LiNbO3薄膜光学特性

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C轴取向的LiNbO3薄膜的光学特性

SwatiShandilyaa,AnjaliSharmaa,MonikaTomarb,VinayGuptaa,*

ab

物理和天铁物理系，德里大学，德里-110007，印度

米兰达女子学院，德里大学，德里110007，印度

摘要

C-轴取向铌酸锂（LiNbO3晶体）薄膜被沉积到外延匹配（001）蓝宝石基板采用脉冲激光沉积技术。的薄膜的结构和光学特性已分别使用的X-射线衍（XRD）和紫外-可见光谱研究。拉曼光谱已被用来研究的c轴取向LiNbO3薄膜的光学声子模和缺陷电影。XRD分析说明在所生长的LiNbO3薄膜，这是由于压力的存在铌酸锂晶体和蓝宝石之间的晶格失配小。折射率（n=2.13在640nm处）（006）铌酸锂晶体薄膜的要稍低一些相应的体积值（N=2.28）。各个负责在从相应的（006）LiNbO3薄膜的折射率的偏差的因素散装探讨和值的偏差的主要原因是，由于存在晶格收缩沉积膜中的应力。关键词光学特性脉冲激光沉积薄膜铌酸锂

1.引言

铌酸锂（LiNbO3）

铌酸锂（LiNbO3晶体）是一个巨大的技术材料光学器件的利息。大量的文献可在铌酸锂单晶等领域的基础研究和应用研究，其优异的光学性能的晶体沿观测c轴[1-3]。铌酸锂单晶的已知表现出通用的非线性光学性质，因此它继续是一个极好的材料，各种光子的应用，如频率转换器，光开关，光调制器，多路复用器等人[4-7]。在他们的薄膜是有利的批量对应不同的设备应用程序。了解是众所周知的发挥了重要的作用的薄膜的折射率实现的光学设备，并且即使一个小的变化在其值会影响其应用。铌酸锂晶体薄膜的折射率通过各种工人使用紫外可见光谱进行了测量和光导波技术。对于声光和电光器件的制造，这是十分重要的研究的光学与c轴取向的LiNbO3薄膜的性能的。几个报告的c轴取向LiNbO3薄膜的生长电影使用各种沉积技术[8,9]，正在努力连续主要集中向增长的各种基板上包括，外延匹配蓝宝石，硅，熔融石英等蓝宝石衬底上已用于LiNbO3薄膜的沉积影片由不同的工人光学器件的应用，由于其低折射率和相像的晶体结构，尽管小晶格失配和较低的热膨胀系数差在比较的LiNbO3[2]。Shibata等。成长外延铌酸锂晶体薄膜的（001）和（110）蓝宝石晶体脉冲激光沉积法[10]。他们报告说，化学计量从李丰富的铌酸锂薄膜只能存放中得到的目标（与Li/Nb的=2），和李缺陷相asdeposited陶瓷靶，铌酸锂薄膜的制备Li/Nbb2。高频（460-810MHz）的表面声波（SAW）器件，已经实现了利用LiNbO3/sapphire层状结构[10]。笕等。[11]已经报道了外延生长的铌酸锂晶体薄膜的α-Al2O3衬底上用脉冲激光沉积技术。氧自由基的量的控制由改变激光能量密度的源，其影响Li浓度的沉积铌酸锂晶体薄膜。光学财产的脉冲激光沉积（0012）织构铌酸锂晶体薄膜（001），研究了SiO2基板使用光导波技术和一个较小的值的折射率（ηTE=2.144和ηTM=2.036）散装铌酸锂相比已被报道[12]。schwyn等。[1]沉积铌酸锂晶体薄膜的外延匹配的蓝宝石衬底

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上射频溅射技术和效果的射频功率（50到100W）上的折射率（=2.302至2.260和ne=2.100到2.200）进行了研究。折射率脉冲激光沉积铌酸锂晶体薄膜也被认为是大大受加工参数，并从2.43下降到2.21增加氧气压力从1×10-5?5×10-2毫巴和从2.07增加至2.28，增加激光能量密度为0.5?2.5J/cm2的[13]。据悉，拉曼光谱法是一种灵敏的工具识别的膜质量和膜中存在的缺陷，并因此光学声子模式的研究是十分重要的[14,15]。

在我们较早的工作拉曼光谱已用于研究缺陷存在于c轴取向LiNbO3薄膜沉积在在硅衬底[16]。然而，很少关注向（006）的铌酸锂的拉曼光谱分析中给出薄膜沉积在蓝宝石衬底外延匹配。在目前的工作中c轴取向LiNbO3晶体薄膜的生长外延匹配（001）的蓝宝石基板上。结构和LiNbO3薄膜的光学性质的研究已被使用X-射线衍射，紫外-可见分光光度计和拉曼光谱。分散在c轴取向LiNbO3薄膜的折射率膜已经研究了随波长的光的单个振荡器模型

2.详细试验步骤

LiNbO3薄膜（001）蓝宝石衬底上沉积脉冲激光沉积（PLD）技术。薄膜生长在（001）

13.3Pa的蓝宝石单晶在700℃的衬底温度下氧压采用Nd：YAG激光（III10Surelite;品牌：连续流，USA）的波长266纳米（第4次谐波）。高致密的陶瓷光盘（1英寸直径。）的铌酸锂晶体含有过量5％对Li2O已准备使用常规的固态反应途径，并用作靶铌酸锂薄膜沉积。目标的细节准备报道[16]。聚焦的激光束短脉冲具有的脉冲宽度为10ns的形式和重复速率为10Hz的时间是在45°的角度入射在靶表面上。使用3Jcm-2时的能量密度的激光脉冲。薄膜沉积在100％氧气氛中，在压力为13.3宾夕法尼亚州将基板保持在距离25

mmfrom靶表面。所沉积的晶体结构和晶格参数膜进行了研究，使用X-射线衍射（XRD）技术，使用布拉格布伦塔诺（θ-2θ）扫描的X-射线衍射仪（Bruker公司D8发现），Cu靶辐射（λ=1.54056?）。膜厚度为采用DEKTAK150表面轮廓仪（品牌：Veeco公司）。

紫外-可见光谱（品牌：PerkinElmer公司，型号：LAMDA35）已被用来研究LiNbO3薄膜的光学性能的膜。LiNbO3薄膜的结晶质量和相的纯度沉积在蓝宝石衬底上一直使用拉曼光谱研究在后向散射几何一致的INNOVA氩离子激光偏振光源（λ=514.5nm的）和分析使用一个JobinYvon公司T64000光谱仪配备了电荷耦合设备。

3.结果与探讨

3.1。c轴取向LiNbO3薄膜的X射线衍射（XRD）和拉曼光谱研究

C轴取向LiNbO3薄膜沉积厚度约0.6微米的外延匹配（001）使用的蓝宝石基板上脉冲激光沉积技术。生长LiNbO3薄膜被认为是透明的，均匀且稳固地粘附到基板上。

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图1沉积在（001）蓝宝石晶体上的(006)LiNbO3薄膜的XRD图

图1示出了沉积LiNbO3薄膜的XRD图谱蓝宝石水晶玻璃。两个尖锐和猛烈的衍射峰对应的（006）和（0012）面的铌酸锂，在2θ=39.18°和83.86°，分别观测到（图1），表示生长的影响纹理LiNbO3薄膜具有晶粒沿优选取向生长方向与c轴蓝宝石表面法线。X射线衍射峰（001）面的蓝宝石水晶也观测到在图。1，在2θ=41.88°。的偏差中的地（006）衍射峰的铌酸锂薄膜，观测到相应的单晶值（38.94°），并主要与在淀积的薄膜中的应变的存在。

生长的LiNbO3薄膜的角峰的位置（39.18°）稍微高于相应的散值，这说明淀积薄膜在一个均匀的状态的应力与压缩组件平行于c轴。存在的尖锐和猛烈的XRD相对应的（006）峰和（0012）面，显示了重要的为成核作用的底层的晶格匹配蓝宝石衬底铌酸锂的晶体沿优选生长（c-轴）的方向发展。晶格参数'C'的沉积LiNbO3薄膜膜计算所观测到的（006）衍射峰，发现在1.37纳米。将得到的值的晶格常数是略少比相应的值（1.38nm）的铌酸锂晶体单结晶和相媲美的值（1.375nm）的观测其他工人的铌酸锂晶体薄膜的[2]。所观测到的较小值如生长的LiNbO3薄膜比较的晶格常数到相应的单个晶体的值表示的单元电池沿c-轴，被压缩的压缩力作用在所淀积的薄膜的平面的。在压力的估计值LiNbO3薄膜生长在蓝宝石水晶大约是4.1×1010dyne/cm2。类似的结果（006）取向铌酸锂晶体的生长压力的薄膜的表面上外延匹配蓝宝石基板已报告了其他工人[2,17-19]，并可能归因于小的晶格失配之间的蓝宝石单晶体和LiNbO3薄膜。

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图2沉积在(001)蓝宝石基体上的C轴取向的LiNbO3薄膜的室温拉曼光谱

S对应基板相关的声子模式

图2示出了室温下的拉曼光谱的c轴取向的

铌酸锂薄膜沉积在（001）蓝宝石水晶玻璃。“谱录得的后向散射几何Z（X+Y，X+Y），其中，Z是入射的方向的Z配置光沿着c轴垂直于膜表面，且X和Y的方向上沿a和b晶轴的平面中的偏振铌酸锂晶体薄膜。根据选择规则4A（LO）+9根据本E（TO）允许在铌酸锂基频配置。所有观测到的声子模的拉曼光谱（图2）Z切铌酸锂单晶的模式是一致的

其他工人根据选择规则[20,21]。贝尔纳韦等。[21]说明，声子模式[E

“（1TO），E（8直接）和A1（4LO）]是十分敏感的化学计量和存在的在任何类型的内在缺陷沉积LiNbO3薄膜。在目前的状况下，所有的声子模式（13基波频率）可以明白地看到，在生长的LiNbO3薄膜的拉曼光谱膜（图2）。这些模式被认为是尖锐，存在于位置报道了近化学计量比铌酸锂单晶，说明增长的质感和（006）取向LiNbO3薄膜膜的蓝宝石衬底上。c轴取LiNbO3薄膜的光学性质的一直使用紫外-可见分光光度计研究。

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图3沉积在(001)蓝宝石晶体上的(006)LiNbO3薄膜的光学透射谱

图3示出的光沉积在生长的LiNbO3薄膜的透射光谱透明的（001）的蓝宝石晶体作为波长的函数。“透射光谱显示出高传输（N80％），在可见光区域和示出了尖锐的基本吸收边在约285nm处。在场的定义的干扰条纹图案，在的透射光谱（图3）表示的生长良好的光学质量LiNbO3薄膜。情节广场（αhν）与光子能量，（hν的）示于图