8英寸铌酸锂晶体生长研究

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)在新一代信息技术中关键通信器件领域的作用日益显著,随着铌酸锂单晶薄膜制备技术和光子集成技术的发展,降低芯片成本、增加芯片集成度是光子集成芯片永恒不变的发展方向,因此迫切需求大尺寸铌酸锂晶体。本文讨论了大尺寸坩埚中熔体自然对流随着液面下降的变化规律,研究了8英寸(1英寸=2.54 cm)铌酸锂Z轴、X轴两个提拉方向的生长特点,获得等径尺寸大于φ210 mm×50 mm的8英寸Z轴、X轴铌酸锂晶体。1 mm厚X轴铌酸锂晶圆的透过率显示波长380～3 300 nm光谱的透过率超过了70%,晶片纹影图像显示晶体中存在折射率脉理缺陷。     

薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展

铌酸锂晶体具有高电光、压电和非线性光学系数,宽光学透明范围、兼容速度匹配、相位匹配和色散工程,长期稳定性以及可低成本制备光学级晶圆等众多优势,作为构筑如电光调制器、光学频率梳、光波导等光电子器件的重要平台,在信息通信领域的光产生、光传输、光调制等领域大放异彩,被誉为“光子领域的硅”,具有巨大的集成应用潜力,受到学术界和产业界的广泛关注。然而,由于铌酸锂的绝缘体和弱光学吸收特性,基于铌酸锂平台的集成应用领域还面临光电转换效率低和探测难的问题,全光通信中光解调和光提取需要高性能探测器的支撑,因此研发基于铌酸锂的光电探测器具有重大的科学意义和应用价值。本文从铌酸锂的基本结构特性出发,详细介绍了铌酸锂的优异物性和光电转化机理,综述了国内外学者近期的一些研究成果,重点阐述了基于铌酸锂晶体的光波导集成型光电探测器和异质结型光电探测器的研究进展,探讨并比较了不同路线的优点和发展潜力,并对该领域提出展望。     

铌酸锂单晶薄膜材料

铌酸锂晶体集电光、声光和非线性光学等物理特性于一身,且透光范围宽,作为一种重要的光学材料被广泛应用于通信、传感等领域.通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料,保留了铌酸锂体材料的优秀物理特性,并且具有高折射率对比度的优点,使光子器件在集成度和性能上都得到了很大程度的提升.本文介绍了铌酸锂薄膜的制备及应用...     

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。     

铌酸锂晶体的光折变效应

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种多功能多用途的人工晶体,被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速,有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度,使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称,是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控,重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果,概述了铌酸锂光折变波导和孤子,及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应,并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势,在光子学芯片的竞争中占据主导地位。     

适温离子交换掺铒铌酸锂薄膜的制备研究

本文通过制备KNO₃和Er(NO₃)₃熔融混合物,将其与铌酸锂薄膜在高温管式炉中混合进行适温热扩散,并结合退火工艺,发明了一种直接在铌酸锂薄膜上掺杂Er³⁺的方法。通过不断变换热扩散温度、掺杂试剂浓度比例和晶体切向等参数,用控制变量法探究了不同参数对适温离子交换法掺杂Er³⁺效果的影响,在热扩散和退火温度360℃及KNO₃和Er(NO₃)₃质量比25∶1的参数设置下获得了表面形貌较佳的Z切掺铒铌酸锂薄膜。通过飞行时间二次离子质谱仪并利用已知掺杂浓度的薄膜进行定标,检测了所获得的掺铒铌酸锂薄膜中的Er³⁺浓度情况,对所采用适温离子交换法的有效性进行了验证。这一方法大幅简化了铌酸锂薄膜掺杂的工艺,同时节约了成本,有助于后续在铌酸锂薄膜平台上实现分区掺杂的工作,为未来定制化铌酸锂光子集成平台的搭建提供参考。     

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.     

铌酸锂导电畴壁及其应用

铌酸锂(LiNbO₃,LN)是一种多功能的单轴铁电材料,广泛应用于光学调制器、光学频率梳、光波导等领域。导电畴壁(DW)作为镶嵌在绝缘材料中纳米尺度的导电通道,在非易失性存储器、逻辑门、晶体管等领域展现出重要的应用前景,促进了铌酸锂在纳米光电子学领域的应用。绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)畴壁p-n结的实现有望进一步促进铌酸锂基光电一体化芯片的发展进程。本文简要回顾了铌酸锂导电畴壁的研究进展,介绍了畴壁的制备、导电机制、导电类型和畴壁的应用,重点介绍了铌酸锂畴壁p-n结的研究,进一步结合应用热点概述了铌酸锂畴壁光电子器件开发进程中的关键问题、机遇和挑战。     

信息时代的铌酸锂晶体:进展与展望

铌酸锂晶体具有非线性效应、电光效应、声光效应、光折变效应、压电效应与热释电效应等多种物理特性,在表面声波器件、光电器件、声光器件等方面获得广泛的应用.经历了六十多年的发展,铌酸锂晶体历久弥新,随着材料特性的不断开发,新功能、新器件、新应用层出不穷,尤其是铌酸锂单晶薄膜在薄膜滤波器、集成光电器件等领域的性能具有明显优势,...     

椭圆偏振法研究B离子注入LiNbO_3光波导的光学特性

用椭圆偏振法研究了2.5 MeV B离子注入后的铌酸锂晶体,建立四层模型,对反射式椭圆偏振测量得出的数据进行反演拟合,得到了波导层厚度及0.3～0.8 μm波段波导层和损伤层的双折射色散曲线,发现低剂量B离子注入铌酸锂形成了折射率下降的位垒,在晶体表面下2.0 μm范围内得到了光波导结构.研究结果为以铌酸锂为基础的光波导器件研发提供了重要信息.     

高掺锌/镁铌酸锂薄膜的光电性质

室温下采用射频磁控溅射(RFMS)技术在玻璃与硅基板上分别沉积了纯铌酸锂LN薄膜、高掺锌(6%,摩尔分数,下同)LN∶ZnO薄膜和高掺镁(5%)LN∶MgO薄膜,并在575 ℃条件下退火进一步提高薄膜的结晶度。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见吸收(UV-Vis)和椭偏仪等测试研究了三种铌酸锂薄膜的形貌、结构和光学性质。XRD分析表明掺杂铌酸锂薄膜和纯铌酸锂薄膜具有相同的生长取向,AFM、XRD、UV-Vis测试结果表明,掺杂将增大铌酸锂薄膜的晶粒尺寸,光学带隙的红移现象与晶粒尺寸相关,且掺Mg的影响大于掺Zn。此外利用霍尔效应测试仪研究了LN、LN∶ZnO和LN∶MgO薄膜的电学性质,测试结果表明三种薄膜均为n型半导体,其中LN∶MgO薄膜电导率的变化趋势不同于LN∶ZnO和LN薄膜,且发现温度在18~50 ℃范围内,随着温度的升高,LN∶MgO薄膜的电导率变化微小,而LN∶ZnO和LN薄膜的电导率逐渐增大。     

铌酸锂晶体及其应用概述

铌酸锂晶体历史悠久,物理效应最为齐全,被用于制备声学滤波器、谐振器、延迟线、电光调制器、电光调Q开关、相位调制器等器件,在电子技术、光通信技术、激光技术等领域得到了广泛应用,并且在第五代无线通信技术、微纳光子学、集成光子学及量子光学等近期快速发展的领域中展示了重要的应用前景.本文简要综述了铌酸锂晶体的基本性质、晶体制备以及应用情况,对铌酸锂晶体未来的应用发展进行了简要分析.     

α轴向生长Nd∶MgO∶LiNbO3单晶光纤的包层及特性

通过镁离子内扩散方法，实现了沿α轴向生长的掺镁汝铌酸锂单晶光纤具有阶跃和抛物折射率分布的芯－包层波导结构。对包层晶纤的损耗进行了测量，测得其耗为１．８０ｄＢ／ｃｍ，即比包层前晶纤损耗降低了约６倍。对包层晶纤的传输模块进行了观察，得到了低次模模传输的好结果。     

铌酸锂晶体的生长研究

近年来,铌酸锂晶体由于其自身所具有的多种优异性能和巨大的应用前景而受到了人们的广泛关注,但生长出满足不同市场要求的高质量铌酸锂单晶体比较困难.本文从晶体生长技术的角度综述了铌酸锂单晶体不同的生长方法以及各自的特点,并分析了在生长铌酸锂晶体时出现的一些问题.     

铌酸锂基光伏微流体操控技术

光伏微流体操控技术利用非均匀光伏电荷场对流体目标的静电作用来实现非接触操控。近年来,基于铌酸锂的光伏微流体操控技术逐渐引起人们的关注,并有望成为铌酸锂基生物光子芯片微流体操控功能的关键支撑技术。与传统的全电微流体操控和光镊操控相比,铌酸锂基光伏微流体操控不需要外部电源供电,不需要复杂电极的制备,所需操控光强低,作用范围广,因此可以最大程度地避免外界对内部生物环境的污染和干扰。本文介绍了铌酸锂基光伏微流体操控的理论基础,系统阐述了铌酸锂基光伏微流体操控的近期研究进展。     

铌酸锂晶体最佳掺杂含量的理论计算

本文把一个从对电子薄膜材料研究中得到的最佳掺杂含量定量理论推广到铌酸锂晶体材料.该理论建立了电子薄膜材料的某一物理性能与晶体结构、制备方法和掺杂剂含量之间的联系,给出了一个能够拟合实验曲线的具有确定物理意义的抛物线方程.该方程的极值点确定了最佳掺杂含量与晶体结构和制备方法之间的定量关系,进而得到了一个掺杂最佳含量的表达式.系统地分析了铌酸锂晶体材料的掺杂改性的实验结果,应用掺杂最佳含量表达式定量计算了铌酸锂晶体材料的最佳掺杂含量,定量计算的结果与实验数据是比较接近的.该理论方法也适用于其他薄膜材料最佳掺杂含量的理论计算.     

大尺寸近化学计量比铌酸锂晶体的制备

研究了扩散法制备近化学计量比铌酸锂晶体的工艺,从原料配比、合成方式、晶片放置方式和扩散工艺等方面进行了工艺优化.对不同厚度和切割方向的铌酸锂晶体进行扩散处理,对三英寸Z-cut铌酸锂晶体进行了批量扩散试验,并对扩散后的晶体进行了组分和均匀性测试.结果表明,厚度为3.1 mm的Z-cut晶体组分达到近化学计量比,光学质量达到实用化要求,而XYZ=5.1 mm×5.1 mm×21.0 mm的晶体光学质量较差,同时厚度达1.8mm的Z-cut三英寸近化学计量比铌酸锂晶片可实现批量制备.     

晶体材料中的常青树——铌酸锂晶体

正从上世纪70年代开始,我国科研人员就开始了铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。南开大学是国内最早开展研究的单位之一,几十年来,围绕通讯、激光、国防等领域对高光学均匀性、高抗光损伤、高温度适用性光学级铌酸锂晶体的需求,将铌酸锂晶体的光学均匀性提高了近2个数量级,发明了掺镁铌酸锂晶体,将抗光损伤能力提高6个数量级以上,并实现了高光学质量近化学计量比铌酸锂晶体的实用化制备。     

铌酸锂衬底上磁控溅射ITO薄膜及其光电性质研究

在铌酸锂(LN)晶体衬底上磁控溅射铟锡氧化物(ITO)薄膜,研究了射频磁控溅射制备ITO/LN薄膜的最佳工艺.采用原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)分析了透明导电ITO膜的制备工艺参数对薄膜表面形貌和晶体结构的影响,同时应用四探针电阻率测量和紫外可见光谱测量技术对所研制的ITO/LN膜的光电性质进行了研究.结果表明,衬底温度为320℃,溅射时间50 min时制备的ITO/LN薄膜具有最佳光电性质,在该条件制备出薄膜的电阻率为3.41×10-4Ω·cm,ITO/LN平均可见光透光率可达74.38;,平均透光率比LN衬底提高了1.1;.应用该溅射条件制备了泰伯效应位相阵列器,其近场衍射成像的相对光强可达0.67.     

铌酸锂晶体的缺陷及其控制

针对铌酸锂晶体中的缺陷研究,本文总结了国内外学者提出的不同晶体缺陷模型及各自的特点,并介绍了我们提出的铌位依赖、锂位敏感模型.在分析晶体缺陷研究的基础上提出了对铌酸锂晶体进行缺陷控制的意义及理论依据,指出缺陷控制的主要任务是保护锂格位.本文还简要概括了铌酸锂晶体缺陷控制的主要手段,并建议从反映铌酸锂晶体性能的角度来研究缺陷结构.