一种铁电超晶格制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超晶格制备方法，尤其是铁电超晶格制备技术，更具体而言，涉及用双 面图案电极极化方法制备铁电超晶格，可以增强对铁电畴反转的约束，优化基片两面电畴 结构的一致性。
【背景技术】
[0002] 从激光被发明后，利用非线性响应来操纵光便成为非线性光学中最重要的分支， 被广泛的应用于量子电子学、激光物理等学科，解决了一系列科学及工程技术上的难题。对 于非线性相互作用，只有在位相匹配时才有最高的效率。在一般介质中，由于存在光的色 散，动量守恒并不能被自动满足（称为波矢失配），因此非线性频率转换效率非常低。要补 偿位相差通常有两种方法：双折射位相匹配（BPM)和准位相匹配（QPM)。BPM是利用晶体 折射率各向异性的性质，实现不同频率光波矢匹配，这种方法受限于晶体双折射性能，可实 现匹配的波长范围很窄。而QPM是在晶体中通过改变材料非线性系数的符号从而引入倒格 矢来补偿非线性过程中的波矢失配以满足动量守恒条件。其优点是：激光波矢和能流在同 一方向，不存在双折射匹配的能流"走移"问题；同时其调制区域的尺寸和结构可以按需求 设计，并且在晶体整个透光波段都可以实现相位匹配。基于准位相匹配，人们设计制造出倍 频、和频、差频、参量震荡等一系列频率转换器件。为了提高器件的性能，人们研宄了许多非 线性材料，包括铌酸锂、钽酸锂、砷化镓等，并发展出许多非线性材料微米、纳米尺度级的非 线性极化率调制技术。这种非线性极化率受到人工调制的材料被称为光学超晶格。同时由 于铌酸锂、钽酸锂等铁电材料具有优异的压电、电声、电光性质，在引入非线性极化率的人 工调制后除了在光学上具有广泛的应用，在声学、电学上也具有传统材料不具有的特性，可 用来制作性能优异的声学滤波器、超声换能器等器件，因而基于此类材料的光学超晶格被 统称为铁电超晶格或介电体超晶格。
[0003] 目前，制备铁电超晶格的主要方式是电场极化技术。铌酸锂、钽酸锂、KTP等材 料存在自发极化Ps，在居里温度以下有铁电性。当晶体上施加高于矫顽场的电场，其自发 极化的方向会发生改变，同时伴随非线性极化率改变。对于铌酸锂、KTP等，晶体只存在 +Z和-Z两种自发极化方向，电场极化时，自发极化方向的改变对应于非线性系数的变号 4-<;)，产生极化波相位J1的突变，补偿了频率转换过程中的相位失配。电畴方向调 制使相位失配始终得到补偿，因此可以产生高效的频率转换效应。其转换效率也与激光相 互作用长度有关，电场极化技术利用光刻等微加工技术制作电极，有利于大面积、高精度、 尚效的制备铁电超晶格，得到广泛的研宄。
[0004] 目前常用的电场极化方式为，样品先单畴化，Z切，厚度为毫米量级，经过抛光清洗 后，再光刻，并在一面镀上金属电极，在金属电极的间隙填充绝缘介质，另一面用电解质导 电，然后在两面间加一定的脉冲电压，使有电极覆盖的区域铁电畴反转。通常，与畴结构对 应的金属电极会镀在易形成翻转成核的一面，如铌酸锂的+Z面，KTP的-Z面。另一面为电 解质。在金属电极的间隙填充绝缘介质阻止电荷流动可以约束翻转畴的扩展，而在另一面 上电荷流动没有绝缘区域去约束。当加高压时，电畴先从有图形电极的一面开始产生，继续 加高压则会继续生长，电畴贯穿到另一面。因此，采用这种方法制备的铁电超晶格正反面正 负电畴的形貌和占比通常是不同的，例如对于钽酸锂晶体，在畴尺寸小于10微米时，在-Z 面电畴会由于晶格结构的影响显现为三角形。理论上在QPM频率转换过程时，正负电畴占 比决定了能量转换效率。因此，采用这种方法制备超晶格，在晶体两面能量转换效率不一 致，影响了晶体可用的厚度，同时±Zz面畴侧向扩展速度的不一致，也使小周期超晶格难 以制备。这些问题制约了铁电超晶格在高功率激光输出、紫外及可见光波段频率转换以及 高性能声学滤波器、超声换能器等方面的应用，因而需要新的技术手段改进铁电超晶格的 制备质量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，提高基片极化时土z面畴结构的一致性问题。提出一种在基片 土z面同时制作与畴结构相对应的电极结构，在两个面上实现对电荷的约束，可以提高土z 面畴结构的一致性。有利于厚基片和小周期超晶格的制备。
[0006]本发明的技术方案为，铁电超晶格制备方法，以铁电材料为基片，在基片的土Z两 个面同时制作与需要制作的畴结构相对应的图案电极，且电极图案的投影完全吻合；基片 的+Z面图案电极接高压，-Z面图案电极接地；电脉冲的电压按照基片的材质和厚度进行选 择，在几十到几万伏特的范围；电脉冲施加于两电极间，制备出铁电超晶格；所述图案电极 包括周期、非周期、准周期、双周期、一维、二维等图案电极结构。
[0007] 进一步的，电极可以是铝、镍、铬等金属材料、电解质的溶液或熔盐等其他导电物 质。
[0008]进一步的，电极图案之间可以按电压大小或结构线宽填充绝缘介质；绝缘介质可 以是光刻胶、环氧树脂、二氧化硅等介电材料。
[0009]进一步的，选择合适的电脉冲时间施加于图案电极对铁电超晶格进行极化，单个 电脉冲时间通常在几毫秒到几秒。极化时，可以是只施加一个长脉冲，也可以是施加多个短 脉冲，与需要极化的图案面积、基片材料有关。
[0010] 进一步的，制作图案电极的方法包括光刻、镀膜、刻蚀、剥离、抛光等微加工方法。
[0011] 所述的铁电材料包括但不限于同成分铌酸锂（CLN)、同成分钽酸锂（CLT)、化学计 量比钽酸锂（SLT)、化学计量比铌酸锂（SLN)、掺镁钽酸锂（MgO=LT)、掺镁铌酸锂（MgO=LN)、 磷酸二氢钾（KDP)、磷酸钛氢钾（KTP)等铁电材料。
[0012] 所述的基片，可以是厚度为几百纳米到几十微米的薄膜基片，也可以是厚度为几 百微米到几厘米的体炔基片。基片面积不限，可以是几英寸直径，也可以是微米尺寸的。
[0013] 进一步的，本发明可在二氧化硅或氧化铟锡（ITO)等介质材料衬底上的脊形铁电 晶体两侧面进行光栅电极极化，脊形铁电晶体两侧面分别为+z和-Z面，在衬底上和脊形铁 电晶体的侧面制备光栅电极并相互导通，晶体两侧面的电极相互绝缘且电极图案关于脊形 晶体的中心面对称。
[0014] 本发明的有益效果，本发明使用双面制作与畴结构对应的电极的方法制备铁电超 晶格。通过增强绝缘介质对畴反转的约束作用，提高了畴结构的均匀性，本发明方法有利于 制备厚基片铁电超晶格，也有利于制备微米甚至亚微米级电畴等小周期的铁电超晶格，尤 其是小周期铁电超晶格的高质量制备。
【附图说明】
[0015] 图1本发明的体块和薄膜基片示意图；图1中（a)体块圆形基片，直径1-lOcm，厚 度为0. 3-3mm常见；(b)体块为矩形，长宽为5-50mm;和（c)、（d)薄膜基片中，a为二氧化硅 材料衬底，b为铁电薄膜材料。