铋层状Bi1.95La1.05TiNbO9铁电陶瓷的光学与电学性能研究

论文摘要

非线性光学材料在光开关、光限幅、光通讯以及光计算等领域具有重要的应用前景,因而引起了人们广泛的研究,并取得了许多引人注目的成绩。一直以来,三阶非线性光学材料的研究所涉及的材料主要有有机材料、金属纳米颗粒、无机半导体、非线性晶体等方面,但大多数材料具有较大的非线性折射系数,非线性吸收或者多光子吸收,响应速度慢。而铁电陶瓷由于具有一系列新的独特的优点而渐受关注,这种铁电陶瓷材料不仅具有良好的非线性光学性质,而且具有铁电性能和荧光性能。是一种新型光电材料,近年来成为了国际前沿研究课题的热点非线性光学材料之一。但这类材料研究时间还较短,薄膜制备的条件对性能的影响很大,还有很多新的现象和规律有待于深入研究。本文自行制备了铋层状铁电陶瓷Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜材料,对其非线性光学性质、光致发光及铁电性能进行了深入研究,主要工作如下:第一,铋层状铁电陶瓷Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜材料的制备与结构表征利用脉冲激光沉积（PLD）技术分别在石英衬底、Pt（111）/Ti/SiO2/Si衬底上制备了铋层状铁电陶瓷Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜,并利用XRD衍射谱、吸收光谱、原子力显微镜等对其进行了结构等相关表征。第二,Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜/石英衬底的线性和非线性光学性能研究利用Z扫描扫描技术,研究了不同制备条件下Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜/石英衬底的线性和非线性光学特性,分析了不同沉积时间、不同微观形貌对材料的非线性光学性能的影响,揭示了其内在规律。得到了沉积45 min的薄膜的非线性性能最好,其光学三阶非线性的实部和虚部分别为9.56×10-9和-3.67×10-9,非线性折射系数为7.21×10-15,三阶极化率为1.02×10-8,Z扫描的结果显示了Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜在非线性光学方面有潜在的应用（该部分工作发表在《Journal of Materials Research》, May 14, 2011, 26（9） 1159-1163）。第三,Bi1.95La1.05TiNbO9薄膜/Pt（111）/Ti/SiO2/Si衬底的荧光和铁电性能研究系统研究了在不同退火温度下Bi1.95La1.05TiNbO9沉积在铂金衬底上的薄膜的光致发光特性和铁电性能。结果表明,随着退火温度的升高,该样品的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移,并且随着退火温度的升高粒径变大,铁电性能得到较大改善。在650, 700和750oC下的二倍极化强度和二倍矫顽场分别为25.49, 38.2, 44.57μC/cm2和421.2, 376.4, 338.5 kV/cm。（该部分工作文稿已投）本论文通过对Bi1.95La1.05TiNbO9铁电陶瓷材料的制备制备、结构和三阶非线性光学性能表征,发现沉积30、60 min的薄膜厚度要么太薄要么太厚,不符合z扫描的远场条件,其中沉积45 min的时间为最佳时间。另外我们还讨论了在不同温度下沉积在铂金衬底上的荧光和铁电性能,发现在750 oC荧光和铁电性能较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三阶非线性光学材料研究进展
• 1.1.1 铋系层非线性光学材料的研究进展
• 1.2 铋系层铁电材料概述
• 1.2.1 铋层状铁电晶体结构
• 1.3 铋系层铁电陶瓷掺杂改性性能优化研究进展
• 1.3.1 A 位取代或掺杂改性
• 1.3.2 B 位取代或掺杂改性
• 1.3.3 A B 位掺杂改性
• 1.4 铋系层钙钛矿结构铁电陶瓷粉体的制备方法
• 1.4.1 铁电陶瓷粉体的物理制备方法
• 1.4.2 铁电陶瓷粉体的化学制备方法
• 1.5 BLTN 铁电陶瓷薄膜的制备
• 1.5.1 溅射法
• 1.5.2 分子束外延
• 1.5.3 金属有机化合物气相沉积法[75]（MOCVD）
• 1.5.4 金属有机热分解法（MOD）
• 1.5.5 溶胶－凝胶法
• 1.5.6 真空蒸发
• 1.5.7 喷雾热解法（Spray Pyrolysis）
• 1.5.8 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.6 本论文研究目标、思路、主要内容及意义
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究思路
• 1.6.3 主要内容
• 1.6.4 意义
• 参考文献
• 1.95La_1.05TINBO₉ 薄膜的光学性能的研究和表征'>第二章 Bi_1.95La_1.05TINBO₉薄膜的光学性能的研究和表征
• 2.1 引言
• 2.2 非线性光学概述
• 2.2.1 三阶非线性基本原理
• 2.2.2 非线性光学的应用和发展
• 2.3 单光束纵向Z 扫描技术
• 2.3.1 Z 扫描技术的原理
• 2.3.2 Z 扫描技术的理论计算
• 2 的计算'>2.3.3 非线性折射率n₂的计算
• 2.3.4 非线性吸收系数β的计算
• （3）的计算'>2.3.5 三阶非线性极化率χ^（3）的计算
• 1.95La_1.05TINBO₉ 铁电薄膜的制备'>2.4 Bi_1.95La_1.05TINBO₉铁电薄膜的制备
• 2.5 样品的表征手段
• 2.5.1 X 射线衍射仪（XRD）
• 2.5.2 拉曼光谱仪（Raman, Renishaw1000）
• 2.5.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.5.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.5 紫外-近红外分光光度计
• 2.5.6 锁模Nd:YAG（Continuum PY61-10）激光器
• 2.6 结果与讨论
• 1.95La_1.05TiNbO₉ 铁电薄膜的XRD 分析'>2.6.1 Bi_1.95La_1.05TiNbO₉ 铁电薄膜的XRD 分析
• 1.95La_1.05TiNbO₉ 铁电薄膜的拉曼谱'>2.6.2 Bi_1.95La_1.05TiNbO₉铁电薄膜的拉曼谱
• 1.95La_1.05TiNbO₉ 铁电薄膜的表面形貌和断面'>2.6.3 Bi_1.95La_1.05TiNbO₉铁电薄膜的表面形貌和断面
• 1.95La_1.05TiNbO₉ 铁电薄膜的透过谱'>2.6.4 Bi_1.95La_1.05TiNbO₉铁电薄膜的透过谱
• 2.6.5 BLTN45 的Z 扫描曲线
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 1.95La_1.05TINBO₉ 薄膜在铂金衬底上的制备、光致发光和铁电性能的研究'>第三章 Bi_1.95La_1.05TINBO₉薄膜在铂金衬底上的制备、光致发光和铁电性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光致发光
• 3.3 铋层状结构材料的铁电性
• 3.3.1 极化反转与电滞回线
• 1.95La_1.05TINBO₉ 铁电薄膜的制备'>3.4 铂金衬底上Bi_1.95La_1.05TINBO₉铁电薄膜的制备
• 3.5 样品的表征手段
• 3.5.1 X 射线衍射仪（XRD）
• 3.5.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.5.3 荧光光谱仪
• 3.5.4 铁电测试仪
• 1.95La_1.05TINBO₉ 薄膜的结构分析'>3.6 Bi_1.95La_1.05TINBO₉薄膜的结构分析
• 3.6.1 退火温度对BLTN 薄膜的影响
• 3.6.2 退火温度对BLTN 薄膜拉曼谱的影响
• 1.95La_1.05TINBO₉ 薄膜的形貌分析'>3.7 Bi_1.95La_1.05TINBO₉薄膜的形貌分析
• 3.8 光致发光性分析
• 3.9 铁电性分析
• 3.9.1 不同退火温度的电滞回线
• 3.9.2 750 oC 下退火的不同电场的电滞回线
• 3.10 本章小结
• 参考文献
• 第四章 工作总结
• 攻读硕士学位期间发表论文的目录
• 致谢