1、Material Sciences 材料科學, 2012, 2, 42-46doi:10.4236/ms.2012.21007 Published Online January 2012 (/journal/msStudy on the Process of Nd:Y3Al 5O 12 Thin Films byEvaporation DepositionQun Zeng1, Yongheng Zhou1, Hao Ren1,2, Songhao Liu11Laboratory of Nanophotonic Functional Materials

2、and Devices, School for Information and Optoelectronic Science and Engineering,South China Normal University, Guangzhou2Guangzhou Research Institute of Optics-Mechanics-Electricity Technology, GuangzhouEmail: qunzengReceived: Nov. 21st, 2011; revised: Dec. 19th, 2011; accepted: Dec. 23rd, 2011.Abstr

3、act: Nd:YAG thin films have been prepared by electron beam evaporation deposition in the study. The influences of different substrates, different coating materials and annealing temperatures on the structures of Nd:YAG thin films were investigated with XRD and SEM. Also, the optical properties of Nd

4、:YAG thin films were characterized by spec-trophotometer. The Nd:YAG thin films deposited on Si from Nd:YAG powder blocks have single YAG crystal structure after annealing at 1100C. And the grains of the thin film are uniform and fine. In addition, the photoluminescence spectra of Nd:YAG thin films

5、were measured at room temperature, and photoluminescence spectrum in the region of 1064 nm peak was detected.Keywords: Electron Beam Evaporation Deposition; Nd:YAG Thin Film真空蒸鍍Nd:YAG薄膜的工藝研究曾 群1，周永恒1，任 豪1,2，劉頌豪11華南師范大學，信息光電子科技學院，廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣州2廣州市光機電技術(shù)研究院，廣州 Email: qunzeng收稿日期：2011年11月21日；修回

6、日期：2011年12月19日；錄用日期：2011年12月23日摘 要：本文采用真空電子束蒸發(fā)鍍膜工藝制備Nd:YAG薄膜，結(jié)合XRD 、SEM 等手段分析研究不同襯底材料、鍍膜材料以及退火溫度對薄膜材料結(jié)構(gòu)的影響，并分析測試了Nd:YAG薄膜的光致發(fā)光特性。鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊，Si 片上沉積的Nd:YAG薄膜材料，經(jīng)1100C 退火后，具有單一YAG 晶相結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)晶晶粒均勻細小，并在室溫下測試獲得1064 nm主熒光峰的寬帶熒光光譜。關(guān)鍵詞：電子束蒸發(fā)；Nd:YAG薄膜1. 引言在薄膜材料的制備中，常見的沉積方法有：熱蒸發(fā)(Thermal Evaporation、電子束蒸發(fā)(EB

7、E，E-Beam Evaporation 、脈沖激光沉積(PLD，Pulsed Laser Deposition 、磁控濺射(Magnetron Sputtering、分子束外延(MBE，Molecular-Beam Epitaxy、化學氣相沉積(CVD，Chemical Vapor Deposition等1-4。其中的電子束方法因其薄膜沉積均勻、蒸發(fā)速率和薄膜膜厚容易控制、成膜面積大、成本適中等特點，在超導薄膜5、多層金屬/合金巨磁阻薄膜、納米薄膜、超晶格薄膜等得到了人們的普遍關(guān)注。電子束蒸發(fā)系統(tǒng)一般由真空腔體、電子槍、坩堝、膜厚監(jiān)控和系統(tǒng)控制單元構(gòu)成，利用電子束的能量熔Copyright

8、© 2012 Hanspub42化蒸發(fā)源成為蒸汽后沉積到襯底上。早在二十世紀初人們就發(fā)現(xiàn)在真空中聚焦陰極射線(電子 可熔解難熔材料6。1933年Brain 和Skinner 利用加速電子加熱石墨坩堝進行材料蒸發(fā)7，隨后人們發(fā)明了很多電子束技術(shù)，電子束蒸發(fā)薄膜制備得到了快速發(fā)展。我們知道，釔鋁石榴石(Y3Al 5O 12，簡稱YAG 是一種重要的無機非金屬功能材料，也是一種優(yōu)質(zhì)的固體激光基質(zhì)材料。金屬離子對YAG 的摻雜，例如Nd 摻雜YAG(Nd3+:Y3Al 5O 12 是目前綜合性能最優(yōu)，應(yīng)用最廣泛的激光工作物質(zhì)。YAG 基固體激光工作物質(zhì)主要包括晶體、透明陶瓷等不同的固體形態(tài)，

9、但晶體、透明陶瓷等無法滿足集成光學、光電集成等領(lǐng)域的發(fā)展要求，存在尺寸、加工等方面的困難，而YAG 基薄膜目前已廣泛用在光平面波導、帶波導結(jié)構(gòu)的激光晶體和波導激光器等8,9。本文則采用真空電子束蒸發(fā)制備Nd:YAG薄膜，并研究了不同鍍膜材料和退火溫度對薄膜材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。2. 實驗制備方法制備Nd:YAG薄膜材料，使用了兩種襯底材料：拋光的熔融石英片以及單面拋光、(100取向的P 型單晶Si 片。襯底材料使用前，用丙酮、乙醇及去離子水進行超聲波清洗，將清洗的襯底基片放置在坩堝正上方的工件架上，并調(diào)節(jié)襯底基片與坩堝的距離為55 cm 。YAG 薄膜利用電子束蒸發(fā)沉積在石英玻璃或者Si 片上

10、，蒸發(fā)材料有三種： 1 Nd:YAG粉體壓制成的塊體，2 Nd:YAG單晶材料，3 Nd:YAG陶瓷材料。第一種鍍膜材料，采用購買的商業(yè)高純Nd:YAG粉體壓制成塊體；第二種鍍膜材料為商業(yè)化的Nd:YAG單晶；第三種鍍膜材料，則為通過傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝制備獲得：選用高純Y 2O 3、Al 2O 3、Nd 2O 3粉體材料，按照所需要制備的濃度的Nd:YAG的組成配方，使用精密電子天平精確稱量各化學原料粉體，然后放入球磨罐中球磨混合，球磨后的料漿放入干燥箱在120C 下，干燥24小時；干燥后的粉體，用鋼模壓制成圓片，再在200 MPa的壓強下進行冷等靜壓。壓制的素坯在真空鎢絲爐中1750C 燒結(jié)

11、10小時，制備獲得Nd:YAG陶瓷材料，陶瓷材料的XRD 圖譜見圖1。由圖1可見陶瓷片呈現(xiàn)單一的YAG 相。采用WTX1100-2DS-1型電子束蒸發(fā)鍍膜機，電子槍最大功率6000 W，E 型電子槍產(chǎn)生電子束打在放置在坩堝內(nèi)的Nd:YAG膜料上，使膜料加熱蒸發(fā)，在襯底上形成Nd:YAG薄膜。通過對比實驗優(yōu)化鍍膜工藝。鍍膜時，首先將電子束蒸發(fā)沉積裝置的真空腔抽成高真空，真空度達到5 × 103 Pa，然后充入氧氣至2 × 102 Pa，對襯底基片進行200C 加熱預(yù)烘烤15分鐘，并保持襯底基片的溫度。開啟電子槍產(chǎn)生電子束，聚焦射入放置在坩堝內(nèi)的摻釹釔鋁石榴石基膜料坯體中，采用

12、電子束圓形自動掃描加熱預(yù)熔燒結(jié)摻釹釔鋁石榴石基膜料坯體，電子槍功率1000 W，預(yù)熔燒結(jié)20分鐘；隨后，加大電子槍功率至1500 W，聚焦電子束直接射入進一步加熱坯體，使其熔融并蒸發(fā)在襯底上沉積形成摻釹釔鋁石榴石基薄膜。鍍膜后，采用國產(chǎn)定制的高真空高溫加熱設(shè)備，在5 × 103 Pa真空條件下，對制備在襯底上的Nd:YAG薄膜樣品進行700C1100C 高溫退火處理1小時。采用日本HITACHI 公司S-3400N 掃描電鏡測試Nd:YAG薄膜的表面形貌，采用荷蘭PANalytical 公司XPert Pro型 X 射線衍射儀(輻射源為Cu 靶K ，40 KV ，40 mA， = 0

13、.15406 nm，掃描范圍為1060 進行Nd:YAG薄膜的物相分析，采用鈦藍寶石激光器作為激發(fā)光源，發(fā)射波長調(diào)至808 nm，液氮冷卻的 Figure 1. The XRD patterns of Nd:YAG ceramics sintered at1750C圖1. 1750C 燒結(jié)獲得的Nd:YAG陶瓷材料的XRD 圖譜Copyright © 2012 Hanspub43InGaAs 陳列探測器測試Nd:YAG薄膜室溫下的熒光光譜。3. 結(jié)果與討論3.1. 襯底不同時Nd:YAG薄膜的X 射線衍射分析圖2為以石英玻璃為襯底材料、經(jīng)1100C 退火的Nd:YAG薄膜材料的X 射

14、線衍射圖譜。由圖可看到，石英玻璃片上沉積Nd:YAG薄膜的效果不理想，無明顯晶相結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這可能是由于膜在基體上的附著能力不強，退火過程中膜脫落而造成的。圖3為經(jīng)1000C 退火、在單晶Si 片上沉積的Nd: YAG 薄膜材料的X 射線衍射圖譜。由圖可看到，單晶Si 片上沉積的Nd:YAG薄膜呈現(xiàn)YAG 晶相結(jié)構(gòu)，薄膜材料呈現(xiàn)多晶狀態(tài)。3.2. 鍍膜材料不同時Nd:YAG薄膜的XRD 分析圖4示出了鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊體，經(jīng)1100C 退火，沉積在Si 片上Nd:YAG薄膜的XRD 圖譜。由圖可看到，薄膜形成純YAG 相；并呈(420取向生長，薄膜有效結(jié)晶、質(zhì)量良好。圖5、圖6分別為鍍

15、膜材料為Nd:YAG陶瓷塊、單晶，經(jīng)1100C 退火、Si 片上Nd:YAG薄膜的XRD 圖譜。由圖可看到，薄膜材料呈現(xiàn)YAG 晶相結(jié)構(gòu)，且呈現(xiàn)多種取向共同生長的結(jié)構(gòu)。3.3. 退火溫度對Nd:YAG薄膜晶相結(jié)構(gòu)的影響圖7為鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊，沉積在Si 片上的Nd ：YAG 薄膜經(jīng)不同溫度a 700C ；b 1000C ； c 1100C 退火后的XRD 圖譜。由圖可見，隨著溫度的升高，薄膜的取向性越好。3.4. 薄膜表面形貌的觀察利用SEM 觀察了鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊，沉積在硅片的Nd:YAG薄膜材料的表面形貌(退火溫度為1100C ，如圖8所示。由圖可以看出薄膜的表面較

16、為光滑，制備的薄膜較平坦，結(jié)晶晶粒均勻細小。3.5. 薄膜的熒光光譜測試室溫下，鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊、沉積在硅102030405060I n t e n s i t y (a . u . 2 (degreeFigure 2. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on silica glassafter annealing at 1100C圖2. 以石英玻璃為襯底材料、經(jīng)1100C 退火的Nd:YAG薄膜材料的X 射線衍射圖譜102030405060(721(620(420I n t e n s i t y (a . u . 2 (degreeFi

17、gure 3. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an-nealing at 1000C圖3. 以單晶Si 片為襯底材料、經(jīng)1000C 退火的Nd:YAG薄膜材料的X 射線衍射圖譜102030405060(721(620(521(211I n t e n s i t y (a . u . 2 (degree(420Figure 4. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an-nealing at 1100C, coating material is Nd:YAG p

18、owder blocks圖4. 鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊體，經(jīng)1100C 退火，沉積在Si片上Nd:YAG薄膜的XRD 圖譜Copyright © 2012 Hanspub44102030405060(721(640(620(211(420I n t e n s i t y (a . u . 2 (degreeFigure 5. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an-nealing at 1100C, coating material is Nd:YAG ceramics圖5. 鍍膜材料為Nd:YAG陶瓷塊，經(jīng)1

19、100C 退火，沉積在Si 片上Nd:YAG薄膜的XRD 圖譜102030405060(721(620(211(420I n t e n s i t y (a . u . 2 (degreeFigure 6. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an-nealing at 1100C, coating material is Nd:YAG single crystal 圖6. 鍍膜材料為Nd:YAG單晶，經(jīng)1100C 退火，沉積在Si 片上Nd:YAG薄膜的XRD 圖譜102030405060(721(620(521(211(bI

20、 n t e n s i t y (a . u . 2 (degree(aFigure 7. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an-nealing at (a 700C; (b 1000C; (c1100C, coating material is Nd:YAG powder blocks圖7. 鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊，沉積在Si 片上的Nd:YAG薄膜經(jīng)不同溫度(a 700C ；(b 1000C ；(c 1100C 退火后的XRD 圖譜片的Nd:YAG薄膜材料的熒光光譜如圖9所示。由圖可見，材料在1064 nm處可見明

21、顯的主熒光，波峰半高寬為41.0 nm，其對應(yīng)于Nd 3+的4F 3/24F 11/2躍遷，始于4F 3/2能級的R2分量，終止于4F 11/2能級的Y3分量10。4. 結(jié)論本文首次嘗試采用電子束蒸發(fā)鍍膜工藝制備獲得Nd:YAG薄膜，分析研究了石英玻璃、硅片(100兩種不同襯底材料，三種不同鍍膜材料以及不同退火溫度對薄膜材料結(jié)構(gòu)的影響，并對制備獲得的質(zhì)量良好的薄膜材料進行了SEM 表面形貌觀察，測試了Nd:YAG薄膜的光致發(fā)光特性。鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊，經(jīng)1100C 退火、沉積在Si 片上的Nd:YAG Figure 8. SEM morphologies of the Nd:YAG

22、thin films on Si, coating materials is Nd:YAG powder blocks (annealing at 1100C 圖8. 鍍膜材料為Nd:YAG粉體塊、沉積在硅片的Nd:YAG薄膜材料的表面形貌照片(退火溫度為1100C Figure 9. Photoluminescence spectrum of Nd:YAG thin film圖9. Nd:YAG薄膜樣品熒光光譜圖Copyright © 2012 Hanspub 45Copyright © 2012 Hanspub46 薄膜材料具有單一YAG 晶相結(jié)構(gòu)，薄膜質(zhì)量良好，結(jié)晶晶

23、粒均勻細小，并在室溫下測試獲得了1064 nm主熒光峰的寬帶熒光光譜。硅襯底上沉積獲得的Nd: YAG 薄膜可望在硅基光電集成方面得到廣泛地應(yīng)用。5. 致謝本文特別感謝2009年廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(項目編號：2009J1-C411 的資助。參考文獻 (References1 吳自勤, 王兵. 薄膜生長M. 北京: 科學出版社, 2001: 320- 353.2 余志強, 謝泉, 肖清泉. Mg2Si 薄膜的磁控濺射制備及表征 J. 材料導報, 2011, 6(25: 56-58.3 楊水長, 廖志君, 劉振良, 范強, 伍登學, 盧鐵城. 碳化硼薄膜的電子束蒸發(fā)制備及表面分析J. 稀有金屬材料與工程, 2009, 12(38: 564-567.4 邵起越, 袁濤, 李愛東, 董巖, 方峰等. 新型無碳前體在高k氧化物薄膜化學氣相沉積上的應(yīng)用J. 功能材料, 2008,