一種在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法，用于制備優(yōu)良的鐵電晶體材料（包括LiNbO3、摻MgOLiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4等）周期性疇反轉光柵。該發(fā)明是基于一系列的電極結構制作處理方法，包括在鐵電晶體材料+z面上制作出梳狀光柵電極、-z面上制作金屬電極、制作+z面除電極外其他區(qū)域的選擇性質(zhì)子交換層以及覆蓋在該交換層上的絕緣介質(zhì)層，通過本發(fā)明可以獲得在極化過程中有效地壓制反轉疇域側向生長的方法，解決了利用外加脈沖電壓方法制作超短周期的周期性極化晶體材料（PPXX）時所遇到的疇域合并的難題，實現(xiàn)了對大厚度（大于1mm）短周期（小于6μm）鐵電晶體材料的周期性極化，最后結果表明利用該方法所制作的周期性疇反轉光柵的垂直性優(yōu)越。
【專利說明】—種在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到在大厚度短周期鐵電晶體材料中進行疇反轉光柵制作【技術領域】，提出了一種可以在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法。
【背景技術】
[0002]準相位匹配(QPM)技術是非線性光學中的一種重要的相位匹配技術。它具有很多的技術優(yōu)勢，其制作的周期性反轉鐵電晶體材料是光頻率轉換、光參量轉換領域的重要材料，特別是具備鐵電疇反轉光柵的準相位匹配倍頻晶體器件被認為是獲得高強度藍光的重要方法。
[0003]因為在高溫下，特別是接近居里溫度時，鐵電晶體材料的反轉疇會重新倒轉，導致其反轉光柵的制作優(yōu)良性，所以疇反轉光柵的制作方法逐漸向常溫下制作方式發(fā)展。在常溫下塊狀準相位匹配晶體制作有電子束直接寫入法和外加電場控制法。用這些方法制作出大厚度短周期的周期性反轉鐵電晶體是目前國內(nèi)外在此領域的技術難題。
[0004]在鐵電非線性光學晶體中施加脈沖電壓進行準相位匹配疇反轉光柵的制作是目前常用的一種制作方法。在目前的這些準相位匹配周期性疇反轉鐵電晶體中，PPLN是一種常用的高品質(zhì)材料，其非線性系數(shù)大，可在較短的光程下得到較大的非線性頻率轉換。利用外加脈沖電壓制作PPLN等光學超晶格介質(zhì)，特別是大厚度短周期的疇反轉光柵，常常由于制作晶體材料本身的均勻性、極化電極結構以及電壓施加裝置的限制等等因素，所產(chǎn)生的疇反轉光柵容易發(fā)生反轉疇域合并，這無疑影響了周期性鐵電晶體材料的品質(zhì)。質(zhì)子交換是將鐵電晶體材料浸在一個高溫的質(zhì)子交換源中。晶體中的一部分離子(如Li離子)交換質(zhì)子產(chǎn)生一薄PE層，形成類似HxLihNbO3的物質(zhì)(X:交換比率)，從而減弱了介電常數(shù)。因此我們通過一種提出在正ζ面進行選擇性質(zhì)子交換以壓制反轉疇域側向生長的方法解決此類完美占空比周期性反轉晶體材料的制作困難問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了完成大厚度短周期反轉疇制作中容易發(fā)生疇域合并等問題，以實現(xiàn)在鐵電晶體材料中制作疇反轉光柵的目的，本專利提供一種極化電極結構制作方法。該方法主要是對鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進行減弱，以降低反轉疇側向生長的速度，從而達到壓制反轉疇側向生長的目的。
[0006]為解決上述技術問題，本專利提供了一種在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法。其步驟如下:
1)首先在對鐵電晶體材料的+Z面上通過鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結構；
2)然后壓制反轉疇域側向生長的方法是通過在鐵電晶體材料的+ζ面上，采用質(zhì)子交換的制作方法來實現(xiàn)一層選擇性質(zhì)子交換層，它改變了晶體的介電常數(shù)，所以可以有效地遏制反轉疇側向生長的速度，從而有效地避免鐵電晶體極化過程中疇域側向生長所導致的過快閉合；
3)接著再通過在+ζ面空白處覆蓋上絕緣介質(zhì)層，該步驟的制作方法是通過化學沉積(或噴涂)、光刻和腐蝕的工藝方法實現(xiàn)，一方面也可有效地降低介電常數(shù)，另一方面保護晶體表面的潔凈度，防止尖端放電所導致的極化反轉疇生長的不均勻；
4)最后再在-ζ面上鍍上所需的電極材料金屬，然后將其放至極化裝置中進行鐵電晶體材料的極化。
[0007]進一步地，本技術方案所述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結構的鐵電晶體材料放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進行質(zhì)子交換，以降低+ζ面中Li離子的個數(shù)，達到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉疇側向生長速度。
[0008]進一步地，本技術方案所述的覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層，包括覆蓋適當折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油。覆蓋的厚度為200-1000nm。
[0009]進一步地，本技術方案所述的富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸等。
[0010]進一步地，本技術方案所述的鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰MgO-LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴散鈮酸鋰Nd3+= LiNbO3、Er3+擴散鈮酸鋰Er3+:LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或硝酸鉀 KNO3。
[0011]進一步地，本技術方案所述的一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結構，其特征包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，具體形狀如圖2所示。主干電極部分電極寬度為f 4mm，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.0Of0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實際需要進行設置。
[0012]進一步地，本技術方案所述的鐵電晶體+ζ和-ζ面上的金屬極化電極結構，其特征在于:所描述的極化電極結構所采用的電極材料包括Al電極、Cr電極、Au電極以及其他合金材料的電極，電極的厚度約為2(T80nm。
[0013]進一步地，本技術方案中所述的鐵電晶體+ζ面上的金屬極化電極結構，其特征在于:所描述的極化電極結構在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
[0014]本專利解決其技術問題所采取的技術方案是在正面(+Z面)對電極結構外的鐵電晶體材料進行選擇性質(zhì)子交換，晶體中的一部分離子(如Li離子)交換質(zhì)子產(chǎn)生一薄PE層，形成類似HxLUbO3的物質(zhì)(X:交換比率)，從而減弱了介電常數(shù)，這樣使得反轉疇在側邊上的生長得到有效的壓制，參考文獻見Kiminori Mizuuchi and KazuhisaYamamoto, Appl.Phys.Lett.66 (22), 29 May 1995 ;并對在正面(+ζ面)除電極結構外的鐵電晶體材料覆蓋上SiO2等絕緣性掩膜層，以解決在反轉過程中由于微小放電造成不必要的隨機疇反轉。根據(jù)上述方案可以有效地控制極化過程中反轉疇側向的過快生長。
[0015]本專利的有益結果是，采用鐵電材料極化電極結構制作方法，用于鐵電晶體材料的疇反轉光柵制作，可以有效地控制極化過程中反轉疇側向的過快生長，從而更容易得到完美占空比的周期性極化晶體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明所述的在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法的具體步驟圖；
圖2是本發(fā)明所提出的電極結構平視圖；
圖3是本發(fā)明所提出的電極結構俯視圖；
圖4是本發(fā)明所采用的電壓施加方式圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0018]實施例:
本實例中，通過此種極化獲得周期為5.3 μ m，厚度為1_的周期性極化鈮酸鋰晶體，應用于488nm藍光輸出。具體實施步驟如下:
在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法，該方法主要是對鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進行減弱，以降低反轉疇側向生長的速度，從而達到壓制反轉疇側向生長的目的。其制作的步驟如下:
首先在鐵電晶體材料I的+ζ面2上通過鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結構4 (如圖2所示)，在-ζ面6也鍍上相同條件的金屬膜；
然后，將晶體表面清洗干凈，然后放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，質(zhì)子源溫度為200°C，放置時間約為150分鐘，可以得到選擇性質(zhì)子交換層3 ;取出后，將其清洗干凈；
接著，在+ζ面2上覆蓋上一層SiO2或其他相似絕緣掩膜層5，厚度為200-1000nm。經(jīng)過處理，露出主干電極部分，以便用于外加脈沖電壓的施加；其中+ζ面2的電極41作為正電極，電極42接地，-ζ面6上的金屬膜7作為負電極；
最后將其用于鐵電晶體的極化裝置中進行極化，如圖4所示，圖中9為放大器，8為反轉疇生長模型，10為接地線。
[0019]所描述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結構的鐵電晶體材料I放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進行質(zhì)子交換，以降低+ζ面2中Li離子的個數(shù)，達到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉疇側向生長速度。
[0020]質(zhì)子交換過程的制作時間，一般根據(jù)鐵電晶體材料的不同，時間在20到250分鐘之間。
[0021]覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層5，為覆蓋適當折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆蓋的厚度為200-1000nm。
[0022]鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料I為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰Mg0-LiNb03、鉭酸鋰 LiTaO3、磷酸氧鈦鉀 KTiOPO4 (KTP)、NcT 擴散鈮酸鋰 Nd3+:LiNb03、Er3+擴散鈮酸鋰 Er3+= LiNbO3、砷酸鈦氧銣 RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇 Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂BaMgF4或者硝酸鉀KNO3。
[0023]富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
[0024]一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結構4包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，主干電極部分電極寬度為1~4_，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.001-0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實際需要進行設置。
[0025]鐵電晶體+ζ面2和-ζ面6上的金屬極化電極結構所采用的電極材料為Al電極、Cr電極或者Au電極，電極的厚度約為2(T80nm。
[0026]鐵電晶體+ζ面2上的金屬極化電極結構4在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
[0027]本實例中的電極是根據(jù)在鐵電晶體中的疇生長規(guī)律以及實驗所需而定。
[0028]以上以用于488nm藍光輸出的周期性極化晶體的電極結構制作方法為例說明了本發(fā)明的基本思想，顯然本發(fā)明還可以用于其它周期性極化晶體的制作。所以本實例并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法，該方法主要是對鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進行減弱，以降低反轉疇側向生長的速度，從而達到壓制反轉疇側向生長的目的其制作的步驟如下: 1)首先在對鐵電晶體材料的+Z面上通過鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結構； 2)然后壓制反轉疇域側 向生長的方法是通過在鐵電晶體材料的+ζ面上，采用質(zhì)子交換的制作方法來實現(xiàn)一層選擇性質(zhì)子交換層，它改變了晶體的介電常數(shù)； 3)接著再通過在+z面空白處覆蓋上絕緣介質(zhì)層，該步驟的制作方法是通過化學沉積(或噴涂)、光刻和腐蝕的工藝方法實現(xiàn)； 4)最后再在-z面上鍍上所需的電極材料金屬，然后將其放至極化裝置中進行鐵電晶體材料的極化。
2.根據(jù)權利I所述的在鐵電晶體材料極化過程中壓制反轉疇域側向生長的電極結構制作方法，其特征包括所描述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結構的鐵電晶體材料放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進行質(zhì)子交換，以降低+z面中Li離子的個數(shù)，達到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉疇側向生長速度。
3.根據(jù)權利I和權利2所述的質(zhì)子交換過程的制作時間，一般根據(jù)鐵電晶體材料的不同，時間在20到250分鐘之間。
4.根據(jù)權利1所述的覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層，包括覆蓋適當折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆蓋的厚度為200-1000nm。
5.根據(jù)權利I所述的鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNb03、摻MgO鈮酸鋰Mg0-LiNb03、鉭酸鋰LiTa03、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴散鈮酸鋰Nd3+:LiNb03、Er3+擴散鈮酸鋰Er3+= LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或者硝酸鉀 KNO3。
6.根據(jù)權利2所述的富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
7.根據(jù)權利1所述的一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結構，其特征在于，包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，主干電極部分電極寬度為1~4_，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.01-0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實際需要進行設置。
8.根據(jù)權利5所述的鐵電晶體+ζ和-ζ面上的金屬極化電極結構，其特征在于:所描述的極化電極結構所采用的電極材料包括Al電極、Cr電極、Au電極以及其他合金材料的電極，電極的厚度約為20-80nm。
9.根據(jù)權利5所述的鐵電晶體+ζ面上的金屬極化電極結構，其特征在于:所描述的極化電極結構在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
【文檔編號】G02F1/355GK103901698SQ201410068517
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權日:2014年2月27日
【發(fā)明者】梁萬國, 陳懷熹, 宋國才 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結構研究所