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局域高掺铒铌酸锂晶体的制备及特性表征

作　者: 谌贝
导　师: 张德龙
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 铌酸锂气相输运平衡铒扩散菲克定律数值仿真
分类号: O482.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

掺铒铌酸锂晶体（Er:LiNbO₃,Er:LN）具有优秀的电光性、声光性、和非线性光学等性质,而且有Er离子所具有的光学特性,是适于制备有源光波导器件的基底材料。但是用常规方法制备的Er:LiNbO₃中,Er的溶解度是有限的,限制了相关器件的发展。本论文率先报道了利用在同成分LiNbO₃晶体上同时进行缺锂气相输运平衡（VTE）处理和局域Er金属扩散的方法来制备具有较高Er离子浓度的Er:LiNbO₃晶体。本论文主要有以下工作:1.在使用缺锂VTE的方法对一系列Z-切MgO（5 mol%）:LN晶体进行处理后,研究了MgO:LN晶体中Li组分下降后OH-红外区吸收峰值变化过程,并总结出3481 cm-1附近的OH-吸收峰是直接生成的,并不是3535 cm-1附近的OH-吸收峰发生移动而得到的。2.使用四枚Z-切和四枚X-切同成分样品（Li2O组分约为48.5 mol%）作为初始材料。利用磁控溅射技术,在样品表面溅射Er金属后,分别进行1030℃/240 h、1050℃/180 h、1070℃/180 h和1100℃/180 h的缺锂VTE处理,同时进行Er金属的扩散。此后利用双折射方法得到样品的Li2O组分,该组分处在（48.0-48.2）±0.1mol%范围中。使用二次离子质谱技术测定得出所有样品中Er离子随深度方向上的浓度变化,发现Er离子的深度分布符合余补误差函数。利用扩散深度,计算得到每枚样品的扩散系数。结合Arrhenius定律,得到X/Z-切样品的扩散常数和激活能分别为:（1.2±0.2）×107 / （2.2±0.3）×104 m2/h,2.32±0.08 / 1.51±0.08 eV。处理温度分别为1030,1050,1070,1100℃时,基于质量守恒定律,X-/Z-切样品的Er溶解度近似于（1.42±0.24） / （1.14±0.15）,（2.18±0.27） / （2.01±0.19）,（2.62±0.26） / （2.68±0.19）,（2.54±0.20） / （2.30±0.16）×1020离子/cm3。相比于未利用缺锂VTE处理的样品,在固定扩散温度时,利用缺锂VTE处理过的样品中Er溶解度有明显地提高。3.为了能够获得参数选择、实验结果预测、结果验证方面的参考,通过数值分析的方法,对LN晶体中发生的Li2O组分变化和Er离子扩散过程进行模拟研究,参考有关资料对Er扩散的过程给出推理。根据Fick定律,采用有限差分方法对扩散方程和边界条件进行处理,建立了普遍合理的缺锂VTE模型和Er离子扩散模型。在此之后,以Er离子扩散模型为基础,讨论了Er金属全部转化为扩散池的时刻和扩散池扩散完全的时刻,并计算了0-100 nm厚的Er金属完全扩散结束的时间曲线和拟合公式,以及0-1000 h的Er离子扩散所能够达到的1/e深度分布曲线和拟合公式。所以,在本论文中,率先使用缺锂VTE的方法研究了MgO:LN晶体中Li组分下降后OH-红外区吸收峰值变化过程;率先利用在同成分LiNbO₃晶体上同时进行缺锂VTE处理和局域Er金属扩散的方法制备出具有较高Er离子浓度的Er:LiNbO₃晶体,并结合实验数据建立相应缺锂VTE和Er扩散模型,利用此类高Er离子浓度的Er:LiNbO₃晶体可以有效提高相关器件（如波导放大器）的性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-14
  1.1 LiNb0_3 的性质  9
  1.2 LiNb0_3 的结构  9-11
  1.3 LiNb0_3 掺杂工程  11-12
    1.3.1 光折变掺杂  11-12
    1.3.2 抗光折变掺杂  12
    1.3.3 激光离子掺杂  12
  1.4 本论文的意义及主要任务  12-14
第二章扩散的相关基础理论  14-21
  2.1 Fick 定律及相关参数确定  14-17
  2.2 影响扩散的因素  17-18
  2.3 Boltzmann-Matano 方法  18-19
  2.4 扩散研究方法原理  19-20
    2.4.1 二次离子质谱（SIMS）  19
    2.4.2 原子力显微术（AFM）  19-20
  2.5 溅射基本原理  20-21
第三章 LiNb0_3晶体的气相输运平衡  21-36
  3.1 VTE 的相关研究背景  21-22
  3.2 VTE 的实验环境  22-23
  3.3 VTE 处理过程  23-24
  3.4 VTE 处理后样品组分的研究手段  24-32
    3.4.1 组分表征的非光学方法  24-26
    3.4.2 组分表征的光学方法  26-32
  3.5 缺锂VTE 处理后Mg:LN 的OH-吸收谱研究  32-36
    3.5.1 缺锂VTE 处理及光谱测试过程  33
    3.5.2 光谱的结果讨论  33-36
第四章局域高掺铒铌酸锂晶体的制备及特性表征  36-48
  4.1 高掺铒LN 晶体的制备  36-38
  4.2 高掺铒LN 晶体的特性讨论  38-48
    4.2.1 Li_20 含量  38-39
    4.2.2 Er 的分布及其扩散性  39-45
    4.2.3 Er 溶解度  45-48
第五章缺锂VTE 过程和Er 扩散过程的数值分析  48-63
  5.1 缺锂VTE 模型  48-52
    5.1.1 缺锂VTE 模型的建立  49-51
    5.1.2 缺锂VTE 中Li 的扩散性  51-52
  5.2 Er 扩散模型和数值方法  52-63
    5.2.1 Er 的扩散过程分析假设  52-53
    5.2.2 Er 扩散的过程描述  53-54
    5.2.3 Er 扩散模型  54-56
    5.2.4 Er 模型中的参数确定  56-63
参考文献  63-66
发表论文和参加科研情况说明  66-67
致谢  67

局域高掺铒铌酸锂晶体的制备及特性表征

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