氮化硅薄膜的三阶非线性光学性质研究

论文摘要

低维非线性材料,尤其是CMOS工艺兼容材料,在光电器件和全光器件的集成化和小型化方面具有非常重要的应用。氮化硅作为一种重要的CMOS工艺兼容材料,其薄膜原子成分及结构的改变能显著影响其三阶非线性响应,近些年成为该领域研究热点之一。传统制备氮化硅薄膜的方法有很多种。通常使用化学气相沉积（CVD）来制备,但CVD在制备氮化硅薄膜中,存在一些不可避免的缺点。例如,生长温度通常较高,这给CMOS工艺兼容材料在光电器件和全光器件中的应用带来了挑战;氢元素含量明显增加,导致SiN薄膜存在非本征性,从而影响其非线性光学不稳定性。物理气相沉积被证实是克服化学气相沉积（CVD）所存在问题的一种可行的方法。比如使用Si3N4陶瓷靶材的射频（RF）磁控溅射,但是通过RF磁控溅射制备的氮化硅薄膜的三阶非线性光学性质却很少被研究。在本文中我们报道了使用RF磁控溅射方法制备的SiN薄膜的三阶非线性光学性质,并在氩气和氧气氛围下进行退火处理。使用Z扫描方法在近红外波长1064 nm下测出了SiN薄膜的非线性折射率n2和吸收系数β,在室温制备的SiN的n2比通过CVD方法制备的SiN薄膜的n2大三个数量级。另外在退火薄膜中,通过进一步增强的n2和相对变化的β,获得了三阶非线性磁化率χ（3）的实部和虚部,并且|Reχ（3）|/|Imχ（3）|的值明显增强。另外,我们在特定设计的亚波长共振波导光栅中通过数值模拟研究,实现了约为300MW/cm2的低阈值光学双稳态。主要工作如下:1.首先,我们介绍了氮化硅材料的研究背景和现状,以及非线性光学的研究背景及应用前景,对实验过程中所用到Z扫描技术进行了介绍,并给出了三阶非线性折射率及饱和吸收系数的理论计算公式。2.我们对常见的制备氮化硅薄膜的方法进行了简单介绍,通过比较我们最终采用磁控溅射方法来制备SiN薄膜,并且给出了溅射参数。其次,通过对靶材的EDS表征分析,证明了靶材的Si/N元素比率与理论值3/4是相符的。最后,把常温下制备的氮化硅薄膜在惰性气体氩气（Ar）中进行退火处理,退火温度分别为低温200度、高温600度。通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）以及光学线性透过率等表征方法对退火后的SiN薄膜的结构变化进行一系列分析,通过傅里叶变换红外（FITR）、荧光发光光谱（PL）、X射线光电子能谱分析（XPS）等表征方法对SiN薄膜的元素构成进行了一系列分析,并对不同温度下的氮化硅薄膜三阶非线性系数和饱和吸收系数的变化情况进行讨论。3.我们除了把常温下制备的SiN在氩气气氛下进行退火之外,还在氧气氛围下进行了退火处理,得到了含氧的氮化硅薄膜。退火温度分别为低温200度及高温600度。通过AFM以及光学线性透过率等方法,证实了退火后样品外貌形态所发生的变化,并通过EDS方法对其进行元素分析,发现退火后样品的含氧元素比率有所升高。同时,还讨论了通过在氧气氛围下退火的氮化硅薄膜三阶非线性系数的变化。4.我们针对在氩气氛围下退火的样品,设定了一种亚波长共振结构,用Comsol软件数值模拟,实现了较低阈值的光学双稳态。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁保勇

导师: 宁廷银

关键词: 氮化硅,三阶非线性响应,磁控溅射,光学双稳态

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 山东师范大学

分类号: TN304.055;O437

总页数: 50

文件大小: 3174K

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