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掺Er薄膜材料发光特性研究

娄昊楠  
【摘要】: 随着人类社会进入21世纪,社会的发展和科学技术的进步使人类对信息的需求越来越多,用光子作为信息的载体,采用光通讯将是下一代通讯的解决方案。铒离子(Er~(3+))内层4f电子的发光波长位于1.54μm,在光通讯和光互联方面的应用引起了人们很大的兴趣,如何获得高效的掺Er发光材料以及器件,以及Er在发光过程中和基质材料的作用和能量转移的物理过程,都是研究的重点。本文围绕掺Er薄膜材料发光特性,研究了掺Er HfO_2薄膜材料、饵铥共掺Al_2O_3薄膜材料以及掺Er富硅Al_2O_3薄膜材料,并且取得如下结果: 1.使用脉冲激光沉积(PLD)技术和离子注入(ion implantation)技术制备掺Er HfO_2薄膜样品。在室温下实现了掺Er HfO_2薄膜的光致发光,观察到了波长为1533nm的Er~(3+)特征发光峰以及位于1490nm和1564nm的stark分裂峰。通过光荧光激发谱(PLE)研究了Er在HfO_2薄膜中的发光机制。发现除了对应于几个直接跃迁的发光峰外,样品在Er~(3+)无法直接吸收激发能量产生辐射跃迁的激发波段都呈现出连续的发光现象,并且激发波长越短发光强度越大。这说明该主要的发光过程是一个间接激发的过程。通过紫外PL谱的研究和分析,我们发现在掺Er HfO_2薄膜内O空位起到了Er~(3+)光敏中心的作用,可以有效地把外加能量传递给周围的Er~(3+)。通过PLE谱还证明感光剂除了氧空位外还有其他感光剂的存在,XPS结果显示薄膜中共存有H弹质,改变测量温度研究未掺Er的薄膜的光致发光中发现了来自于Hf单质的发光,它的发光和Er的原子能级形成共振,所以我们提出了Hf单质作为Er发光的感光剂作用,实现了发光的宽谱激发。 2.通过相互独立的Er、Tm、Si和Al_2O_3靶共溅生长了不同Tm和Er浓度比例的铒铥共掺的氧化铝薄膜材料。用改变测量温度的光致发光谱对铒铥共掺的氧化铝薄膜材料进行了细致的研究。清楚的观察到了峰值在1470nm、1533nm和1800nm处的三个发光带,分别对应着Tm~(3+): ~3H_4→~3F_4,Er~(3+): ~4I_(13/2)→~4 I_(15/2)和Tm~(3+):~3F_4→~3H_6的跃迁。通过优化Er~(3+)离子和Tm~(3+)离子的浓度可以得到覆盖1.4-1.7 um波长范围的比较平坦的发光带。随着测量温度从14K升高到298K,Er离子在1533nm的发光峰的强度增大了5倍。这一现象是由于在不同测试温度下, Er和Tm离子之间复杂的能量传递过程所导致的。 3.通过磁控溅射方法,我们制备了掺Er富硅Al_2O_3多层薄膜材料。多层样品的发光强度远远大于单层样品。Er~(3+)离子发光强度的增强是由于Si-NCs将能量传递给位于Er:Si:Al_2O_3和Si:Al_2O_3层中Si-NCs附近的Er~(3+)离子。同时,多层样品中Er的发光强度不随温度单调变化而且室温的强度要高于14K的强度。多层样品中Er发光的这一特性将为应用于高温的掺铒波导放大器的发展提供了美好的前景。


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