[發(fā)明專利]鈮酸鋰薄膜納米級周期性極化的方法

在審

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• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107561817A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁婷婷;鄭遠(yuǎn)林;陳險峰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G02F1/355
• 分類號: G02F1/355;G03F7/00
• 代理公司: 上海交達專利事務(wù)所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種光電子、光通信領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種利用納米壓印制作電極實現(xiàn)鈮酸鋰薄膜納米級周期性極化的方法。

背景技術(shù)

鈮酸鋰單晶薄膜在集成非線性光學(xué)及器件中同樣有著重要的應(yīng)用。目前已經(jīng)有多種技術(shù)可以在鈮酸鋰單晶薄膜上實現(xiàn)鐵電疇反轉(zhuǎn)，例如電場極化法、飛秒激光誘導(dǎo)、AFM電極化以及電子束直寫等方法。飛秒激光誘導(dǎo)、AFM電極化以及電子束直寫技術(shù)可以制備微米以及納米級疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。通過逐點掃描可制備復(fù)雜的極化圖樣，但是制備結(jié)構(gòu)的速度卻有限。制備大面積結(jié)構(gòu)存在耗費時間長、均勻性差的劣勢，不適宜于制備大面積的極化結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的電極化實現(xiàn)疇反轉(zhuǎn)卻有很多優(yōu)點：周期可以做到很小，能在室溫進行且重復(fù)性很好。室溫電場極化法已經(jīng)相當(dāng)成熟，這也是商用周期性極化晶體制備時采用的技術(shù)。但受展寬效應(yīng)的限制，利用電場極化法還只能制備大周期的疇結(jié)構(gòu)，很難直接制備納米級疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)極化方法主要受限于極化梳狀電極的制備方法以及鈮酸鋰晶體厚度的限制。制備亞微米疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)需要深紫外光刻或者電子束光刻技術(shù)來制備納米梳狀電極，而這種方法具有成本高、程序復(fù)雜、耗時長等缺點。在對毫米厚的鈮酸鋰晶體進行極化時，由于反轉(zhuǎn)疇在向背面生長過程中的橫向展寬效應(yīng)，小周期反轉(zhuǎn)疇制作過程中容易產(chǎn)生相鄰反轉(zhuǎn)疇合并等問題。所能實現(xiàn)的最小極化周期也一般為3μm左右。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)極化周期無法達到納米級的缺陷，提出一種鈮酸鋰薄膜納米級周期性極化的方法，在鈮酸鋰單晶薄膜上利用納米壓印制作梳狀電極，再通過外加電場極化法進行周期性電極化，可制備納米級周期性極化鈮酸鋰單晶薄膜。由于電極寬度以及鈮酸鋰晶體厚度都在納米尺度，可避免極化時疇生長過程中的橫向展寬效應(yīng)，并能在幾百納米厚的鈮酸鋰薄膜上直接制備納米級周期性極化結(jié)構(gòu)，且所需的極化電壓很小。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明首先在鈮酸鋰單晶薄膜樣品表面甩膠后模壓得到納米梳狀結(jié)構(gòu)，然后在納米梳狀結(jié)構(gòu)上鍍制金屬膜層作為頂電極，再通過鈮酸鋰單晶薄膜樣品中的導(dǎo)電電極層和頂電極進行極化處理，最后通過去除甩膠和導(dǎo)電電極層，得到周期性極化鈮酸鋰薄膜。

所述的鈮酸鋰單晶薄膜樣品包括鈮酸鋰襯底以及依次設(shè)置于其上的二氧化硅層、導(dǎo)電電極層和鈮酸鋰單晶薄膜層，其中：鈮酸鋰單晶薄膜層通過離子注入技術(shù)與直接鍵合技術(shù)相結(jié)合得到，厚度為百納米級。

所述的導(dǎo)電電極層為金、鉑金或其它金屬制成。

所述的甩膠，旋涂材料不限于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMA、光刻膠等，優(yōu)選為在鈮酸鋰單晶薄膜樣品上旋涂一層PMMA溶液。

所述的模壓是指，在甩膠固化前，將納米尺度電極的模具壓在上面，并在低壓環(huán)境下施加壓力，使得甩膠填充模具中的空腔；壓模過程結(jié)束后固化形成具有與模具重合的圖形并移去模具。

所述的模具，其圖案優(yōu)選為納米梳狀結(jié)構(gòu)，

所述的鍍制，采用但不限于蒸鍍或磁控濺射，鍍制的金屬膜的厚度大于壓印納米梳狀結(jié)構(gòu)中的刻槽的深度，從而得到大面積梳齒規(guī)則的納米電極。

所述的金屬膜采用但不限于金、銀、鉻等導(dǎo)電性好且易于鍍膜的材料。

所述的極化處理是指，在鈮酸鋰單晶薄膜樣品的鈮酸鋰襯底上設(shè)置接地電極，在頂電極與接地電極之間施加極化電脈沖信號，該極化電脈沖信號所產(chǎn)生的極化電場方向與鈮酸鋰疇的自發(fā)極化相反。

因為鈮酸鋰薄膜厚度在幾百納米情況下，根據(jù)鈮酸鋰晶體矯頑場21kV/mm，外加電場極化電壓很低，不會大于空氣擊穿電壓，解決了隔離空氣的難題。當(dāng)外加電場極化大于鈮酸鋰晶體的矯頑場時，會實現(xiàn)鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。而且電極寬度以及鈮酸鋰晶體厚度都在納米尺度，可避免極化時疇生長過程中的橫向展寬效應(yīng)。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過納米壓印方法在鈮酸鋰薄膜上制備微納米電極，進而通過外加電場實現(xiàn)鈮酸鋰薄膜疇結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。制備的極化周期為亞微米或百納米級，且適宜于制備大面積疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。所利用的納米梳狀電極制備簡單。通過納米壓印方法在鈮酸鋰薄膜上制備納米梳狀電極，是一種簡單有效且產(chǎn)率高的方法。外加電場極化電壓很低，解決了隔離空氣的難題，簡化了極化裝置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的利用納米壓印制作電極實現(xiàn)鈮酸鋰單晶薄膜周期性極化的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的鈮酸鋰單晶薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施步驟的流程圖。