(shuō)，化學(xué)計(jì)量從李豐富的鈮酸鋰薄膜只能存放中得到的目標(biāo)（與Li/Nb的=2），和李缺陷相asdeposited陶瓷靶，鈮酸鋰薄膜的制備Li/Nbb2。高頻（460-810MHz）的表面聲波（SAW）器件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用LiNbO3/sapphire層狀結(jié)構(gòu)[10]。筧等。[11]已經(jīng)報(bào)道了外延生長(zhǎng)的鈮酸鋰晶體薄膜的α-Al2O3襯底上用脈沖激光沉積技術(shù)。氧自由基的量的控制由改變激光能量密度的源，其影響Li濃度的沉積鈮酸鋰晶體薄膜。光學(xué)財(cái)產(chǎn)的脈沖激光沉積（0012）織構(gòu)鈮酸鋰晶體薄膜（001），研究了SiO2基板使用光導(dǎo)波技術(shù)和一個(gè)較小的值的折射率（ηTE=2.144和ηTM=2.036）散裝鈮酸鋰相比已被報(bào)道[12]。schwyn等。[1]沉積鈮酸鋰晶體薄膜的外延匹配的藍(lán)寶石襯底

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上射頻濺射技術(shù)和效果的射頻功率（50到100W）上的折射率（=2.302至2.260和ne=2.100到2.200）進(jìn)行了研究。折射率脈沖激光沉積鈮酸鋰晶體薄膜也被認(rèn)為是大大受加工參數(shù)，并從2.43下降到2.21增加氧氣壓力從1×10-5?5×10-2毫巴和從2.07增加至2.28，增加激光能量密度為0.5?2.5J/cm2的[13]。據(jù)悉，拉曼光譜法是一種靈敏的工具識(shí)別的膜質(zhì)量和膜中存在的缺陷，并因此光學(xué)聲子模式的研究是十分重要的[14,15]。

在我們較早的工作拉曼光譜已用于研究缺陷存在于c軸取向LiNbO3薄膜沉積在在硅襯底[16]。然而，很少關(guān)注向（006）的鈮酸鋰的拉曼光譜分析中給出薄膜沉積在藍(lán)寶石襯底外延匹配。在目前的工作中c軸取向LiNbO3晶體薄膜的生長(zhǎng)外延匹配（001）的藍(lán)寶石基板上。結(jié)構(gòu)和LiNbO3薄膜的光學(xué)性質(zhì)的研究已被使用X-射線(xiàn)衍射，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和拉曼光譜。分散在c軸取向LiNbO3薄膜的折射率膜已經(jīng)研究了隨波長(zhǎng)的光的單個(gè)振蕩器模型

2.詳細(xì)試驗(yàn)步驟

LiNbO3薄膜（001）藍(lán)寶石襯底上沉積脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)。薄膜生長(zhǎng)在（001）

13.3Pa的藍(lán)寶石單晶在700℃的襯底溫度下氧壓采用Nd：YAG激光（III10Surelite;品牌：連續(xù)流，USA）的波長(zhǎng)266納米（第4次諧波）。高致密的陶瓷光盤(pán)（1英寸直徑。）的鈮酸鋰晶體含有過(guò)量5％對(duì)Li2O已準(zhǔn)備使用常規(guī)的固態(tài)反應(yīng)途徑，并用作靶鈮酸鋰薄膜沉積。目標(biāo)的細(xì)節(jié)準(zhǔn)備報(bào)道[16]。聚焦的激光束短脈沖具有的脈沖寬度為10ns的形式和重復(fù)速率為10Hz的時(shí)間是在45°的角度入射在靶表面上。使用3Jcm-2時(shí)的能量密度的激光脈沖。薄膜沉積在100％氧氣氛中，在壓力為13.3賓夕法尼亞州將基板保持在距離25

mmfrom靶表面。所沉積的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)膜進(jìn)行了研究，使用X-射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)，使用布拉格布倫塔諾（θ-2θ）掃描的X-射線(xiàn)衍射儀（Bruker公司D8發(fā)現(xiàn)），Cu靶輻射（λ=1.54056?）。膜厚度為采用DEKTAK150表面輪廓儀（品牌：Veeco公司）。

紫外-可見(jiàn)光譜（品牌：PerkinElmer公司，型號(hào)：LAMDA35）已被用來(lái)研究LiNbO3薄膜的光學(xué)性能的膜。LiNbO3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和相的純度沉積在藍(lán)寶石襯底上一直使用拉曼光譜研究在后向散射幾何一致的INNOVA氬離子激光偏振光源（λ=514.5nm的）和分析使用一個(gè)JobinYvon公司T64000光譜儀配備了電荷耦合設(shè)備。

3.結(jié)果與探討

3.1。c軸取向LiNbO3薄膜的X射線(xiàn)衍射（XRD）和拉曼光譜研究

C軸取向LiNbO3薄膜沉積厚度約0.6微米的外延匹配（001）使用的藍(lán)寶石基板上脈沖激光沉積技術(shù)。生長(zhǎng)LiNbO3薄膜被認(rèn)為是透明的，均勻且穩(wěn)固地粘附到基板上。

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圖1沉積在（001）藍(lán)寶石晶體上的(006)LiNbO3薄膜的XRD圖

圖1示出了沉積LiNbO3薄膜的XRD圖譜藍(lán)寶石水晶玻璃。兩個(gè)尖銳和猛烈的衍射峰對(duì)應(yīng)的（006）和（0012）面的鈮酸鋰，在2θ=39.18°和83.86°，分別觀(guān)測(cè)到（圖1），表示生長(zhǎng)的影響紋理LiNbO3薄膜具有晶粒沿優(yōu)選取向生長(zhǎng)方向與c軸藍(lán)寶石表面法線(xiàn)。X射線(xiàn)衍射峰（001）面的藍(lán)寶石水晶也觀(guān)測(cè)到在圖。1，在2θ=41.88°。的偏差中的地（006）衍射峰的鈮酸鋰薄膜，觀(guān)測(cè)到相應(yīng)的單晶值（38.94°），并主要與在淀積的薄膜中的應(yīng)變的存在。

生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜的角峰的位置（39.18°）稍微高于相應(yīng)的散值，這說(shuō)明淀積薄膜在一個(gè)均勻的狀態(tài)的應(yīng)力與壓縮組件平行于c軸。存在的尖銳和猛烈的XRD相對(duì)應(yīng)的（006）峰和（0012）面，顯示了重要的為成核作用的底層的晶格匹配藍(lán)寶石襯底鈮酸鋰的晶體沿優(yōu)選生長(zhǎng)（c-軸）的方向發(fā)展。晶格參數(shù)'C'的沉積LiNbO3薄膜膜計(jì)算所觀(guān)測(cè)到的（006）衍射峰，發(fā)現(xiàn)在1.37納米。將得到的值的晶格常數(shù)是略少比相應(yīng)的值（1.38nm）的鈮酸鋰晶體單結(jié)晶和相媲美的值（1.375nm）的觀(guān)測(cè)其他工人的鈮酸鋰晶體薄膜的[2]。所觀(guān)測(cè)到的較小值如生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜比較的晶格常數(shù)到相應(yīng)的單個(gè)晶體的值表示的單元電池沿c-軸，被壓縮的壓縮力作用在所淀積的薄膜的平面的。在壓力的估計(jì)值LiNbO3薄膜生長(zhǎng)在藍(lán)寶石水晶大約是4.1×1010dyne/cm2。類(lèi)似的結(jié)果（006）取向鈮酸鋰晶體的生長(zhǎng)壓力的薄膜的表面上外延匹配藍(lán)寶石基板已報(bào)告了其他工人[2,17-19]，并可能歸因于小的晶格失配之間的藍(lán)寶石單晶體和LiNbO3薄膜。

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圖2沉積在(001)藍(lán)寶石基體上的C軸取向的LiNbO3薄膜的室溫拉曼光譜

S對(duì)應(yīng)基板相關(guān)的聲子模式

圖2示出了室溫下的拉曼光譜的c軸取向的

鈮酸鋰薄膜沉積在（001）藍(lán)寶石水晶玻璃?！白V錄得的后向散射幾何Z（X+Y，X+Y），其中，Z是入射的方向的Z配置光沿著c軸垂直于膜表面，且X和Y的方向上沿a和b晶軸的平面中的偏振鈮酸鋰晶體薄膜。根據(jù)選擇規(guī)則4A（LO）+9根據(jù)本E（TO）允許在鈮酸鋰基頻配置。所有觀(guān)測(cè)到的聲子模的拉曼光譜（圖2）Z切鈮酸鋰單晶的模式是一致的

其他工人根據(jù)選擇規(guī)則[20,21]。貝爾納韋等。[21]說(shuō)明，聲子模式[E

“（1TO），E（8直接）和A1（4LO）]是十分敏感的化學(xué)計(jì)量和存在的在任何類(lèi)型的內(nèi)在缺陷沉積LiNbO3薄膜。在目前的狀況下，所有的聲子模式（13基波頻率）可以明白地看到，在生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜的拉曼光譜膜（圖2）。這些模式被認(rèn)為是尖銳，存在于位置報(bào)道了近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶，說(shuō)明增長(zhǎng)的質(zhì)感和（006）取向LiNbO3薄膜膜的藍(lán)寶石襯底上。c軸取LiNbO3薄膜的光學(xué)性質(zhì)的一直使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)研究。

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圖3沉積在(001)藍(lán)寶石晶體上的(006)LiNbO3薄膜的光學(xué)透射譜

圖3示出的光沉積在生長(zhǎng)的LiNbO3薄膜的透射光譜透明的（001）的藍(lán)寶石晶體作為波長(zhǎng)的函數(shù)?！巴干涔庾V顯示出高傳輸（N80％），在可見(jiàn)光區(qū)域和示出了尖銳的基本吸收邊在約285nm處。在場(chǎng)的定義的干擾條紋圖案，在的透射光譜（圖3）表示的生長(zhǎng)良好的光學(xué)質(zhì)量LiNbO3薄膜。情節(jié)廣場(chǎng)（αhν）與光子能量，（hν的）示于圖