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立方氮化硼光学和电学的非线性研究

马海涛  
【摘要】:激光器问世以前,人们对于光学的认识主要限于线性光学,激光器问世以后,非线性光学作为光学学科中一门崭新的分支学科,就以她那新奇的面貌展现在世人面前。在短短的40年间,非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展,成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。我们在非线性光学理论的基础上,讨论了一些当前重要的非线性光学效应,包括倍频效应、光整流效应和线性电光效应。然后,我们利用这些非线性光学效应研究了新型半导体材料立方氮化硼(cBN)的非线性光学性质。cBN的宏观对称性是属于没有反演对称中心的 点群,具有闪锌矿结构,所以能产生二阶非线性光学效应。因为cBN在整个可见光谱范围以及红外和紫外光谱的很大范围内透明,所以它的二阶非线性光学性质在光电子学领域具有广阔的应用前景。但是,到目前为止,我们未见关于cBN二阶非线性光学性质的研究报告发表。立方氮化硼作为一种新型的人工合成的宽禁带半导体材料,对它的半导体特性的研究还没有取得突破性进展,而在非线性光学领域内对它的研究更是少之又少。基于更加全面的了解cBN的光学性质,我们利用非线性光学原理研究了cBN的非线性光学性质,并取得了一些进展。这将有助于人们更加全面、完善的了解宽禁带半导体cBN的光学性质。 线性电光效应,又称普克尔斯(Pockels)效应,是一种特殊的二阶非线性光学效应。在这里作用于介质的两个电场,一个是光波电场,另一个是低频电场或直流电场,在这两个电场的作用下,产生二阶非线性极化。针对cBN的固定形状,我们从理论上导出了cBN在[111]方向上外加电场后存在线性电光效应,并用He-Ne激光器对cBN晶体进行了横向电光调制实验,首次观测到了明显的线性电光效应,并测得输出光强与调制电压成线性关系的函数图像。从所测数据计算出了cBN的半波电压、线性电光系数及二阶非线性极化系数。这些参数的得出,填补了cBN在非线性光学领域内有关性质的空白。 倍频效应(即二次谐波)和光整流效应都同属二阶非线性光学效应。二次谐波产生是非线性光学混频中最典型、最重要和最基本的技术,也是应用最广泛的一种技术。光整流效应,就是一个光波电场由于二次非线性电极化作用而产生的一个直流分量的现象。利用二次谐波产生和光整流效应的原理,我们从理论上导出了,光无论是垂直cBN (111)面入射还是平行cBN (111)面入射,倍频与光整流 WP=79 极化强度均不为零,因此,立方氮化硼在强激光作用下应有二次谐波产生与光整流效应。利用调Q脉冲激光器,我们也确实在实验上观察到了倍频光,并测到了光整流信号。我们设计光整流实验的最终目的是要测量cBN的二阶非线性系数,在以后的工作中我们会继续光整流实验,并与用线性电光效应所得的cBN的二阶非线性系数进行比较,以期测量结果更加接近于真实值。 许久以来,人们都认为立方氮化硼(cBN)是最简单的Ⅲ-Ⅴ族化合物,它具有约6.3eV的禁带宽度,这在半导体和光学装置的潜在应用方面引起了人们很大的兴趣。在高温高压下通过添加适当杂质可以合成p型和n型晶体,使得p-n结和发光二极管的制作成为可能。近年来,已有观察到p-n结紫外光发射的报道。尽管这些试验性的研究说明了cBN具有诱人的潜力,但对cBN半导体性质的研究许多年都没有进展,这可能是由于缺乏大尺寸和高质量的cBN单晶。与高压下制作p-n结过程相关的技术困难,还限制了对cBN紫外发光性质的进一步研究。近来,我们研究了在高温高压下合成的非故意掺杂cBN单晶的一些半导体性质,并取得了一些较好的进展。 首先,我们用简单的电路测量了正反两种情况下cBN的I~V关系,并对测量结果进行了曲线拟合,发现在0~200V之间符合二次函数关系,而在200V以上符合e指数关系。利用空间电荷限制电流和杂质的电离我们分别解释了这两种情况下的曲线,虽然有些结果是何机制产生的目前还不清楚,但我们给出了比较合理的分析。实验中当电场强到一定程度后,出现了电流的急剧增加和电压的急剧减小现象,我们用cBN中杂质的场致电离作了定性解释。其次,在立方氮化硼场致电离后,我们继续测量了cBN的I~V关系,发现随着通过样品电流的增加,样品两端的电压减小,出现了负阻现象,我们称之为立方氮化硼的“负阻效应”。改变电极的极性进行测量,在正反两种情况下得到了相同的结果,我们还改变了样品电极的性质,分别用铁、铝和铜作电极进行测试,也得到了同样的结果。而且,在暗室内我们重复了cBN的整个I~V关系实验,当样品两端电压高到一定程度,接近场致电离时,观察到cBN发光现象。随着电压的增加,通过样品的电流增加,cBN的光辐射也越来越强,在cBN场致电离的瞬间,辐射光的亮度最强。cBN场致电离后,仍能看到光辐射,但已比场致电离瞬间的光辐射弱了很多,这时继续增加通过cBN的电流,光辐射也越来越强。这些现象我们都用电子在能谷间的转移(即耿氏效应)进行了解释,并能使理论分析与实验结果很好的符合。最后,研究了cBN的光电导效应,我们所用的琥珀色cBN,导电类型为n型,本征吸收限小于200nm,红外及可见光不会引起它的本征吸收,只有紫外光才能够引起cBN的本征吸收产生本征光电导,


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