晶体人生丨祝世宁:从天然结构到人工微结构

与天然或人工晶体结构类似,微结构材料是采用功能基元(即人工微结构,也可称为“人工原子”)加空间序构的方式构筑的新材料体系,它可以实现均匀材料所不具有的超常物性。从半导体超晶格开始,人工微结构经历了光学超晶格、光(声)子晶体、超构材料等的发展,性能调控范围也由原来的电性能扩展到光、声、热、磁、力等。近年来有关铌酸锂晶体及其人工微结构研究举世瞩目,以南京大学为代表的中国科研团队从铌酸锂晶体的畴结构调控开始,在该领域做出许多原创性工作,研究水平居国际前列。展望未来,发展铌酸锂集成光子学还面临三方面的挑战,包括LNOI器件的刻蚀技术、铌酸锂晶圆缺陷和大尺寸铌酸锂薄膜的制备。     

介电体超晶格

本文评述在介电体超晶格领域中的主要成果,特别是本实验室所做的工作。自1980年以来,我们将超晶格的概念从半导体推广到介电体,制备了周期和准周期介电体超晶格,实现了二次谐波产生、多波长二次谐波产生、三次谐波产生、光学双稳以及超高频超声波产生。 关键词：介电体超晶格; 非线性光学效应; 二次谐波产生; 光学双稳     

铌酸钾锂铁电薄膜的脉冲激光沉积与光学性能

以K2CO3、Li2CO3和Nb2O5为原料,采用固相反应法制备了铌酸钾锂陶瓷;以此为靶材,采用脉冲激光沉积技术在石英玻璃上沉积了铌酸钾锂薄膜,系统研究了沉积温度对铌酸钾锂薄膜组成与结构的影响.利用X射线衍射、拉曼光谱等测试手段对薄膜的结构进行表征,通过紫外一可见光分光光度计测试薄膜的光学透过率.结果表明:所制备的铌酸钾锂靶材结构致密;在衬底温度为700℃、氧分压10 Pa的条件下可以制备纯的铌酸钾锂薄膜,所得到的多晶薄膜呈(310)取向;光学性能测试显示所制备的铌酸钾锂薄膜在可见光范围内的光学透过率为90;左右.     

外加电场法制备周期极化铌酸锂的重要结构参数的数值分析

外加电场法制备周期极化铌酸锂工艺的众多结构参数对极化进程有潜在的影响.本文采用数值方法系统的分析了周期极化的重要结构参数的影响,这些参数包括绝缘层介电常数、绝缘层厚度、电极宽度、外加电压幅度和光栅周期.证明了对极化进程影响最为显著的是电极宽度、外加电压幅度和光栅周期,它们应该是设计极化结构时需要考虑的主要参数.相对的,绝缘层介电常数、绝缘层厚度对极化进程的影响在一定条件下可以忽略.本文由此推论了一种简洁合理的极化结构设计步骤.另外,本文得到了光栅周期与最优电极宽度的二次拟合公式,它为设计提供了依据,降低了复杂程度.     

周期极化的电极结构及相关工艺缺陷的电场分析

本文采用有限元方法分析外加电场法对铁电体进行周期极化时的电场分布,讨论尖端效应对极化的影响,比较两种不同的电极设计方案-梳形电极和框形电极的优劣.分析了多周期光栅同时极化时的电场分布,推断了大周期与小周期之间存在的竞争现象.本文最后对光刻造成周期电极的断条、毛刺工艺缺陷和液体电极方案的残留气泡缺陷进行了探讨.数值计算得出的结论比较圆满地解释了实验中的许多现象.     

低温超晶格YSZ/STO/YSZ电解质薄膜的制备及表征

采用脉冲激光沉积法(PLD),在Al2O3 (ALO)衬底上,将Y2O3∶ZrO2(YSZ)和SrTiO3 (STO)按照YSZ/STO/YSZ的顺序依次沉积,形成超晶格YSZ/STO/YSZ电解质薄膜,利用SEM、XRD和交流阻抗对其形貌、相结构和电学性能进行了表征.结果表明,衬底温度为700℃形成的超晶格YSZ/STO/YSZ电解质薄膜颗粒大且均匀,排列紧密且呈规律圆柱状;YSZ、STO均沿(111)方向择优生长;低温时电导率比单层YSZ电解质薄膜高出4个数量级,是较为理想的低温固体燃料电池电解质.     

晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。