晶體結(jié)構(gòu)對Er/Yb共摻TiO2薄膜熒光光譜的影響
通過對不同退火溫度下Er/ Yb 共摻TiO2 薄膜的結(jié)構(gòu)和光致熒光光譜(PL) 的分析, 研究了退火處理所導(dǎo)致的晶體結(jié)構(gòu)變化對薄膜熒光光譜的影響, 探討了薄膜的結(jié)晶狀態(tài)在Er3+ 激活、熒光光譜形狀等方面的作用及可能的物理機(jī)制。研究結(jié)果表明: 退火處理所導(dǎo)致的Er3+ 的PL 的變化與薄膜的相結(jié)構(gòu)之間有著密切的聯(lián)系。退火溫度低于700℃ 時(shí)的寬化譜和Er/Yb 共摻TiO2 薄膜的非晶結(jié)構(gòu)有關(guān), 多峰結(jié)構(gòu)的PL 是Er3+ 在燒綠石相ErxYb2-xTi2O7中的典型特征。
Er3+ 內(nèi)層4f 電子躍遷表現(xiàn)為1.53 um 波長的近紅外發(fā)射, 對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)硅基光纖通訊的最低損耗窗口, 在光通訊領(lǐng)域占有舉足輕重的地位, 摻Er 光纖放大器已經(jīng)在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)光通信中器件的集成化和小型化, 人們開始研究摻Er 光波導(dǎo)放大器。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為正是由于摻Er 平面光波導(dǎo)放大器的此優(yōu)勢使其在光電集成領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,促使作為發(fā)光層的摻Er 薄膜的研究再次升溫。
為了滿足摻Er 光波導(dǎo)放大器的尺寸要求, 需要盡可能提高Er 摻雜濃度以獲得較大的光學(xué)增益。但過高的摻鉺濃度使得Er3+ 離子間的距離變得很小, 從而發(fā)生離子之間的電偶極子相互作用, 這種電偶極子相互作用會在很大程度上降低Er3+ 的發(fā)射-吸收效率, 從而導(dǎo)致濃度淬滅發(fā)生。這時(shí), Yb3+的摻入起到彌散的作用。Yb3+ 一方面抑制Er3+ 離子簇的形成, 另一方面為Er3+ 提供了一種有效的間接泵浦方式, 可顯著提高對泵浦光的吸收效率。Er3+ 的4I 13/ 2 .4I 15/ 2發(fā)射由許多光譜譜線疊加而成,分別來自4I 13/ 2 Stark 劈裂能級向4I 15/ 2 多重態(tài)的躍遷。基質(zhì)晶體場的變化, 會影響到Er3+ 的子能級分布, 從而影響到對應(yīng)譜線的躍遷幾率, 最終導(dǎo)致Er3+ 的熒光特性發(fā)生改變。
人們對Er/ Yb 共摻氧化物薄膜的基體材料進(jìn)行了廣泛研究, 如SiO2、富硅氧化硅( SRSO) 、Al2O3 以及ZnO 等。TiO2 作為Er 摻雜的基體材料在光電集成領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景, 這取決于它的高折射率( 銳鈦礦結(jié)構(gòu)n= 2.52, 金紅石結(jié)構(gòu)n= 2.76) 和低的聲子能( < 700 cm- 1)。一方面, 高的折射率有利于光電集成器件的小型化。另一方面, TiO2 和SiO2 覆層( n= 1.45) 之間的高折射率對比, 有利于波導(dǎo)中光模的高約束。并且, TiO2 基質(zhì)的寬帶隙以及O 的存在有利于Er3+ 離子的光學(xué)躍遷。從現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道來看, 有關(guān)摻Er-TiO2 用作光波導(dǎo)放大器光學(xué)薄膜的研究很少。
Ishii 等采用激光燒蝕方法制備了摻Er-TiO2薄膜, 研究了Er3+ 離子在銳鈦礦(A) 和金紅石( R) 基質(zhì)中的原子構(gòu)型。他們發(fā)現(xiàn), 在A-TiO2 中Er 替代Ti 的位置造成O 不足和Er-O 鍵的不穩(wěn)定, 而在RTiO2中則導(dǎo)致脫Ti 并且形成穩(wěn)定的Er-O6 結(jié)構(gòu)。
Ting 等采用So-l Gel 技術(shù)制備了Er/Y 和Er/Yb 共摻TiO2 薄膜, 獲得的光致熒光光譜( PL) 譜強(qiáng)度比Er-Al 共摻雜SiO 系統(tǒng)高一個(gè)數(shù)量級, 半峰寬也加寬, 指出Yb 的摻入可使薄膜的熒光譜的譜寬通過非均勻?qū)捇?yīng)而加寬。盡管如此, 對摻Er 和Er/Yb 共摻TiO2 薄膜的研究仍然不夠深入, 很少人關(guān)注相結(jié)構(gòu)對摻Er-TiO2 薄膜PL 特性的影響。本文采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了Er/ Yb 共摻TiO2 薄膜,研究Er/ Yb 共摻TiO2 薄膜在不同退火溫度下的結(jié)構(gòu)和熒光特性, 探討基質(zhì)材料晶體結(jié)構(gòu)對Er3+ 熒光光譜的影響。
本文研究了退火溫度對Er/Yb 共摻TiO2 薄膜的相結(jié)構(gòu)和PL 譜特征的影響, 結(jié)果表明PL 譜的退火行為取決于不同退火溫度下Er/ Yb 共摻TiO2 薄膜的相結(jié)構(gòu)。低于700 ℃ 時(shí), 寬化譜特征和Er/ Yb共摻TiO2 薄膜的非晶結(jié)構(gòu)有關(guān), PL 譜的多峰結(jié)構(gòu)是Er3+ 在燒綠石相ErxYb2- xTi2O7 中的典型特征。高Er/ Yb 摻雜濃度下Er/ Yb 共摻TiO2 薄膜的光致發(fā)光特征與低摻雜濃度下A-TiO2 或R-TiO2 中Er3+ 離子的PL 特性有所不同。
