非晶SiC/SiO_xC_y薄膜的三阶非线性光学性质的研究

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SiC作为第三代半导体的代表,具有优良的光电特性。SiC薄膜的宽带隙、强的非线性光学响应使其在制备微电子集成和光电子器件领域前景巨大。SiC薄膜在特定条件下会与氧气或者水蒸气反应生成SiOxCy薄膜。SiC薄膜作为半导体材料,其三阶光学非线性研究的较多,而使用磁控溅射法制备的不含氢键的SiC薄膜的三阶光学非线性方面研究较少。论文使用Z-scan技术(1064 nm波长,25 ps脉宽基频光)对磁控溅射方法制备的SiC/SiOxCy薄膜的三阶非线性光学响应作了具体的研究,具体工作如下:(1)SiC薄膜的制备和光学性质的表征。利用射频磁控溅射技术制备了SiC薄膜,然后在不同温度的Ar环境下退火,得到非晶态的SiC薄膜。用XRD、SEM、AFM确定了SiC薄膜的表面形态和结晶性;通过紫外可见分光光光度计测量了样品的线性透射率并计算出不同环境下退火样品的带隙大小(2.65 eV3.03 eV);使用傅立叶变换红外光谱仪测量了样品的红外透射光谱,图谱显示所有退火样品在785 cm-1和950 cm-1处有两个明显的吸收峰存在,而退火温度达到800°C时,在1100 cm-1处出现一个较弱的吸收峰。Z-scan数据显示,非晶态的SiC薄膜具有较大的非线性折射率n210-14 m2/W且自散焦行为明显,该非线性折射率比SiC晶体的值大五个数量级。拟合开孔数据,我们得到未退火的SiC薄膜存在双光子吸收行为,退火过的样品表现出三光子吸收特性。不同的非线性吸收行为可能归因于导带和价带之间中间态的不同。(2)SiOx Cy薄膜的制备和光学性质的表征。同样利用射频磁控溅射技术制备了SiC薄膜,然后在不同温度的O2环境下退火,得到非晶态的SiOxCy薄膜。研究发现,随着退火温度的升高,SiOxCy薄膜的带隙也从2.77 eV增加到3.69 eV;所有样品均存在785 cm-1、950 cm-1和1100 cm-1三个傅里叶红外吸收峰位。非晶态SiOx Cy薄膜的Z-scan闭孔数据表明,未退火的样品表现出自聚焦行为,而退火后的样品表现出自散焦行为。其非线性折射率|n2|10-15 m2/W,比SiC晶体大四个数量级。开孔数据表明,未退火的和退火200°C的SiOxCy薄膜表现出很强的三光子吸收行为,而在400°C和600°C环境下退火的SiOxCy薄膜表现出非线性饱和吸收行为。薄膜的非线性吸收行为,会随着激光强度的增强而趋于饱和。我们总结,SiOxCy薄膜的三阶光学非线性可能因为原子组成和微结构的变化而变化,这对于集成的非线性光子器件具有非常重要的意义。
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