富硅氧化硅和ZnO掺Er薄膜的制备及光学特性

论文摘要

由于Er3+在1.54μm波段的发光是由4f壳层中电子的4I13/2→4I15/2跃迁产生的,对应着石英光纤的最小吸收窗口,因此在光通讯领域得到了广泛的应用。随着光纤通信和集成光电子学的发展,人们越来越多的关注掺Er光波导放大器（EDWA）的研究,EDWA在通讯领域的潜在应用前景对薄膜材料的研究提出了新的挑战。 本硕士论文在国家自然科学基金（项目编号:50240420656）资助下完成的,论文中分别采用离子束辅助沉积（IBAD）和磁控溅射（MS）两种薄膜制备方法进行了掺Er材料的研究工作。实验内容分为三个部分,第一部分采用离子束辅助沉积的方法制备了掺Er-SiOx薄膜。第二部分采用反应射频磁控溅射方法制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜。第三部分采用反应脉冲磁控溅射方法制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜。通过对薄膜形貌、组织结构、化学成分、光学特性以及光致荧光的检测分析及对比,探讨了不同沉积方法,不同基质材料薄膜中Er3+离子1.54μm光致荧光特性。论文中主要研究结果如下: 1.离子束辅助沉积制备掺Er-SiOx薄膜的膜厚在微米量级;退火后薄膜中的O含量升高;结构分析结果表明;掺Er-SiOx薄膜是无定形态,800℃退火后形成了纳米尺度的多晶硅薄膜,1100℃退火后薄膜的晶粒明显长大;光致荧光结果表明:未经退火的掺Er-SiOx薄膜没有测到光致荧光,发光强度随退火温度的升高而增强,1100℃时强度达到最大。 2.反应射频磁控溅射法制备的Er/Yb共掺ZnO薄膜,沉积温度到500℃时,薄膜具有最高的择优取向性,在不同的退火阶段,薄膜结构变化明显:低于800℃退火是ZnO晶粒逐渐长大的阶段,900℃退火薄膜中出现了Er3+、Yb3+偏析,高于1100℃退火薄膜与基底发生界面反应;退火后薄膜中O含量增加;未退火及800℃退火后Er/Yb共掺ZnO薄膜没有观测到近红外光致荧光,高于900℃退火薄膜在1540nm附近具有明显的光致荧光,1050℃退火时光致荧光达到最大值;光谱呈现典型的晶体基质中Er3+离子荧光光谱所具有的明锐多峰结构特征;另外观察了Er/Yb共掺ZnO薄膜近紫外和可见光波段的光致荧光光谱。 3.同射频磁控溅射沉积Er/Yb共掺ZnO薄膜的XRD谱对比,脉冲磁控溅射沉积薄膜出现的稀土氧化物析出量小,发生界面反应的退火温度较高;薄膜的晶粒尺寸和薄膜应力都偏小;在1050℃退火获得了更强的光致荧光,并且在1537nm形成一个连续的发光带;实验证明:在Er/Yb共掺ZnO薄膜中,过高的Er、Yb掺杂浓度不利于获得Er3+离子高效的发光。

论文目录

• 1.绪论
• 1.1 EDWA的研究背景
• 3+的精细结构及光谱理论'>1.2 Er³⁺的精细结构及光谱理论
• 1.3 Yb共掺的作用
• 1.4 掺Er薄膜材料的研究和发展现状
• 1.4.1 掺Er硅基薄膜的研究现状
• 1.4.2 掺Er化合物薄膜的研究现状
• 1.5 本论文工作的主要目的和研究重点
• 参考文献
• 2 薄膜的制备及分析方法
• 2.1 本论文中薄膜制备的方法
• 2.1.1 离子束辅助沉积技术
• 2.1.2 磁控溅射沉积技术
• 2.2 薄膜质量的研究方法
• 2.2.1 透射电镜分析（TEM）
• 2.2.2 X射线衍射（XRD）
• 2.2.3 扫描电镜分析（SEM）
• 2.2.4 透射谱的分析方法
• 2.2.5 薄膜光致荧光的测量
• 参考文献
• x薄膜'>3 离子束辅助沉积（IBAD）法制备掺Er-SiO_x薄膜
• x薄膜的制备'>3.1 掺Er-SiO_x薄膜的制备
• 3.1.1 衬底的选择及清洗
• 3.1.2 靶的制备
• 3.1.3 实验操作过程及参数控制
• 3.1.4 基片的加热方式和退火工艺
• x薄膜的表征'>3.2 掺Er-SiO_x薄膜的表征
• 3.2.1 薄膜厚度分析
• 3.2.2 薄膜成分分析
• 3.2.3 薄膜结构分析
• 3.2.4 薄膜的红外光致荧光
• 3.3 本章结论
• 参考文献
• 4 射频磁控溅射沉积Er／Yb共掺ZnO薄膜
• 4.1 Er／Yb共掺ZnO薄膜的制备
• 4.1.1 衬底的选择和清洗
• 4.1.2 实验操作过程及参数控制
• 4.1.3 退火处理
• 4.2 沉积温度对Er／Yb共掺ZnO薄膜的影响
• 4.2.1 成分分析
• 4.2.2 XRD结构分析
• 4.2.3 薄膜厚度及光学特性分析
• 4.3 退火温度对Er／Yb共掺ZnO薄膜的影响
• 4.3.1 成分分析：
• 4.3.2 XRD结构分析
• 4.3.3 透射谱分析
• 4.4 光致荧光特性分析
• 4.4.1 红外PL发光的测量
• 4.4.2 紫外PL发光的测量
• 4.5 本章结论
• 参考文献
• 5 脉冲磁控溅射制备Er／Yb共掺ZnO薄膜
• 5.1 Er／Yb共掺ZnO薄膜的制备
• 5.2 Er／Yb共掺ZnO薄膜的表征
• 5.2.1 XRD结构特征
• 5.2.2 薄膜厚度及光学参数分析
• 5.3 Er／Yb共掺ZnO薄膜光致荧光特性
• 5.4 本章结论
• 参考文献
• 6 结论与展望
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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