ZnO薄膜中非线性的研究.ppt

ZnO薄膜中非线性的研究,Outline,实验构想实验过程结果分析实验总结,ZnO薄膜中具有很多非线性的性质，如在ZnO膜生长过程中，呈现出分形形貌；ZnO材料具有较大的二阶和三阶非线性系数，是很好的非线性光学材料。,分形理论是Mandelbrot在20世纪70年代提为表征复杂图形和复杂过程而提出的，分形具有自相似性和空间尺度的不变性。ZnO薄膜在生长过程中呈现分形生长，其表面形貌具有广义的自相似性。我们试想观察不同实验条件下其表面形貌，提出模型模拟其生长过程，并用分维表征其分形性质，验证模型的适用性。,美丽的分形图片,美丽的分形图形,Outline,实验构想实验过程结果分析实验总结,1.薄膜生长初期形貌研究,磁控溅射法，在Si和NaCl衬底上生长12.5nm的ZnO薄膜。由于没有现成NaCl晶体，我们预先在化学实验室用蒸发过饱和溶液法生长了NaCl晶体。XRD和SEM表征。,NaCl晶体的生长,2.退火温度对薄膜形貌的影响磁控溅射法，在Si衬底上生长200nm的ZnO薄膜共四组。分别进行不退火，350C退火，550C退火和750C退火。XRD和SEM表征。3.非线性光学性质的验证磁控溅射法，在玻璃衬底上镀膜200nm，通过Z扫描技术测得薄膜的透光率，测量其三阶非线性系数，验证其非线性光学特性。,Outline,实验构想实验过程结果分析实验总结,1.薄膜生长初期形貌研究,Si衬底XRD表征：,NaCl衬底XRD表征：,Si衬底：,SEM表征：,在一些区域，ZnO仍零星分布，未连接成片,棒状结构：,在ZnO较少的区域，晶体以棒状形貌存在：,在一些ZnO较多的区域，晶体已经初步连接成片，呈岛状生长：,积聚的ZnO晶体类似扩散受限聚集模型DLA：,NaCl衬底：,ZnO颗粒在NaCl表面散布，主要以小球状存在，一般为中心一颗粒较大小球和周围若干颗粒较小小球组成的小球组。,弹道沉积模型模拟ZnO溅射过程：在溅射过程中，粒子垂直撞击到表面上，但方位和方向有一定随机性，碰到衬底表面的聚集基团后由于热运动和粒子间的吸引力仍要运动一段时间，最终稳定在一个能量较小的位置，1+1维弹道沉积模型可以较好模拟这种过程。,由于粒子在入射过程中有一定几率以斜角度入射，从而形成斜柱状形貌，这也可以解释为什么有很多ZnO薄膜的XRD图像出现峰的偏移。,弹道沉积模型模拟的生长过程,在溅射的初期，由于初始粒子沉积位置有一定的随机性，随后溅射的粒子有被已聚集基团吸引的趋势，从而形成分立的聚集基团向上生长，随着薄膜逐渐变厚，这种分立性逐渐消失，从而形成连续的膜。（这也可以解释小球组现象）,小球组：,放大尺度来看，一些地方ZnO仍以小球组形态零散分布，而一些地方小球已经相连，形成长岛状结构，但这种岛状结构较Si衬底上的ZnO的岛状有明显的差异。,可以看到，Si衬底上形成的岛状边缘较为平滑，聚集面积较大，但方向性较弱；而NaCl衬底上的岛状边缘较尖锐，岛面积较小，但方向性更强。这是因为：从靶材溅落的原子在形成NaCl团簇后还要继续在衬底表面迁移，这种迁移受到衬底原子的束缚而停止。由于NaCl的晶格结构较为规则，对溅落原子的约束力较强，所以一般ZnO会沿一定方向生长，而Si的约束力较弱，ZnO较易沿不同方向生长。,XRD表征：,2.退火温度对薄膜形貌的影响,SEM表征：,350C退火：,550C退火：,750C退火：,颗粒大小的比较：,通过与标度尺比对，350C退火时颗粒大小约为25nm。,550C退火时其颗粒大小约为50nm,750C退火时颗粒大小约为150nm,我们将图像导入计算机，处理灰度后将其数值化，用加权盒计数法编程求其多重分形谱。,双对数图,从配分函数和度量尺度的双对数图可以看出在不同的尺度下各点线性关系较好，反映出图形具有尺度不变性，验证了ZnO薄膜的分形生长。由广义分形维度Dq=k(q)/(q-1),导入不同退火温度下ZnO的图像，计算其广义分形维度分别为：350C：7.1550C：6.5750C：3.1随着退火温度的升高，分形维度减小，这是因为在视场中ZnO颗粒为较亮部分，分形维度减小表征了ZnO颗粒增大，这与退火使薄膜颗粒增大的结论是一致的，至于维度的具体数值有一定的误差，因为某些地方亮部不是整个ZnO颗粒，某些地方暗部仍属于ZnO.,3.非线性光学性质的验证,我们采用Z扫描的方法研究氧化锌薄膜的非线性光学性质,得到在不同的z-point处激光通过薄膜后的透射率。由于实验时所用的激光器出现故障，功率不稳定，导致测出的结果不理想，不能利用该数据得到精确的非线性系数。就最终得到的实验数据来看，我们实现了定性地验证ZnO薄膜对透光率的非线性性质。,透射率曲线：,理论结果如下：,由于仪器的原因没能得到开口处峰的图像，但由闭口处谷的图像和理论图像相比符合较好，由透射率曲线我们可定性的看出ZnO薄膜的非线性光学特性。,Outline,实验构想实验过程结果分析实验总结,1.磁控溅射法生长较薄ZnO薄膜，观察了薄膜生长