氧化物晶体与薄膜最新研究进展

在工业发展的进程中,氧化物材料在电子学领域中应用最为广泛.到目前为止,即使是对于氧化物晶体材料,从纳米科技角度来说,研究的趋势是降低尺寸直到很小的尺度.近年来,氧化物的研究目标也发生了显著的变化.本文介绍了作者课题组的与氧化物晶体及薄膜有关的三个研究方向.     

Evaluation of Optical Properties of Self-Frequency-Doubling Crystal Yb：GdYAl3（BO3）4 for Laser Applications

Yb：GdYAl3 （B03）4 （Yb：GdYAB） is investigated as a new laser crystal for potential applications in self-frequency doubling. The emission and absorption properties of Yb：GdYAB crystal are studied, and the emission decay times of the upper laser level are measured. The emission cross sections are evaluated using the absorption cross section and principle of reciprocity. The other laser performance parameters, such as the minimum inversion fraction βmin, pump saturation intensity Isat and minimum pump intensity 1rain, are also calculated. The results are discussed in the framework of requirements for an effective diode-pumped Yb^3＋ laser system. Yb：GdYAB is expected to exhibit the most useful laser properties and to be superior to Yb：YAB crystal that has been excellent self-frequency-doubling crystal at present in many key spectroscopic parameter values.     

单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,对单晶金刚石(100)晶面边缘进行精细切割抛光处理,形成偏离(100)晶面不同角度的倾斜面,在CH_4/H_2反应气体中进行同质外延生长,研究单晶金刚石边缘不同角度倾斜面对边缘金刚石外延生长的影响.实验结果表明,边缘倾斜面角度对边缘的单晶外延生长质量有影响,随着单晶金刚石边缘倾斜面角度的增大,边缘多晶金刚石数量先减少后增多,在倾斜角3.8°时边缘呈现完整的单晶外延生长特性.分析认为,边缘不同角度的倾斜面会改变周围电场强度和等离子体密度,导致到达衬底表面的含碳前驱物发生改变,倾斜面台阶表面的含碳前驱物浓度低于能形成层状台阶生长的临界浓度是减弱单晶金刚石生长过程中边缘效应的主要原因.     

单晶金刚石侧向扩大生长中基团分布的调控

采用微波等离子体化学气相沉积法,在半开放式样品台上通过调整种晶在样品台中的凸出高度(Δh)实现了对微波等离子体中基团分布的调控,并进行了单晶金刚石的侧向外延扩大生长研究.将发射光谱与金刚石样品的傅里叶变换红外光谱、Raman光谱、白光干涉测试结果及光学形貌表征结果结合起来,分析了种晶在样品台中的凸出高度对侧向外延生长单晶金刚石的影响.结果 表明:随着凸出高度增大,等离子体中的C2(516.08 nm)基团在中心区域(-2～2 mm)的相对浓度增加,当凸出高度为0.6 mm时,中心区域碳源基团的浓度相对较高,导致该区域的纵向生长速率略高于周围区域的纵向生长速率,有利于生长面自主形成偏离(100)晶面一定角度的倾斜结构,进而侧向扩大生长出无多晶金刚石外圈且红外光学透过性能优异的单晶金刚石.顶部生长面自主形成一定角度的倾斜结构,是实现单晶金刚石侧向外延扩大生长的关键.继续增大凸出高度至0.8 mm,就会导致中心区域C2(516.08 nm)基团的相对浓度过高,形成金字塔丘状体,反而不利于高质量单晶金刚石的外延生长.     

大尺寸Yb:YAl3(BO3)4晶体的生长及其自倍频激光性能研究

利用助熔剂法生长了高质量、大尺寸的Yb：YAl3（BO3）4晶体，讨论了晶体生长过程中各种工艺参数对晶体生长的影响；研究了晶体的自倍频绿光输出、自倍频黄光输出、锁模激光输出。     

ZrO2对Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3激光陶瓷致密化和光学性能的影响

2 μm 波段处于人眼安全波长,在医疗、加工、红外探测与对抗,以及大气环境监测等军、民两用领域有着重要潜在和实际应用。Ho³⁺掺杂倍半氧化物陶瓷具有宽的吸收和发射光谱、高热导率以及低声子能量等优点,是一类重要的 2 μm 波段激光材料。通过材料固溶原理,可以实现光谱更加宽化,这使其有可能成为一类性能优异的中红外固体激光材料。本文以商业Y₂O₃、Sc₂O₃以及Ho₂O₃粉体为原料,添加少量ZrO₂(原子比为0~1.0%)作为烧结助剂,采用真空预烧,结合热等静压烧结的工艺,成功制备出高透明的0.5%Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷。研究了ZrO₂掺杂浓度(0~1.0％)对Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃激光陶瓷致密化过程和光学性能的影响。通过添加ZrO₂有效抑制了高温下Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷晶粒的生长,掺杂1.0％ZrO₂的Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷经1 690 ℃下真空预烧结4 h和1 600 ℃/190 MPa热等静压烧结3 h后,其透过率在1 100 nm处达到79.1％(厚度为4.4 mm),接近理论透过率。     

共掺调剂离子Na+/Gd3+调控Eu∶ CaF2晶体的发光特性研究

采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6at; Eu∶ CaF2晶体和共掺0.6at; Eu,6.4at; Na∶ CaF2,0.6at; Eu,6.4at; Gd∶CaF2晶体.XRD测试表明晶体仍均表现为纯CaF2的立方相,共掺后吸收强度降低.以398 nm氙灯激发晶体材料,荧光光谱表明共掺调剂离子后可明显增加Eu2在424 nm处的发光强度,而Eu3的特征发射5 D0→7FJ(J=1,2,3,4)除了表现出半峰宽变大外,峰位和强度均无明显变化.0.6at; Eu,6.4at; Gd∶ CaF2表现出Eu3+的5 D2→7F3和5 D0→7F0特征发射峰,主要可能归因于共掺Gd3+后打破了非反演对称结构,R值(电、磁偶极跃迁比值)明显降低,提高了晶体格位结构的对称性.共掺Na+后在CIE色域坐标图上显示坐标由(0.303 7,0.142 5)可变为(0.204 3,0.062 6),对应从紫色到蓝色的色域调控.     

La∶BiFeO3/Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3纳米复合薄膜的铁电特性

采用脉冲激光沉积技术(pulsed laser deposition,PLD),在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备了La0.1Bi0.9FeO3(BFO),Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3(BNKT)和BFO/BNKT纳米复合薄膜.结果表明,复合薄膜的铁电特性比单层的BFO、BNKT薄膜有所增强.利用压电力显微镜(piezoresponse force microscopy,PFM)观察到了铁电畴.由于畴结构内部矫顽力分布不均匀,导致极化反转随时间改变,疲劳测试结果也证实了该结论.随着转换周期的增加,极化随之增强.运用PFM测量了纳米级的压电响应,同样证实了BFO/BNKT复合薄膜中的畴反转现象.