离子束增强腐蚀制备晶体薄膜的方法

1.本发明涉及一种离子束增强腐蚀制备晶体薄膜的方法，属于集成光学器件技术领域。


背景技术：

2.离子束技术通过控制辐照元素的种类、辐照能量、辐照剂量等因素实现对材料性质的改变，该技术自出现以来被广泛应用于材料改性、微纳加工、生物医疗等众多领域，拥有广阔的发展前景。激光器分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器四大类，其中固体激光器常用的工作介质为激光晶体。例如：在钇铝石榴石晶体中掺入三价钕离子(nd：yag)的激光器可发射波长为1050nm的近红外激光。另外，硼酸钙氧钆gdcob被认为是用于nd:yag激光倍频的理想候选材料，具有良好的应用前景。
3.固体激光器通常采用通过微加工技术制备的波导或微腔，或采用块状激光晶体作为激光谐振腔；通常制备波导的方法有金刚石切割、离子注入和飞秒激光直写，但这些方法形成的波导折射率变化很小，对光的限制能力有限，块状晶体的制备方法有很多种，如，熔融法、拉单晶法或者verneuil法，但块状晶体对光的限制能力很弱，薄膜晶体对光的限制能力强，但由于薄膜的膜厚不好控制，导致制取薄膜晶体比较困难。
4.中国专利文献cn1075569公开了一种制取固体激光器用的晶体薄膜的方法，该方法包括：装在容器中的基片在高真空条件下被加热，构成激光器的材料以气体、离子、单一金属或者金属化合物形式被送到上述基片的表面上，在上述基片表面上成长晶体，与供送上述构成激光器主晶的材料的同时，将激活离子材料也送到上述基片的表面上，借此控制激活离子材料的价数，使与构成上述激光器主晶的晶体的金属离子价数一致。虽然该方法得到了晶体薄膜，但是生长晶体薄膜时间长、工序复杂、成本高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种离子束增强腐蚀制备晶体薄膜的方法；首次制备出了厚度为微米级的大面积晶体薄膜，可以转移到任何衬底上，易加工，工序简单、时间短、成本低，为集成光学器件加工提供了新的方法。得到的晶体薄膜波导与衬底形成大的折射率差，从而有效地对光进行限制。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。
7.离子束增强腐蚀制备晶体薄膜的方法，包括步骤如下：
8.(1)将切割好的晶体进行抛光、清洗；
9.(2)利用重离子束碳离子对晶体抛光表面进行轰击，在轰击的抛光面以下形成缺陷层；
10.(3)将步骤(2)处理后的晶体进行金刚石切割暴露出表面缺陷层；
11.(4)暴露出表面缺陷层的晶体置于酸溶液中进行加热腐蚀，经腐蚀后剥离下晶体薄膜；
12.(5)取出腐蚀后的晶体和剥离下的晶体薄膜，剥离下的晶体薄膜直接转移到衬底上，腐蚀后的晶体采用机械转移方法将块状晶体表面转移到衬底上，完成基于离子束增强腐蚀晶体薄膜的制备与转移。
13.根据本发明优选的，步骤(1)中，晶体的切割为将晶体切割成1
×1×
0.2cm的正方形晶体块。
14.根据本发明优选的，步骤(1)中，晶体抛光为将切割后的晶体两个侧面和其中一个大面进行抛光。
15.抛光采用现有的抛光技术进行。
16.根据本发明优选的，步骤(1)中，晶体清洗为分别用丙酮、酒精、去离子水对晶体进行超声清洗。
17.根据本发明优选的，步骤(1)中，所述晶体为yb:yag晶体、nd:yag晶体、ktp晶体或gdcobo晶体。
18.根据本发明优选的，步骤(2)中，碳离子的能量为2
‑
15mev，剂量为(1
‑
5)
×
10
15
ions/cm2。
19.根据本发明优选的，步骤(2)中，碳离子为三价碳离子(c3+)。
20.根据本发明优选的，步骤(2)中，在轰击的抛光面以下形成缺陷层的厚度为1
‑
6μm。
21.根据本发明优选的，步骤(3)中，金刚石切割具体如下：
22.步骤(2)处理后的晶体在轰击面用金刚石切割两条平行的凹槽，所述凹槽的深度为25
‑
50μm、宽度为100
‑
200μm；所述两条凹槽的间隔为20
‑
200μm，两凹槽之间形成一个宽度为20
‑
200μm的脊型凸起。
23.根据本发明优选的，步骤(4)中，所述的酸溶液为98％的浓磷酸与去离子水的混合溶液，浓磷酸与去离子水的体积比为4:1。
24.根据本发明优选的，步骤(4)中，加热腐蚀温度为110
‑
130℃，腐蚀时间为5
‑
10h。
25.根据本发明优选的，步骤(5)中，机械转移方法为：在腐蚀后的晶体表面贴上pdms胶，利用pdms胶将薄膜从晶体上撕下，转移到所需衬底上，并在80℃的条件下加热10mins，pdms胶失去粘性，薄膜自然脱落。
26.本发明的有益效果如下：
27.1、本发明采用碳离子辐照的方法，加速离子在内部动能损耗并停留在一定深度内成缺陷层，采用金刚石切割进一步加工，将缺陷层更大程度地暴露出来，利用缺陷层易被腐蚀的特点，采用浓磷酸加热腐蚀的方法将表面的辐照层剥离，实现大面积微米量级厚度的晶体薄层的制备，为大规模制备晶体薄膜提供了可能性，易加工，可以转移到任何衬底上，结合目前先进的微纳加工技术，在集成光学领域具有广阔的应用前景。
28.2、本发明采用重离子束碳离子结合化学腐蚀法，利用离子辐照技术认为对晶体材料制造缺陷层，利用化学腐蚀技术对缺陷层进行腐蚀，实现大面积微米量级厚度晶体薄膜的剥离，实现晶体薄膜的快速制备，时间短、工序简单、成本低，易于大规模推广应用。
29.3、本发明适用于多种类型的光学晶体，不同类型的晶体可以在极小的尺度内实现堆叠、组合，极大地丰富了晶体材料的应用可能。
附图说明
30.图1为碳离子辐照及金刚石切割制备晶体薄膜过程的示意图；
31.图2晶体薄膜剥离及机械转移过程的示意图；
32.其中：1、碳离子束，2、缺陷层，3、块状晶体，4、金刚石切割刀片，5、脊型晶体，6、凹槽，7、石英器皿，8、磷酸溶液，9、晶体薄膜，10、pdms胶，11、sio2衬底。
具体实施方式
33.下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
34.实施例1
35.一种基于碳离子束辐照增强腐蚀yb:yag晶体薄膜剥离方法，包括步骤如下：
36.(1)将切割好的yb:yag晶体3进行抛光、清洗；
37.(2)利用离子加速器发出能量为6mev，剂量为2
×
10
15
ions/cm2的碳离子1，对yb:yag晶体抛光表面进行轰击，在直接轰击的抛光面以下形成易被腐蚀的缺陷层2；
38.(3)对上述离子轰击的yb:yag晶体用金刚石切割刀4进行切割，切割轰击面，得到深度为25
‑
50μm、宽度为100
‑
200μm的凹槽6；所述两条凹槽的间隔为20
‑
200μm，两条凹槽之间形成一个宽度为20
‑
200μm的脊型凸起5，将缺陷层暴露出来；
39.(4)98％的浓磷酸与去离子水按体积比4:1混合，得酸溶液8，将酸溶液8注入石英器皿7中，将步骤(3)得到的yb:yag晶体放入酸溶液内，置于加热平台上加热至120℃，并保温8h；
40.(5)将腐蚀后的yb:yag晶体从溶液内取出，此时剥离下的yb:yag薄膜9随晶体块一同被捞出；
41.(6)利用pdms胶10将块状yb:yag晶体表面的薄膜黏在胶上，随后将pdms胶撕下，连同yb:yag薄膜转移到sio2衬底11上，加热至80℃，保温10mins使pdms胶失去粘性，yb:yag薄膜落在sio2衬底上，成功得到3
‑
4μm厚，面积1
×
104‑5×
105μm2的yb:yag薄膜，即完成基于离子束增强腐蚀yb:yag晶体薄膜的制备与转移。
42.实施例2
43.一种基于碳离子束辐照增强腐蚀nd:yag晶体薄膜剥离方法，包括步骤如下：
44.(1)将切割好的nd:yag晶体3进行抛光、清洗；
45.(2)利用离子加速器发出能量为6mev，剂量为2
×
10
15
ions/cm2的碳离子1，对nd:yag晶体抛光表面进行轰击，在直接轰击的抛光面以下形成易被腐蚀的缺陷层2；
46.(3)对上述离子轰击的nd:yag晶体用金刚石切割刀4进行切割，切割轰击面，得到深度为25
‑
50μm、宽度为100
‑
200μm的凹槽6；所述两条凹槽的间隔为20
‑
200μm，两条凹槽之间形成一个宽度为20
‑
200μm的脊型凸起5，将表面缺陷层暴露出来；
47.(4)98％的浓磷酸与去离子水按体积比4:1混合，得酸溶液8，将酸溶液8注入石英器皿7中，将步骤(3)得到的nd:yag晶体放入酸溶液内，置于加热平台上加热至120℃，并保温8h；
48.(5)将腐蚀后的nd:yag晶体从溶液内取出，此时剥离下的nd:yag薄膜9随晶体块一同被捞出；
49.(6)利用pdms胶10将块状nd:yag晶体表面的薄膜黏在胶上，随后将pdms胶撕下，连
同nd:yag薄膜转移到sio2衬底11上，加热至80℃，保温10mins使pdms胶失去粘性，nd:yag薄膜落在sio2衬底上，成功得到3
‑
4μm厚，面积1
×
104‑5×
105μm2的yb:yag薄膜，即完成基于离子束增强腐蚀nd:yag晶体薄膜的制备与转移。