一种介电滤波薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种介电滤波薄膜材料及其制备方法，该材料是在Ｋ９玻璃或硅片衬底上用磁控溅射技术，在高纯氩气氛中逐次生长出具有七层结构的薄膜材料，其中第一、三、五、七层为ＳｉＯ↓［２］膜或Ｓｉ膜，第二、四、六层为Ｓｉ膜或ＳｉＯ↓［２］膜，用该技术制备时膜厚控制精确，而且材料中间不存在空气间隙层，该材料结构稳定，而且容易控制，并具有在１２１０纳米至２２３０纳米的光波波长范围内得到光子禁带，在光通讯波长１．３微米和１．５５微米处同时得到光的共振模式的功能，得到的共振峰的峰位精确地控制在光通讯波长１．２９微米和１．５５微米，与光通讯波长１．３０微米和１．５５微米的偏差分别为０．７７％和０．００％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电信息功能材料领域，具体地说是涉及。
技术介绍
光电信息功能材料是现代信息社会的支柱。近年来，人们希望光子能最终代替电子来作为信息载体。光子作为载体传输信息，常常需要特定波长的光波，因此，多通道的光波滤波材料的研制成为至关重要的基础。其中，颇具应用价值的是，研制可用于光通讯(光通讯波长为1.30微米和1.55微米)的多通道的光波滤波器件。2002年，美国麻省理工学院(MassachusettsInstitute of Technology)的Joannopoulos教授研究组研制了一种多通道的光学滤波原型器件。该器件基于具有空气间隙的SiO2/Si多层介电材料结构示意图(见图1)，当光垂直入射时，获得了波长范围为1250纳米至2250纳米的光子禁带，并且有四个反射谷(共振模式)出现在光子禁带中。这四个共振模式对应的波长分别为1.402微米，1.582微米，1.792微米和2.072微米，其中最接近光通讯波长的两个共振模是1.402微米和1.582微米(详情参见Y.Yi，P.Bermel，K.Wada，X.Duan，J.D.Joannopoulos，和L.C.Kimerling等人发表于2002年美国《应用物理快报》第81卷、第22期、第4112页至4114页的论文，即Applied Physics Letters 81，4112(2002))。根据美国《应用物理快报》的这篇报道，该种具有空气间隙的SiO2/Si多层介电材料的制备方法是第一，在Si(100)衬底上，利用等离子体辅助的化学气相沉积方法生长一层厚度为260纳米的SiO2。第二，利用电子束沉积方法生长一层厚度为110纳米的非晶Si。第三，用同样方法再依次生长一层厚度为260纳米的SiO2、一层厚度为110纳米的非晶Si和一层厚度为260纳米的SiO2；第四，在样品顶部沉积一层聚酰亚胺。第五，冷却后，在聚酰亚胺层上用同样方法依次生长一层厚度为260纳米的SiO2、一层厚度为110纳米的非晶Si、一层厚度为260纳米的SiO2、一层厚度为260纳米的SiO2、一层厚度为110纳米的非晶Si和一层厚度为260纳米的SiO2。第六，在样品顶部和Si衬底的另一面各沉积一层低杨氏模量的材料作为支撑隔膜。第七，利用平版印刷方法在所选择的区域形成空气间隙层。第八，在支撑隔膜和衬底之间加电压，得到4.8微米的空气间隙。从而制备出具有空气间隙层的SiO2/Si多层介电滤波材料。目前，利用具有空气间隙层的SiO2/Si多层介电材料可以在接近于两个光通讯波长处同时获得光的共振模式，但是光的共振模式与光通讯波长1.30微米和1.55微米仍有偏差，偏差率分别大于7％和2％，并且该种介电滤波材料在制备方法上存在难以非常精确控制空气间隙厚度等问题。因此，研制多通道的光波滤波材料，在两个光通讯波长同时且精确获得光的共振模式是光通讯领域的重要研究课题。
技术实现思路
1.专利技术目的本专利技术的目的是提供一种具有特殊结构的介电滤波薄膜材料及其制法，这种介电滤波材料具有在光通讯波长即1.55微米和1.3微米处同时得到光的共振模式，并在1210纳米至2230纳米的光波波长范围内得到光子禁带的功能，可用于波分复用器等光电器件。2.技术方案本专利技术的介电滤波薄膜材料是由两种折射率不同的介电材料构成的多层薄膜材料。选用的介电材料A为SiO2和介电材料B为Si，介电材料A和介电材料B的折射率比值在2.0以上。该介电滤波材料是在衬底上按照图2所给的示意图逐次生长第一层材料A为SiO2膜(厚度dA为260-270纳米)，第二层材料B为Si膜(厚度dB为110-120纳米)，第三层材料A为SiO2膜(厚度dA为260-270纳米)，中间的第四层材料B为Si膜(厚度8dB为880-960纳米)、第五层材料A为SiO2膜(厚度dA为260-270纳米)、第六层材料B为Si膜(厚度dB为110-120纳米)和第七层材料A为SiO2膜(厚度dA为260-270纳米)。若选用的介电材料A为Si，材料B为SiO2，则在衬底上逐次生长出第一、三、五、七层为Si膜，第二、四、六层为SiO2膜，其中中间的第四层膜厚8dA为2080-2160纳米。这种具有ABABBBBBBBBABA/衬底的七层结构的介电滤波材料，中间不存在空气间隙层，该介电滤波材料能同时在光通讯波长即1.3微米和1.55微米处得到光的共振模式，并在1210纳米至2230纳米的光波频率范围内得到光子禁带的功能。利用磁控溅射技术制备如上所述的多层介电滤波材料。我们选择K9玻璃或硅片(100)为衬底；石英玻璃SiO2作为介电材料A(折射率nA＝1.46)，硅作为介电材料B(折射率nB＝3.4)。该种材料的制备方法是采用磁控溅射技术，使用硅靶材和石英玻璃靶材，在氩气氛中制备Si/SiO2多层滤波薄膜材料。参照实验装置示意图(见图3)，执行如下具体步骤(1)打开生长室1，将高纯Si靶和高纯石英玻璃SiO2靶分别安置在射频靶(T1)12和射频靶(T2)13的靶台2上，将K9玻璃或硅片衬底放置在样品转盘3上的样品台4上；(2)用干泵5将生长室1抽真空达20Pa以下，再用低温泵6抽真空达3×10-5Pa以下；(3)打开充氩气的阀门7，向生长室1内充入高纯氩气，利用计算机8实时控制流量计9，控制氩气流量，使生长室1内保持1Pa以下的氩气压；(4)设置射频电源(P1)14的功率为120瓦，启动供给Si靶(T1)的射频电源(P1)14，Si靶起辉；设置射频电源(P2)15的功率为100瓦，启动供给SiO2靶(T2)的射频电源(P2)，SiO2靶亦起辉；(5)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至SiO2靶(T2)正上方，SiO2靶溅射，衬底上沉积第一层厚度为260纳米至270纳米的SiO2膜；(6)利用计算机8控制电机10和旋转轴11，将样品台4转至Si靶(T1)正上方，Si靶溅射，沉积第二层厚度为110纳米至120纳米的Si膜；(7)重复上述步骤(5)，沉积第三层厚度为260纳米至270纳米的SiO2膜；(8)重复上述步骤(6)沉积第四层厚度为900纳米至920纳米的Si膜；(9)重复上述步骤(5)、(6)和(7)，沉积第五层厚度为260纳米至270纳米的SiO2膜、第六层厚度为110纳米至120纳米的Si膜和第七层厚度为260纳米至270纳米的SiO2膜；从而，制备出图2所示的ABABBBBBBBBABA/衬底七层结构的介电滤波薄膜材料。利用美国PerkinElmer公司Lambda 900分光光度计，测量Si/SiO2多层滤波材料在波长为400纳米至2600纳米之间的光学反射谱(参见图4)。测量时以金属银在相应波段的反射率为基准。如图4所示，在光垂直入射时的反射谱中，获得了波长范围为1210纳米至2230纳米的光子禁带，此禁带中有四个共振模式即1.12微米、1.29微米、1.55微米和1.97微米，其中最接近光通讯波长的两个共振模是1.29微米和1.55微米，它们与光通讯波长1.30微米和1.55微米的偏差分别小于0.77％和0.00％。利用转移矩阵方法，计算出Si/SiO2多层滤波材料在波长为400纳米至2600纳米之间的光学反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介电滤波薄膜材料，由衬底和两种介电材料ＳｉＯ↓［２］和Ｓｉ所构成，在ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ多层结构中间夹有一个空气间隙层，其特征在于在衬底上逐次生长出具有七层结构的材料，其中第一、三、五、七层为ＳｉＯ↓［２］膜，第二、四、六层为Ｓｉ膜，或者第一、三、五、七层为Ｓｉ膜，第二、四、六层为ＳｉＯ↓［２］膜，每层ＳｉＯ↓［２］膜厚为２６０－２７０纳米，每层Ｓｉ膜厚为１１０－１２０纳米，中间的第四层Ｓｉ膜厚为８８０－９６０纳米，或第四层ＳｉＯ↓［２］膜厚为２０８０－２１８０纳米，中间不存在空气间隙层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭茹雯，王展，唐朝晖，黄秀清，王牧，林涛，胡安，蒋树声，冯端，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]