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脉冲激光沉积法制备硫系玻璃薄膜的结构与光学性质研究

潘瑞琨  
【摘要】: 硫系玻璃具有良好的透红外光性能,是重要的光学材料与光电子材料。硫系玻璃薄膜在现代集成光学器件研发领域具有诱人的应用前景。本文采用脉冲激光沉积法制备出GeSx(x=2,4,6)、GeSex=2,4,6)、90GeS2-5Ga2S3-5CdS、80GeS2-10Ga2S3-10KBr、(1-x)(4GeSe2-Ga2Se3)-xKBr (x=0,0.1,0.2,0.3)多种体系的玻璃薄膜,采用多种现代测试分析手段,对薄膜的组分、玻璃结构和光学性质等方面作了系统的表征和分析,得出如下主要结果和结论: (1)脉冲激光沉积法制备的硫系玻璃薄膜,其组分与靶材偏离很小。薄膜的表面光滑平整、粗糙度很小。除0.7(4GeSe2-Ga2Se3)-0.3KBr薄膜退火后出现微晶化,其它玻璃薄膜在退火前后均为非晶态。 (2)随着S含量增大,GeSx(x=2,4,6)玻璃薄膜中Ge-Ge键数量减少,平均键能增大,导致短波吸收边发生蓝移,光学带隙逐渐增大(2.59 eV到2.86 eV);由于Ge4+离子半径较大,极化率较高,导致玻璃薄膜折射率随S含量增加而减小。GeSx薄膜以[GeS4/2]四面体为主要结构基团,以共边或共顶点连接构成玻璃网络;80GeS2-10Ga2S3-10KBr和90GeS2-5Ga2S3-5CdS玻璃薄膜也是以[GeS4/2]和[GaS4/2]四面体为主构成的三维玻璃网络。 (3)随着Se含量增加,GeSex(x=2,4,6)薄膜的光学带隙逐渐减小(1.95eV到1.90eV),但折射率逐渐增加。随着KBr含量增加,(1-x)(4GeSe2-Ga2Se3)-xKBr(x=0,0.1,0.2)玻璃薄膜的光学带隙逐渐增加(1.98eV到2.24eV),折射率逐渐下降。退火导致Ge-Se基薄膜的光学带隙均相应增大。 (4)在0.8GeSe2-0.2Ga2Se3和GeSe4薄膜中观察到明显的光致体积膨胀、光致暗化效应和光致各向异性效应。相对体积膨胀分别为3.3%和9.3%,光致各向异性度分别为5.8%和7.1%。光照射诱发更多的结构缺陷,增加了价带顶的局域态密度,也增大了玻璃的结构无序性。层间结构荷电后,电荷间排斥作用引起体积膨胀。同时使玻璃中紧密变价对(IVAP)与邻近原子的键连接发生改变,产生光致各向异性。 (5)90GeS2-5Ga2S3-5CdS薄膜经电场极化处理后,有二次谐波信号产生,最大二阶非线性系数为χ(2)=3.83pm/V。极化电场诱导偶极子作定向排列,适当的极化温度使得偶极子能够摆脱玻璃网络的束缚,有利于偶极子的定向排列;但温度过高时偶极子热运动过于剧烈,削弱了电场对偶极子的定向排列作用。


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