基于压电力显微镜的铌酸锂电畴稳定性研究

研究了Z切700 nm厚的单晶铌酸锂(LiNbO₃)薄膜电畴的调控方法。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对单晶LiNbO₃薄膜的晶向和形貌进行了表征,并通过外加电场对单晶LiNbO₃薄膜电畴进行调控。研究结果表明,该LiNbO₃薄膜具有单一的(006)衍射峰,表面光滑、粗糙度低(均方根粗糙度小于1 nm)。通过外加电场和预设电畴图案对LiNbO₃电畴进行精准调控,并测试了电畴稳定性。测试结果显示,调控后的电畴在温度为25~150℃内处于稳定状态,且在30 d内保持稳定,未发生弛豫现象。该研究为LiNbO₃电畴工程器件的研发和应用提供了重要的技术支撑。     

BNT KBT BT薄膜的制备及外场下电畴翻转

采用金属有机物热分解法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制备了085(Bi05Na05)TiO3 010(K05Bi05)TiO3 005BaTiO3(85BNT 10KBT 5BT)薄膜。通过X射线衍射仪、扫描探针显微镜（SEM）、压电力显微镜(PFM)等对薄膜的结构和外场下的电畴演变进行了表征及研究。结果表明,该薄膜微观结构主要由钙钛矿相和少量的焦绿石相组成,表面无明显裂纹和孔洞,其最大压电系数d33=150 pm/V;通过PFM观察到在电场作用下,其电畴可实现180°翻转,在力场作用下其电畴可实现90°翻转,并结合微观结构对电畴在外场下的演变机理进行了研究。该研究为铁电薄膜在MEMS中的应用提供了参考。     

铁酸铋薄膜柔性化微纳制造及铁电性能

研究了铁酸铋薄膜的柔性化可控制造方法及其电畴调控动态。利用脉冲激光沉积法制备了周期性畴结构的铁酸铋薄膜,结合可控剥离技术,完成了铁酸铋薄膜从刚性基底到柔性基底的制备过程。利用原子力显微镜和压电力显微镜技术对柔性化铁酸铋薄膜的微观形貌和铁电特性进行表征。结果表明,柔性化后的铁酸铋薄膜保持完整的表面形貌特征(粗糙度保持不变),电畴反转特性保持可调,且保持良好的铁电特性及电畴反转响应。该研究为铁酸铋薄膜的柔性化制备提供了一种新思路。     

用扫描近场光学显微镜观察微畴

本文利用反射式扫描近场光学显微镜观察了硫酸三甘氨酸 [(NH3CH2 COOH) 3·H2 SO4 ) ](简称TGS)晶体的电畴结构和铝酸镧晶体的孪晶畴。横向分辨率约为 5 0nm。对原有的TopometrixAuroraNSOM系统作了较大的改进。采用音叉 (tuningfork)检测光纤探针与样品间的剪切力取代了原有的光学法振动检测。对TGS的观察说明 ,反射式扫描近场光学显微镜适合研究垂直B轴切割的TGS( 0 1 0 )面的自发极化。对这种 1 80°极化的多畴 ,可获得光学衬度较好的电畴分布图像。与形貌图像相比电畴与形貌无关。无论是新鲜解理的原子级光滑表面和表面水解的较为粗糙表面均可观察到分布较为均匀的电畴分布。采用探针发光的透射式和反射式观察铝酸镧晶体 ,发现只有反射式探测能够给出晶体表面的孪晶畴     

铁电材料极化反转特性的研究进展

铁电材料的极化反转是一个新畴成核,然后通过畴壁的移动实现电畴反转的过程.从动力学和热力学两方面概述了极化反转过程,介绍了宏观反转电流的测试方法和微观电畴的成像表征技术,总结了多次极化反转导致的疲劳现象;并对采用压电显微术结合其他技术及应用多维数据模型来深入研究极化反转特性做了展望.     

（Pb0.76Ca0.24）TiO3薄膜电畴反转行为的压电力显微镜研究

用溶胶-凝胶法在（Pt／Ti／SiO2/Si）衬底制备了（Pb0.76Ca0.24）TiO3（PCT）薄膜。利用扫描力显微镜（SFM）的压电响应模式（PFM）观测了PCT薄膜的纳米尺度畴结构。畴结构和晶粒尺寸相关,尺寸在100nm左右的晶粒表现为单畴,尺寸较大的晶粒表现为多畴。利用压电力显微镜研究了PCT薄膜中电畴的极化反转行为。通过SFM探针对畴施加一系列直流偏压极化,在每次极化后,利用压电响应模式扫描进行压电力成像,获得了与极化电压相关的畴反转信息。用探针施加电压对薄膜极化后,在不同的时间进行压电力成像,研究了电畴的退极化行为。     

周期极化LiNbO3晶片的制备工艺研究

采用外加电场法制备了周期极化LiNbO3单晶(PPLN),实现LiNbO3单晶周期极化的反向脉冲为24.3 kV/mm,单个脉冲宽度为30 ms,脉冲个数为50个。系统研究了脉冲波形、电极形状对周期极化的影响,实验结果证明,框形电极是克服高电压作用下LiNbO3晶片击穿严重的有效方法,成品率是采用梳状电极的5倍。选择合适的脉冲波形对成功制备周期极化的LiNbO3晶体有着极其重要的作用。采用上升时间为5 ms的方形脉冲极大地改善了高电压作用下的边缘被打碎而引发的边缘击穿,及由晶片中间部分出现微细裂纹而引发的体击穿。     

偏振光调制的扫描近场光学显微镜应用

本文利用电光调制技术结合反射式扫描近场光学显微镜，获得了可以对光的偏振方向进行调制的针尖发光远场接收反射光的近场显微镜。对原有的Topometrix Aurora NSOM系统作了较大的改进。采用音叉(tuning fork)检测光纤探针与样品间的剪切力取代了原有的光学法振动检测，避免了杂散光干扰。观察了(Ba0.5Sr0.5)TiO3薄膜和LiTaO3晶体表面的电畴结构。横向分辨率约为50nm。观察说明，反射式扫描近场光学显微镜适合研究固体表面的电畴结构，可获得光学衬度较好的电畴分布图像。与形貌图像相比电畴与形貌无关。     

低能Ar+刻蚀时间对抛光单晶LiNbO3薄膜忆阻器的影响

调节低能Ar+刻蚀对单晶LiNbO3(LN)的刻蚀时间,制备了不同LN厚度的单晶薄膜忆阻器。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和电子顺磁共振(EPR)对器件的微观形貌与表面氧空位进行了表征。通过电流-电压曲线(IV曲线)、数据保持特性(Retention)和抗疲劳特性(Endurance)的测试,探究了刻蚀时长对器件电学行为的影响。结果表明,随刻蚀时间增加,器件表面光滑均匀,氧空位浓度增加,电形成电压显著降低。同时,尽管LN薄膜厚度减小后,器件的开关比(On/Off)略有降低,但其具有更好的数据保持特性。该方法适用于对由离子注入剥离法制备的单晶薄膜进行改性,以调控其阻变特性,使之可在高密度存储、神经形态计算等领域得到应用。     

LSAT(111)衬底上ZnO单晶薄膜的分子束外延生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术,在LSAT(111)衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜.研究了衬底表面预处理及生长温度对ZnO外延膜的生长过程、外延取向关系以及表面形貌的影响.发现在较低温度下生长ZnO时,薄膜中容易形成30°旋转畴,而在较高温度下,可完全消除薄膜中的旋转畴,得到具有单一畴的ZnO单晶薄膜,讨论了旋转畴的起源以及生长温度对于消除旋转畴的作用.锐利的3×3 RHEED图像验证了ZnO薄膜具有O极性.     

近化学计量比掺镁铌酸锂晶体周期极化特性研究

采用汽相输运平衡技术制备出了高质量近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,系统研究了晶体中的 [Li]/ [Nb]比含量对其畴极化电场的影响 .实验结果表明 :随着晶体中 [Li]/ [Nb]比的提高 ,畴极化反转电场呈明显下降趋势 ,使用近化学计量比掺镁铌酸锂晶体 ,我们在 3.5± 0 .1kV/mm大小的外加极化电场条件下 ,成功地实现了 1.0mm厚度的周期极化畴反转 .我们用铌酸锂晶体的缺陷模型对实验结果给出了合理的解释 .     

用高分辨X射线衍射面扫描评估4H-SiC晶片结晶质量

介绍了高分辨X射线衍射(HRXRD)面扫描技术在评估4H-SiC抛光片整体结晶质量方面的应用。对4H-SiC抛光片整片及局部特定位置进行HRXRD摇摆曲线面扫描,并拟合摇摆曲线半高宽(FWHM)峰值得到的极图,观察4H-SiC抛光片表面的FWHM分布范围、分布特点和多峰聚集区。结合表面缺陷测试仪和偏振光显微镜测试方法,对因螺旋生长产生的晶界分布聚集区以及边缘高应力晶界聚集区进行了表征。二者测试结果与HRXRD摇摆曲线面扫描的结果一致。对多片样品在不同区域使用不同测试方法得到的结果均验证了HRXRD摇摆曲线面扫描可以宏观识别晶畴界面聚集区,清楚辨别出位于晶片中心附近由于螺旋生长面交界形成的晶畴界面,以及位于晶片边缘、受生长热场影响晶粒畸变产生的高应力晶畴界面。     

Second-harmonic generation in periodically poled lithium niobate single-crystal fibres

Periodic ferroelectric domain structures were introduced into lithium niobate (LiNbO/sub 3/) single-crystal fibres by the electric field poling method using a configuration of direct electrode contact. The fibres were pumped with a 1064 nm Nd:YAG laser with a CW input power as high as 1 W. The maximum generated second-harmonic signal was 1.6 mW, thus corresponding to an overall conversion efficiency of 0.016%.     

基于热效应飞秒激光诱导LiNbO3表面结构的研究

为了研究飞秒激光与铌酸锂表面作用过程中热效应对其表面的影响,采用重复频率为25MHz、脉宽为100fs、平均输出功率为500mW的紧聚焦飞秒激光对铌酸锂表面进行刻蚀.通过建立热扩散理论模型,模拟重复频率25MHz的飞秒激光在刻蚀点的温度场分布,并通过电子显微镜对刻蚀点的形貌进行分析,发现刻蚀点从内至外形成了3种大小不同、排列疏密不同的颗粒状结构区域,且中心区域被高温烧蚀并伴有裂缝产生.通过能量色散谱仪对刻蚀点的3种不同结构区域中Nb和O元素的相对含量进行测量,结合刻蚀点的温度场分布、形貌和元素含量进行了分析.结果表明,Nb和O元素在温度场的驱动下向外扩散;两者的相对含量对刻蚀点的表面结构具有极大影响.这一结果对高重频飞秒激光刻蚀铌酸锂物理机制及应用的研究是有帮助的.     

Electromechanics of Domain Walls in Uniaxial Ferroelectrics

Piezoresponse force microscopy (PFM) is used for investigation of the electromechanical behavior of the head-to-head (H-H) and tail-to-tail (T-T) domain walls on the non-polar surfaces of three uniaxial ferroelectric materials with different crystal structures: LiNbO₃, Pb₅Ge₃O₁₁, and ErMnO₃. It is shown that, contrary to the common expectation that the domain walls should not exhibit any PFM response on the non-polar surface, an out-of-plane deformation of the crystal at the H-H and T-T domain walls occurs even in the absence of the out-of-plane polarization component due to a specific form of the piezoelectric tensor. In spite of their different symmetry, in all studied materials, the dominant contribution comes from the counteracting shear strains on both sides of the H-H and T-T domain walls. The finite element analysis approach that takes into account a contribution of all elements in the piezoelectric tensor, is applicable to any ferroelectric material and can be instrumental for getting a new insight into the coupling between the electromechanical and electronic properties of the charged ferroelectric domain walls.     

Fabrication of domain reversed gratings for SHG in LiNbO/sub 3/ by electron beam bombardment

A novel technique for the lithographic definition and the fabrication of domain reversed regions in LiNbO/sub 3/ is reported, with application to periodic structures for second harmonic generation (SHG). For the first time, to the authors' knowledge, domain reversal has been achieved on the negative c-face of the crystal. Such a structure should be useful for quasi-phase-matched SHG of infrared laser radiation.<>     

圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

W级中红外宽调谐光学参量振荡器的研究

报道了一个低阈值、宽调谐、中红外单谐振掺MgO的周期性极化LiNbO3(PPMgLN)晶体光学参量振荡器(OPO)。利用声光调Q的Nd:YVO4激光器作为泵浦源,采用外腔结构,在室温下实现了PPMgLN晶体的准相位匹配(QPM)OPO。OPO阈值仅为0.4 W(重复频率40 kHz,单脉冲能量10μJ,脉宽160 ns);在泵浦光为6.6W(重复频率40 kHz,脉冲能量165μJ,脉宽65 ns)、PPMgLN周期为30μm时,获得了1.13 W的3.61μm中红外脉冲激光输出,光-光转化效率达到17.1%,同时获得了880 mW的1.51μm信号光输出,并且通过改变晶体的周期,实现了闲频光3.13～4.19μm中红外宽带可调谐激光输出。重点讨论了闲频光的功率、调谐和脉冲特性以及功率稳定性问题。     

Fabrication of periodic domain grating in LiNbO/sub 3/ by electron beam writing for application of nonlinear optical processes

A novel technique for the fabrication of domain reversed gratings in LiNbO/sub 3/ by means of direct electron beam writing at room temperature without any static bias is reported. The domain grating has been achieved not only at the -c surface of the crystal, but also for the entire region of the crystal. Such a structure should be useful for various nonlinear optic applications. A preliminary study on the second harmonic generation has also been demonstrated under the quasi-phase matched condition with high efficiency.<>