專利名稱：利用覆蓋鐵電薄膜增強α－Al的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于物理領域，涉及一種增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，具體地說是一種采用脈沖激光沉積(PLD)技術，利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法。
背景技術：
金屬Cr3+常作為發(fā)光中心摻到α-Al2O3、AlN、BeAl2O4等晶體材料中，用于制備各種發(fā)光材料。受主晶體較強的立方晶體場影響，使Cr3+的五個3d軌道重新分裂組合成Eg和T2g兩個分立能級，電子在兩個能級之間躍遷產生光吸收和發(fā)射。這樣的發(fā)光材料已經廣泛地用于各種激光器件的制備，比如紅寶石激光器。在立方晶體場的作用下Cr3+的3d軌道重新組合而成的4T1g，4T2g，2Eg，和4A2g軌道，它們都具有偶宇稱。根據(jù)選擇定則它們之間躍遷是禁戒的。在正常的晶體材料中依靠較弱的三角場耦合部分高能級的奇宇稱態(tài)到4T1g，4T2g，2Eg，和4A2g軌道中，破壞選擇定則，從而產生光發(fā)射。但是，這種情況下的發(fā)光效果差，不能滿足人們對各種激光器件越來越高的要求。如果能發(fā)明出具有更高發(fā)光效率的Cr3+摻雜晶體則對研制高效率的激光器具有重要意義。研究表明，只要進一步改變晶體場的對稱性，耦合更多的奇宇稱態(tài)，從而就可以大大增強這種發(fā)光材料的發(fā)光效率。
1971年Morgenshtern等人發(fā)現(xiàn)在(0-200)kV/cm的外電場作用下可以增強紅寶石的光致發(fā)光，并確定了這樣的增強不是來源于載流子的注入而是外電場對晶體三角場的改變。但是人為施加的最強外電場僅可以產生30％-40％的發(fā)光增強，而且設備復雜，無法實際應用。而本發(fā)明利用鐵電薄膜可以產生穩(wěn)定、長期存在的界面電場，保持持久的發(fā)光增強。
另一方面LiNbO3(LN)和LiTaO3(LT)本身都是很好的非線性光學材料，具有獨特的光波導、光調制特性，是光電集成的首選材料。但是由于其不同時具有光發(fā)射的特性，限制了其在集成光學中的應用。LN和LT薄膜與發(fā)光材料的結合更可使器件集成光發(fā)射的特性，在制造光電集成器件中具有廣闊的應用前景。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，采用脈沖激光沉積(PLD)技術制備a-Al2O3/LN(LT)/α-Al2O3三明治結構，利用其鐵電性產生～105-106V/cm的界面電場，改變α-Al2O3中Cr3+的晶體場對稱性，增加其電子躍遷幾率，從而提高發(fā)光效率。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiNbO3的三明治結構，包括如下步驟1)在α-Al2O3襯底上用脈沖激光沉積生長LiNbO3薄膜；A)選用LiNbO3的單晶作為靶材；B)α-Al2O3襯底溫度大于500℃，襯底和靶的距離為3～6厘米；本發(fā)明中，為保證生成的LiNbO3薄膜質量，襯底溫度可以是700℃，襯底和靶的距離為4～5厘米；C)將本底抽真空到氣壓在5Pa以下，然后通入氧氣，氣壓為50～100Pa；D)選用激光器的能量大于200mJ；E)生長時間為20～40分鐘，生長出的薄膜厚度在200～400nm；本發(fā)明中，生長時間可以是30分鐘，生長出的薄膜厚度在300nm；2)利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積a-Al2O3薄膜；取下LiNbO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；F)沉積時間為8～12分鐘，生成厚度為80～120nm的a-Al2O3薄膜，得到a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體；本發(fā)明中，為滿足使用要求，沉積時間為10分鐘，可以生成厚度為100nm的a-Al2O3薄膜；3)將步驟F)生成的a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化，為使高溫退火效果最好，退火溫度可為1000℃，退火時間為30分鐘。
本發(fā)明中，還可以采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiTaO3的三明治結構，在步驟A)中選用LiTaO3的單晶作為靶材；步驟2)中利用脈沖激光在LiTaO3薄膜上沉積a-Al2O3薄膜；取下LiTaO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；步驟F)中得到a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3的三明治結構體；步驟3)中將步驟F)生成的a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
本發(fā)明在步驟2)中，還可以利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積a-SiO2薄膜；只要將用Al靶改為用Si靶；重復以上步驟B)、C)、D)；步驟F)中，沉積時間為8～12分鐘，生成厚度為80～120nm的a-SiO2薄膜，得到a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體；在步驟3)中，將生成的a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
本發(fā)明利用PLD在α-Al2O3襯底上沉積一層LN或LT薄膜。因為剛沉積好的薄膜處于多疇多晶狀態(tài)，在空間群上與順電相一致，不具備宏觀的鐵電性，所以首先需要將LN或LT薄膜單疇化，而常規(guī)的電場單疇化方法不適用于薄膜。Nakamura和Cho等人報道了在居里溫度附近退火可以在LN和LT晶體表面誘導生成微米量級的單疇化薄膜。研究表明可以將其原理應用到薄膜材料中，采用包封退火的技術單疇化了LN或LT薄膜，取得了滿意的結果。
在LN或LT薄膜上再沉積一層a-Al2O3覆蓋層以防止LN或LT薄膜在高溫退火時分解。LN或LT薄膜被包封在α-Al2O3和a-Al2O3覆蓋層中間，形成三明治結構。然后把形成的三明治結構體在氧氣中1000℃附近(接近LN或LT的居里點)進行高溫退火。由于α-Al2O3非常致密，而覆蓋的a-Al2O3薄膜則較為疏松，在LN或LT靠近a-Al2O3的表層形成帶負電荷Li空位。這樣在LN或LT薄膜中就形成垂直于表面的空間電荷場，誘導LN或LT薄膜單疇化和c取向化。LN薄膜在退火過程中形成了自發(fā)極化Ps。
在形成Ps的過程中，LN或LT薄膜的上下極化面出現(xiàn)極化電荷。由于α-Al2O3是電介質，極化電荷在α-Al2O3中產生很強的極化電場(約105-106V/cm)。這樣的界面電場比人為施加的最大外電場大～10倍，所以發(fā)光效果大大增強。本發(fā)明設備簡單、操作容易，可以在α-Al2O3中形成很強的無源電場，使晶格產生畸變，大大增強Cr3+中心的發(fā)光效率，在制造高效的紅寶石激光器時，大大減小了激光器的體積，減少了寶石用量，節(jié)約了制造成本。
四

圖1是a-Al2O3/LN/α-Al2O3結構在1000℃氧氣中退火后(a)和退火前(b)的XRD譜。
圖2是覆蓋LN和LT薄膜和未覆蓋的α-Al2O3樣品的光致發(fā)光譜(PL)。
圖3是a-SiO2/LT/α-Al2O3在退火前退火后在光致發(fā)光(PL)變化。
圖4是樣品結構原理示意圖。
五具體實施例方式
實施例1一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiNbO3的三明治結構，包括如下步驟1)在α-Al2O3襯底上利用脈沖激光沉積一層致密的接近化學劑量比的LiNbO3薄膜；A)沉積時可以選用LiNbO3的單晶作為靶材；不需要用燒制的富Li陶瓷靶，簡化了制靶工藝。
B)LiNbO3生長需要較高的襯底溫度，低于500℃只能生長出非晶的薄膜，α-Al2O3襯底溫度應大于500℃，溫度越高則結晶越好，但是同時會增加薄膜中Li離子的揮發(fā)，因而襯底溫度可以是700℃。襯底和靶的距離為3～6厘米，太大的距離會導致羽輝不能到達襯底，為保證生成的LiNbO3薄膜質量，襯底和靶的距離為4厘米。
C)LiNbO3的生長對本底真空要求不高，只需要使用機械泵將本底抽真空到氣壓在2Pa，由于生長氧化物薄膜，在生長過程中通入氧氣。氣壓的選擇特別重要，過低的氣壓會導致薄膜中Li的缺失，生成富Nb相，所以通常采用50～100Pa較高的生長氣壓，這樣會產生明顯的“束輝效應”，抑制散射角較大的Li離子的缺失，本實施例采用氣壓為80Pa。
D)由于薄膜在較高的氣壓下生長，要求有較高的激光能量，否則離子無法到達襯底，激光器的能量一般要在200mJ以上，本實施例采用選用激光器的能量為250mJ。
E)生長時間是30分鐘，生長出的薄膜厚度在300nm；根據(jù)需要可以適當調整。
2)利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積α-Al2O3薄膜；取下LiNbO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；F)沉積時間為10分鐘，生成厚度為100nm的a-Al2O3薄膜，得到a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體。
3)將步驟F)生成的a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為1000℃，退火時間為30分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
圖1是本實施例中a-Al2O3/LN/α-Al2O3結構在1000℃氧氣中退火后(a)和退火前(b)的XRD譜?？梢钥闯?，退火過程能強烈的誘導LiNbO3薄膜的c取向，顯示了空間電荷場的作用。
實施例2一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiTaO3的三明治結構，包括如下步驟1)在α-Al2O3襯底上利用脈沖激光沉積一層致密的接近化學劑量比的LiTaO3薄膜；A)沉積時可以選用LiTaO3的單晶作為靶材；B)襯底溫度是700℃。襯底和靶的距離為4厘米；C)使用機械泵將本底抽真空到氣壓在2Pa，在生長過程中通入氧氣，氣壓為80Pa。
D)選用激光器的能量為250mJ。
E)生長時間是30分鐘，生長出的薄膜厚度在300nm；根據(jù)需要可以適當調整。
3)利用脈沖激光在LiTaO3薄膜上沉積a-Al2O3薄膜；取下LiTaO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；F)沉積時間為10分鐘，生成厚度為100nm的a-Al2O3薄膜，得到a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3的三明治結構體。
3)將步驟F)生成的a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為1000℃，退火時間為30分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
圖2是覆蓋LN和LT薄膜和未覆蓋的α-Al2O3樣品的光致發(fā)光譜(PL)。覆蓋LN和LT的α-Al2O3分別顯示14和9倍的發(fā)光增強。插圖顯示發(fā)光強度隨激發(fā)時間略有下降。由圖可知，覆蓋LN和LT薄膜后，發(fā)光強度大大增加。
實施例3]一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，采用脈沖激光沉積技術生成a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體，包括如下步驟1)在α-Al2O3襯底上利用脈沖激光沉積一層致密的接近化學劑量比的LiNbO3薄膜；A)沉積時可以選用LiNbO3的單晶作為靶材；B)襯底溫度是700℃。襯底和靶的距離為4厘米；C)使用機械泵將本底抽真空到氣壓在2Pa，在生長過程中通入氧氣，氣壓為80Pa。
D)選用激光器的能量為250mJ。
E)生長時間是30分鐘，生長出的薄膜厚度在300nm；根據(jù)需要可以適當調整。
2)利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積α-SiO2薄膜；取下LiNbO3的單晶靶材，換用Si靶；重復以上步驟B)、C)、D)；F)沉積時間為10分鐘，生成厚度為100nm的α-SiO2薄膜，得到a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體。
3)將步驟F)生成的a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為1000℃，退火時間為30分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
圖3是a-SiO2/LT/α-Al2O3在退火前退火后在光致發(fā)光(PL)變化?？梢园l(fā)現(xiàn)退火后能明顯增強α-Al2O3中Cr3+的發(fā)光強度。
圖4是樣品結構原理示意圖，從圖中可以得知，經過1000℃氧氣中退火以后，LN(LT)鐵電層在自建空間電荷場作用下形成自發(fā)極化Ps。根據(jù)靜電場中的高斯定理，誘導了α-Al2O3的受迫極化Pf。因而可以在α-Al2O3中形成很強的無源電場，使晶格產生畸變，大大增強Cr3+中心的發(fā)光效率。
權利要求
1.一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiNbO3的三明治結構，包括如下步驟1)在α-Al2O3襯底上用脈沖激光沉積生長LiNbO3薄膜；A)選用LiNbO3的單晶作為靶材；B)α-Al2O3襯底溫度大于500℃，襯底和靶的距離為3～6厘米；C)將本底抽真空到氣壓在5Pa以下，然后通入氧氣，氣壓為50～100Pa；D)選用激光器的能量大于200mJ；E)生長時間為20～40分鐘，生長出的薄膜厚度在200～400nm；2)利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積a-Al2O3薄膜；取下LiNbO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；F)沉積時間為8～12分鐘，生成厚度為80～120nm的a-Al2O3薄膜，得到a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體；3)將步驟F)生成的a-Al2O3/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是采用脈沖激光沉積技術在α-Al2O3上生長LiTaO3的三明治結構，在步驟A)中選用LiTaO3的單晶作為靶材；步驟2)中利用脈沖激光在LiTaO3薄膜上沉積α-Al2O3薄膜；取下LiTaO3的單晶靶材，換用Al靶；重復以上步驟B)、C)、D)；步驟F)中得到a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3的三明治結構體；步驟3)中將步驟F)生成的a-Al2O3/LiTaO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是步驟2)中，利用脈沖激光在LiNbO3薄膜上沉積a-SiO2薄膜；取下LiNbO3的單晶靶材，換用Si靶；重復以上步驟B)、C)、D)；在步驟F)中，沉積時間為8～12分鐘，生成厚度為80～120nm的a-SiO2薄膜，得到a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3的三明治結構體；將步驟F)生成的a-SiO2/LiNbO3/α-Al2O3三明治結構體放入氧氣環(huán)境中，進行高溫退火，退火溫度為800～1200℃，退火時間為20～40分鐘；得到鐵電薄膜的c取向和單疇化。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是步驟B)中，襯底溫度為700℃，襯底和靶的距離為4～5厘米。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是步驟E)中，生長時間為30分鐘，生長出的薄膜厚度在300nm。
6.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是步驟F)中，沉積時間為10分鐘，生成厚度為100nm的a-Al2O3薄膜。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用覆蓋鐵電薄膜增強α-Al2O3中Cr3+發(fā)光效率的方法，其特征是步驟3)中，退火溫度為1000℃，退火時間為30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用覆蓋鐵電薄膜增強α－Al
文檔編號H01S5/30GK1584105SQ20041004483
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月2日 優(yōu)先權日2004年6月2日
發(fā)明者吳興龍, 楊曦 申請人:南京大學