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《武汉大学》 2013年
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钛酸钡系铁电薄膜的制备及光学和光电行为研究

彭静  
【摘要】:铁电薄膜材料和器件的研究目前仍然面临着很多问题,如光学和光电转换系数提高优化问题、在大规模光电集成电路(OEICs)中集成化与兼容性问题、薄膜化引起的界面问题、小型化带来的尺寸效应和加工、表征问题等等。本论文以钛酸钡系铁电薄膜为研究对象,较为系统地研究钛酸钡(BTO)和钛酸锶钡(BST)薄膜的制备及表征、光学特性和应用。 本论文的研究成果主要有: 发展了晶态铁电薄膜低温(≤550℃)制备工艺和高度择优取向生长的制备工艺。采用溶胶—凝胶(Sol-Gel)法和金属有机分解(MOD)法于550℃成功制备出了结晶态良好的BST薄膜,采用磁控溅射法于450℃获得了(100)择优取向生长的BST薄膜,这些工艺是目前已经报道的具有较低温度制备的工艺之一。铁电薄膜的低温成功制备对其在OEICs的集成应用是十分有益的。另外,采用磁控溅射法在SiO2/Si基底上于700℃获得了高度(100)择优取向生长的晶态BST的薄膜。在非晶SiO2层上制备出高度择优取向生长的铁电薄膜一直是该领域研究的热点与难点之一 较为系统地研究了单片集成即硅基底上多晶BST薄膜的光学及光电行为。SiO2/Si基底上高度(100)择优取向生长的晶态Ba0.5Sr0.5TiO3的薄膜的光带隙能Eg值与沉积温度和薄膜的厚度表现出很大相关性,主要是由于量子尺寸效应和受到薄膜结晶度,如晶界、粒度、取向生长和非晶相的存在等的影响。薄膜的这种Eg值与结晶度的相关性有望应用到集成光器件中。基于多晶(BST0.7)薄膜首次在硅衬底制备了单片集成Mach-Zehnder电光调制器,成功实现了光的调制。多晶BST0.7薄膜的电光系数为2.4pm/V。 设计和制备出了铁电薄膜沟槽掩埋型光波导,并且基于双反射镜原理设计和成功制备出了小尺寸低损耗的90°直角弯曲光波导,该结构波导便于工艺制作、OEICs的光电集成和光传输损耗的定量标准测量。对于5μm宽、300nm厚的多晶BST0.7平面光波导在632.8nm波长的光传输损耗大约是17dB/cm。对于5和10μm宽的非晶态BST0.7薄膜波导在632.8nm波段的光传输损耗分别为12.8和9.4dB/cm,所制备的90°弯曲结构损耗分别为1.2和0.9dB。非晶态BST0.7薄膜波导比用于OEICs的高折射率差△的Si/SiO2波导的损耗(34dB/cm)小得多,比晶态BST0.7薄膜波导的光传输损耗也要小30%。该非晶BST0.7薄膜用于OEICs光波导是具有潜在应用价值的。 通过理论分析提出了一种新的薄膜光学常数计算测量的方法。厚度约为214nm的非晶BST0.7薄膜的光学带隙能和折射率分别为:4.27eV和n=1.94。薄膜在可见光和近红外区域的消光系数远远低于多晶BST薄膜,约为10-3数量级。 研究了非晶BST和BTO薄膜室温光致发光(PL)性能及其机理,用能带跃迁模型来进行了很好的解释,基于该薄膜的这种PL性能,首次应用到LED器件上,实现了基于非晶BTO薄膜白光LED器件。约150nm厚非晶BTO薄膜InGaN/GaN多量子阱LEDs呈现蓝白光,CIE坐标为(0.2139,0.1627)。基于非晶BTO薄膜白光LED器件的实现,与传统工艺比较很容易实现保形涂覆结构、在可见光波段具有高透光性能、不需要粘结剂且可以在更高的温度下使用等很多优点,为发展LED提供了一种新的思路。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O484.1

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【参考文献】
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