晶体结构对Er/Yb共掺TiO2薄膜荧光光谱的影响
通过对不同退火温度下Er/ Yb 共掺TiO2 薄膜的结构和光致荧光光谱(PL) 的分析, 研究了退火处理所导致的晶体结构变化对薄膜荧光光谱的影响, 探讨了薄膜的结晶状态在Er3+ 激活、荧光光谱形状等方面的作用及可能的物理机制。研究结果表明: 退火处理所导致的Er3+ 的PL 的变化与薄膜的相结构之间有着密切的联系。退火温度低于700℃ 时的宽化谱和Er/Yb 共掺TiO2 薄膜的非晶结构有关, 多峰结构的PL 是Er3+ 在烧绿石相ErxYb2-xTi2O7中的典型特征。
Er3+ 内层4f 电子跃迁表现为1.53 um 波长的近红外发射, 对应于标准硅基光纤通讯的最低损耗窗口, 在光通讯领域占有举足轻重的地位, 掺Er 光纤放大器已经在通信系统中得到广泛应用。为了实现光通信中器件的集成化和小型化, 人们开始研究掺Er 光波导放大器。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为正是由于掺Er 平面光波导放大器的此优势使其在光电集成领域具有广泛的应用前景,促使作为发光层的掺Er 薄膜的研究再次升温。
为了满足掺Er 光波导放大器的尺寸要求, 需要尽可能提高Er 掺杂浓度以获得较大的光学增益。但过高的掺铒浓度使得Er3+ 离子间的距离变得很小, 从而发生离子之间的电偶极子相互作用, 这种电偶极子相互作用会在很大程度上降低Er3+ 的发射-吸收效率, 从而导致浓度淬灭发生。这时, Yb3+的掺入起到弥散的作用。Yb3+ 一方面抑制Er3+ 离子簇的形成, 另一方面为Er3+ 提供了一种有效的间接泵浦方式, 可显著提高对泵浦光的吸收效率。Er3+ 的4I 13/ 2 .4I 15/ 2发射由许多光谱谱线叠加而成,分别来自4I 13/ 2 Stark 劈裂能级向4I 15/ 2 多重态的跃迁。基质晶体场的变化, 会影响到Er3+ 的子能级分布, 从而影响到对应谱线的跃迁几率, 最终导致Er3+ 的荧光特性发生改变。
人们对Er/ Yb 共掺氧化物薄膜的基体材料进行了广泛研究, 如SiO2、富硅氧化硅( SRSO) 、Al2O3 以及ZnO 等。TiO2 作为Er 掺杂的基体材料在光电集成领域也有一定的应用前景, 这取决于它的高折射率( 锐钛矿结构n= 2.52, 金红石结构n= 2.76) 和低的声子能( < 700 cm- 1)。一方面, 高的折射率有利于光电集成器件的小型化。另一方面, TiO2 和SiO2 覆层( n= 1.45) 之间的高折射率对比, 有利于波导中光模的高约束。并且, TiO2 基质的宽带隙以及O 的存在有利于Er3+ 离子的光学跃迁。从现有文献报道来看, 有关掺Er-TiO2 用作光波导放大器光学薄膜的研究很少。
Ishii 等采用激光烧蚀方法制备了掺Er-TiO2薄膜, 研究了Er3+ 离子在锐钛矿(A) 和金红石( R) 基质中的原子构型。他们发现, 在A-TiO2 中Er 替代Ti 的位置造成O 不足和Er-O 键的不稳定, 而在RTiO2中则导致脱Ti 并且形成稳定的Er-O6 结构。
Ting 等采用So-l Gel 技术制备了Er/Y 和Er/Yb 共掺TiO2 薄膜, 获得的光致荧光光谱( PL) 谱强度比Er-Al 共掺杂SiO 系统高一个数量级, 半峰宽也加宽, 指出Yb 的掺入可使薄膜的荧光谱的谱宽通过非均匀宽化效应而加宽。尽管如此, 对掺Er 和Er/Yb 共掺TiO2 薄膜的研究仍然不够深入, 很少人关注相结构对掺Er-TiO2 薄膜PL 特性的影响。本文采用射频磁控溅射技术制备了Er/ Yb 共掺TiO2 薄膜,研究Er/ Yb 共掺TiO2 薄膜在不同退火温度下的结构和荧光特性, 探讨基质材料晶体结构对Er3+ 荧光光谱的影响。
本文研究了退火温度对Er/Yb 共掺TiO2 薄膜的相结构和PL 谱特征的影响, 结果表明PL 谱的退火行为取决于不同退火温度下Er/ Yb 共掺TiO2 薄膜的相结构。低于700 ℃ 时, 宽化谱特征和Er/ Yb共掺TiO2 薄膜的非晶结构有关, PL 谱的多峰结构是Er3+ 在烧绿石相ErxYb2- xTi2O7 中的典型特征。高Er/ Yb 掺杂浓度下Er/ Yb 共掺TiO2 薄膜的光致发光特征与低掺杂浓度下A-TiO2 或R-TiO2 中Er3+ 离子的PL 特性有所不同。
