氧化物结晶表面的超平坦化方法技术

本发明专利技术提供了超平坦化既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶的方法，用该超平坦化方法制备ＲｅＣａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］系氧化物单晶薄膜的方法，具有ＳＨＧ性质的ＲｅＣａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］系氧化物单晶薄膜，光入射／发射表面的超平坦化方法，和氧化物结晶的缺陷评价方法。用还原剂还原既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶的表面，用酸或碱的水溶液溶解经还原的氧化物结晶表面，在大气中对表面溶解的氧化物结晶进行热处理，从而将既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面超平坦化至原子水平。根据该方法，由于其组成和结构的复杂而化学稳定的氧化物既不溶于酸也不溶于碱，甚至不溶于氟酸，它可通过还原而转化成常规溶于盐酸、硝酸或硫酸的更简单的氧化物；因此其结晶表面能够溶解。接着，在大气中于适宜温度下将溶解的表面热处理适宜的时间，使得表面原子重排，表面被超平坦化至原子水平。本发明专利技术可应用于需要紫外激光的技术领域，尤其是作为用于光学信息处理、光通信等的光学设备的核心技术。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及既不溶于酸也不溶于碱的，用该方法制备ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜的方法，以及由其制备的ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜。本专利技术进一步涉及氧化物光学结晶的光入射/发射表面的超平坦化方法和氧化物结晶的缺陷评价方法，其中应用了上述。
技术介绍
近年来，在激光加工、激光医学治疗、材料表面重整和光学信息处理领域中，对短波激光的需求日益增加，有关它们的活跃研究和开发正在进行中。由于半导体激光只能产生红外到蓝色区域的光，必须采用波长转换技术进行光紫外化。作为这种波长转换技术，使用利用光学结晶的非线性光学效应的SHG(二阶谐波发生)和THG(三阶谐波发生)。尽管由KTP(KTiOPO4)和KDP(KH2PO4)组成的这些结晶迄今为止被用作产生非线性光学效应的结晶，但这些结晶存在折射率波动、吸收损失大的问题，它们易于遭受光学损伤，它们是水溶性的，因此抵抗环境腐蚀的能力差，它们的非线性光学效应并不很令人满意，并且/或者它们的热导率差。在寻求克服KTP和KDP结晶的这些缺点的非线性光学效应结晶的尝试中，近来，如JP H10-206916 A中所公开，已合成了称为稀土/钙/氧硼酸盐用于NdYAG激光的SHG(二阶谐波发生)和THG(三阶谐波发生)的大块单晶(bulk single crystal)。作为氧化物光学结晶，发现该结晶克服了KTP和KDP结晶的困难，并表现出极高的SHG和THG效率，认为其是应该构成未来波长转换技术核心的光学结晶。然而，尽管对其应用，特别是在光学信息处理领域中的应用的需求很高，但由于其极其复杂的结晶结构，至今仍未成功地将这种结晶制成薄膜形式。图6显示ReCa4O(BO3)3的结晶结构，其中Re是一个或多个稀土元素，其中图6(A)是从其b轴方向观察的该结晶的原子模式图，图6(B)是从其c轴方向观察的同一结晶的原子模式图。图6(C)显示其基本单位格子，表明该结晶是属于点群m和空间群Cm的单斜双轴结晶，它具有晶格常数a约8.09埃，b约16.01埃，c约3.56埃，但精确值根据Re的类型和数目而变。如所示，组成该结晶基本单位格子的原子的数目极大，晶格常数极大，并且结构复杂。图7显示通过在STO(钛酸锶)和Al2O3(氧化铝)单晶基板上经激光消融而外延生长ReCa4O(BO3)3，Y形成的薄膜的X-射线衍射测定结果，其中Re＝Gd。从衍射模式清楚地看到，并没有获得ReCa4O(BO3)3薄膜外延生长。由于ReCa4O(BO3)3的结晶结构极其复杂，在基板上外延生长其单晶薄膜需要基板具有与其相似的结晶结构，并且其表面被平坦化至原子水平。由于难以实现这种平坦化表面的要求，现有技术没有成功地产生这种单晶薄膜。因此，结晶ReCa4O(BO3)3极其复杂的结晶结构不允许目前的工艺产生其单晶薄膜，并因此不能开发利用薄膜结构的非线性光学性质。除此之外，SHG和THG不能得以有效进行，除非光学结晶的光入射/发射表面被平坦化至某波长或更小。现有技术中使用尺寸为某波长或以下的研磨剂来抛光这种表面不可避免地在该表面中形成研磨剂的粒径程度的凸凹或细微裂缝。结果，这种表面，特别是用于发射高能光子，可能因其部分破损而具有各种光学损伤。预防这种现象发生要求光学结晶的光入射/发射表面的结构完整性，但迄今为止通过抛光仅有限程度地实现了所述结构完整性。除此之外，当要评价光学结晶的质量时，可采用如下方法选择性地蚀刻光学结晶的缺陷部分并计数所得蚀坑的数目来评价其质量。如果光学结晶是既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶，如ReCa4O(BO3)3，存在的问题是不能通过常规方法进行其质量评价；这种氧化物结晶没有办法评价其质量。考虑到这些问题，本专利技术的第一个目的是提供超平坦化既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面的方法。本专利技术的另一个目的是提供用这种方法制备ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜的方法及由其制备的ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜。本专利技术的再一目的是提供超平坦化氧化物光学结晶的光入射/发射表面的方法，以及氧化物结晶的表面缺陷评价方法，在这两个方法中，作为第一目的的方法得到应用。
技术实现思路
根据可将其溶解的水溶液的性质，可以将氧化物分为三种类型，即，溶于碱溶液的“酸性氧化物”，溶于酸性水溶液的“碱性氧化物”以及既溶于酸也溶于碱的“两性氧化物”。具有强电离度的氧化物是碱性氧化物，且通常溶于酸，如盐酸、硝酸和硫酸。至于组成和结构均复杂的氧化物，存在既不溶于酸也不溶于碱，甚至不溶于氟酸的化学上极为稳定的氧化物。可以如下地使这种氧化物可溶即，由于该氧化物处于金属被氧化的状态，因此它可被还原，可以通过用还原剂如草酸，或硫代硫酸钠水溶液还原而使其分解形成，或由此转化成更简单的氧化物，其中金属结合于水的氧上。由于一旦转化成更简单的氧化物，即可用酸或碱水溶液相应地将其溶解，因此有可能用盐酸、硝酸或硫酸常规地溶解氧化物结晶表面。溶解的表面具有悬空键暴露的状态，在大气中于适宜温度下热处理适宜的时间，可使其表面原子重排，从而使表面自由能最小化；因此表面被超平坦化至原子水平。因此，根据本专利技术，提供了超平坦化既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面的方法，其特征在于其包括以下步骤用还原剂还原氧化物结晶表面；用酸或碱水溶液溶解经还原的氧化物结晶表面；在大气中对经还原的表面溶解了的氧化物结晶进行热处理，从而将既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面平坦化至原子水平。根据该方法，由于其组成和结构均复杂而既不溶于酸也不溶于碱，甚至不溶于氟酸的在化学上稳定的化合物通过还原可转化成常规可溶于盐酸、硝酸或硫酸的更简单的氧化物；因此其结晶表面能够溶解。然后，在大气中于适宜温度下将溶解的表面热处理适宜的时间，可使表面原子重排，使表面超平坦化至原子水平。本专利技术还提供ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜的制备方法，其特征在于其包括以下步骤用还原剂还原具有化学式ReCa4O(BO3)3表示的成分的氧化物单晶的表面，其中Re代表一个或多个稀土元素；用酸或碱水溶液溶解经还原的氧化物单晶表面；在大气中对经还原的表面溶解了的氧化物单晶进行热处理，从而将其表面超平坦化；然后在经超平坦化的表面上外延生长ReCa4O(BO3)3薄膜。根据该方法，可使组成和结构均极为复杂的ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶的表面超平坦化，超平坦化的表面允许在其上外延生长ReCa4O(BO3)3系氧化物单晶薄膜。本专利技术还提供具有化学式ReCa4O(BO3)3表示的成分的氧化物单晶薄膜，其中Re是一个或多个稀土元素，其特征在于其是外延生长在具有化学式ReCa4O(BO3)3表示的成分的氧化物单晶的表面上并被超平坦化的所述成分的薄膜。上述氧化物单晶薄膜可以具体为特征在于具有化学式ReCa4O(BO3)3表示的成分的氧化物单晶薄膜，它是具有属于点群m和空间群Cm的单斜双轴结晶结构的单晶薄膜。上述氧化物单晶薄膜可以具体为特征在于具有非线性光学性质，因而提供SHG和THG性质的氧化物单晶薄膜。本专利技术还提供平坦化光入射/发射表面的方法，其特征在于该表面是既不溶于酸也不溶于碱的氧化物光学结晶，该方法包括以下步骤用还原剂还原氧化物光学结晶的光入射/发射表面；用酸或碱水溶液溶解经还原的氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
超平坦化既不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面的方法，其特征在于其包括以下步骤：用还原剂还原氧化物结晶表面；用酸或碱水溶液溶解经还原的氧化物结晶表面；在大气中对经还原的表面溶解了的氧化物结晶进行热处理，从而将既 不溶于酸也不溶于碱的氧化物结晶表面平坦化至原子水平。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：鲤沼秀臣，松本祐司，佐佐木孝友，森勇介，吉村政志，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，
类型：发明
国别省市：JP[日本]