论文部分内容阅读
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,光通讯将成为下一代通讯的解决方案。位于1.54μm的铒离子(Er3+)内层4f电子的发光波长在光通讯技术的发展中起了巨大作用。纳米晶硅(Si-NC)在可见光区的吸收截面非常大,是Er的一万多倍,所以它被认为是Er的有效宽带光敏化剂之一。当Er3+引入Si-NC作为宽带敏化剂时,Er3+的间接激发截面可达7×10-17cm2。Er, Si共掺杂的薄膜材料的光致发光(PL)效率相比单掺Er的薄膜材料有明显提高。而随着当前光通讯需求的日益增大,为了对常规波段(1530-1565 nm)进行补充,我们引入了发光波段在1.47和1.6～2.1μm的铥离子(Tm3+)来制备Er, Tm稀土共掺的薄膜材料,实现在1.4-2.0波长范围内的宽带发光。基于以上背景,本文主要围绕稀土氧化物薄膜的PL特性,研究了用磁控溅射方法制备的若干种稀土共掺氧化物薄膜,取得了如下结果：1. Er, Si共掺杂三氧化二铝薄膜Al2O3相对较高的折射率可以更有效的限制光线的传播,因此波导器件的极佳的介质材料。同时Al2O3和Er2O3在化合价和晶格常数上的相似性可以使得更高浓度的Er结合进入Al2O3晶体结构中。因此我们制备了Er, Si共掺Al2O3多层膜({Er:Si:Al2O3(6nm)/Si:Al2O3(2nm)}×10)。引入Si:Al2O3层,优化了层中Si-NCs的分布,控制了Si-NCs的尺寸。有助于Si-NCs对光的吸收,并将能量传递给附近Er:Si:Al2O3层中的Er3+。当退火温度达到950℃时,多层膜中Si-NCs大量形成,Er3+的发光强度达到最大,约为Er, Si共掺杂Al2O3双层结构膜(Er:Si:Al2O3(60nm)/Si:Al2O3(20nm))最大发光强度的10倍。多层膜的Er3+呈现出一种非单调的PL温度特性,室温下的PL强度比14K的时候强30%左右。2. Er, Tm, Si共掺三氧化二铝薄膜：引入了Tm3+可以对通信的常规波段(1530-1565nm)扩展,实现宽带发光。为此,设计制备了Er, Tm共掺Al2O3三明治结构多层膜(Si: Al2O3(20nm)/Er:Tm:Al2O3(120nm)/Si:Al2O3(20nm)),并在1.4-2.0μm波长范围内观察到了的宽带发光。其中1470,1533以及1800纳米处得发光峰分别对应于Tm3+从3H4能级向3F4能级的跃迁,Er3+从4I13/2跃迁到基态4I15/2,和Tm3+从3F4能级向3H6的跃迁。我们对多层膜的PL温度特性进行了研究。当测试温度从14K升高到298K时,Er3+的PL强度增大了5倍,而Tm3+在1800纳米处得的PL强度降低了一个数量级。最后我们基于三种能量传递过程对此现象作出了解释。3. Er, Si共掺氧化锌薄膜禁带宽度为3.37 eV的宽禁带半导体ZnO用来制作发光器件具有很好的前景。因此我们制备了两类不同结构的Er,Si共掺ZnO多层膜：Er,Si共掺杂氧化锌三明治结构多层膜(Si:ZnO(10nm)/Er:Si:ZnO(60nm)/Si:ZnO(10nm))和Er, Si共掺杂氧化锌交替生长多层膜({Er:ZnO(6nm)/Si:ZnO(2nm)}×10)。1000℃退火的三明治结构多层膜和950℃退火的交替生长的多层膜的Er3+的PL强度最大。相比Er:ZnO(60nm)/ZnO(20nm)双层膜,交替生长的多层膜与三明治结构多层膜的PL强度均大幅增强,这主要归因于Si:ZnO层的引入使层中的Si-NCs有效的传递能量给Er3+。此外在14-300K的测试温度范围内对两类多层膜均表现出非单调的PL温度特性,交替生长的多层膜在室温下的PL强度是14K时的1.5倍,而三明治结构多层膜中室温下的Er3+的PL强度是17K时的3倍。4. Er, Tm共掺氧化锌薄膜在宽禁带半导体材料ZnO中实现宽带发光对制作发光器件具有重要意义。我们为此制备了Er, Tm共掺氧化锌单层膜(Er:Tm:ZnO(80nm)),观察到了覆盖1.4-2.0μm波长范围的宽带发光谱。我们研究了不同的Er, Tm浓度比及不同的退火温度和Er3+和Tm3+的PL强度的关系。当Er, Tm浓度比为3：1时,观察到PL宽带发光的同时Er, Tm的PL强度都达到了最大。我们进而对Er, Tm浓度比为3：1的样品进行了不同退火温度下PL强度的研究,发现当退火温度达到1000℃时,Er3+和Tm3+的发光强度都大幅增强了4倍。这可能由于在此退火温度下样品内结构发生了很大变化。5. Er, Tm, Si共掺氧化锌薄膜Er:Si:ZnO/Tm:Si:ZnO双层薄膜通过制备Er, Tm共掺ZnO单层膜,实现了ZnO材料中的宽带发光。为了进一步研究宽带敏化剂纳米硅对宽带谱的影响,我们制备了Er:Si:ZnO(40nm)/Tm: Si:ZnO(40nm)双层膜和Er:ZnO(40nm)/Tm:ZnO(40nm)双层膜,同时作为对比制备了Er:ZnO(80nm)单层膜。经过900℃退火的Er:ZnO/Tm:ZnO双层薄膜和Er：Si:ZnO/Tm:Si:ZnO双层薄膜都实现了宽带发光,且两个薄膜PL谱的半高宽分别为494和478纳米。相对于Er:ZnO/Tm:ZnO双层薄膜,当引入Si-NCs后,Er:Si:ZnO/Tm:Si:ZnO双层薄膜在1800和1533nm处得PL强度均得到了提高。这是由于Si-NCs的引入有效的提高了Er3+的激发效率。当退火温度高于900℃时Er3+的PL强度变强了,而Tm3+的PL强度减弱了。这是由于退火温度高于900℃的时候,双层膜的Er:Si:ZnO层中形成了晶化的Er2SiO5硅酸盐,从而导致双层膜内的能量传递机制发生了改变。