【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非线性光学材料领域，尤其涉及一种具有宽禁带、高激光损伤阈值和高二阶非线性极化率的a轴取向li掺杂zn1-xmgxo[0.3<x≤0.56且0<li/(zn+mg+li)≤0.09]薄膜。
技术介绍
1、具有高二阶非线性极化率(χ(2))和高激光损伤阈值的光学材料是二次谐波产生、电光调制、和/差频以及光参量振荡等非线性光学效应的基础。高χ(2)增加上述光学过程中激光变频转换效率。高激光损伤阈值使材料能够承受更大的激光功率或能量，从而实现更强的变频激光输出。
2、二阶非线性光学薄膜材料具有易形成强光束缚的波导结构、可在微电子材料(例如si)平台上异质生长和大面积沉积等优势，是集成光子学和非线性光学等领域的关键材料。zn1-xmgxo薄膜具有禁带宽度大(≤6.2ev)、光传输损耗低(<0.5db/cm)、极化反转驱动电压低(矫顽场约为1.5mv/cm)等特点，在紫外甚至日盲波段二阶非线性光学领域具有巨大的应用潜力，近来受到广泛关注。
3、尽管调控mg掺杂可使zn1-xmgxo薄膜的禁带宽度接近6.2ev，但是最近美国宾州大学的研究表明mg掺杂(x>0.3)显著降低c轴取向zn1-xmgxo薄膜的χ(2)[r.zu,g.ryu,k.p.kelley,s.m.baksa,l.c.jacques,b.wang,k.ferri,j.he,l.chen,i.dabo,s.trolier-mckinstry,j.maria,v.gopalan,adv.phys.res.2023,230
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种a轴取向li掺杂zn1-xmgxo(0.3<x≤0.56)外延薄膜及其制备方法，以期至少部分地解决mg掺杂在增大zno薄膜禁带宽度的同时降低其二阶非线性极化率χ(2)的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、作为本专利技术的一个方面，提供了li掺杂zn1-xmgxo外延薄膜的制备方法，0.3<x≤0.56，包括：通过射频磁控共溅射mg掺杂zno陶瓷靶和li掺杂zno陶瓷靶，外延生长a轴取向li掺杂zn1-xmgxo[0.3<x≤0.56且0<li/(zn+mg+li)≤0.09]薄膜，其晶向平行于al2o3的晶向。
4、作为本专利技术的另一个方面，提供了一种通过如上所述的制备方法得到的a轴取向li掺杂zn1-xmgxo[0.3<x≤0.56且0<li/(zn+mg+li)≤0.09]外延薄膜。
5、本专利技术采用的技术方案为具有宽禁带和高激光损伤阈值的二阶非线性光学薄膜及制备方法，该方法包括如下步骤，
6、步骤a：靶材制作；
7、步骤b：衬底清洗；
8、步骤c：薄膜淀积；
9、步骤d：热处理。
10、步骤a包括：靶材包括mg掺杂zno陶瓷靶和li掺杂zno陶瓷靶；具体地，按照特定组分比例称重原材料制作mg掺杂zno陶瓷靶和li掺杂zno陶瓷靶。mg掺杂zno陶瓷靶的制作方法包括：采用纯度为99.99％的zno和纯度为99.99％的mgo作为原料，按照91.6％：18.4％的重量百分比，制作靶材；li掺杂zno陶瓷靶的制作方法包括：采用纯度为99.99％的zno和纯度为99.99％的li2co3作为原料，按照95％：5％的重量百分比，制作靶材。
11、步骤b包括：将r面al2o3衬底竖立放入定制的清洗架内，分别在丙酮、酒精和纯水中超声清洗；之后，使用氮气枪将衬底吹干；最后，放入烘箱。
12、步骤c包括：所述射频磁控共溅射技术的工艺参数包括：当背景真空减小到7.4×10-7torr以下时，向生长室中通入o2和ar的混合气体，ar/(ar+o2)气体比例为50％-75％，流量范围在5-10sccm之间，衬底温度范围为200-300℃，气压范围在2-5mtorr之间，mg掺杂zno陶瓷靶的射频功率范围在100-150w之间，li掺杂zno陶瓷靶的射频功率范围在50-100w之间；靶材到样品之间距离范围为100-150mm，衬底转速范围为20rpm。
13、步骤d包括：将生长的薄膜样品放入热处理炉内，以15℃/分速度，从室温增加到最高温度，最高温度范围为400-500℃，保温后随炉冷却。
14、从上述技术方案可以看出，本专利技术的a轴取向li掺杂zn1-xmgxo外延薄膜及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
15、(1)采用基于mg掺杂zno陶瓷靶和li掺杂zno陶瓷靶的射频磁控共溅射技术，与三元(zno、mgo和li2o)共溅射技术相比，可预先形成特定占位的点缺陷(包括mg占据zn晶格位和li占据氧八面体间隙)和更精确控制组分。
16、(2)本专利技术所制备的a轴取向li掺杂zn1-xmgxo[0.3<x≤0.56且0<li/(zn+mg+li)≤0.09]外延薄膜，可在使禁带宽度增加到4.5ev的同时，提高χ(2)和激光损伤阈值。
17、(3)a轴取向可实现沿面内c轴方向的共面电极结构，从而利用χ(2)张量最大分量χ33来进行线性电光调制。
18、(4)该材料可应用于倍频器、电光调制器和光开关等光子器件，在集成光子学和非线性光学等领域具有广阔的应用前景。
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1.宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，该薄膜是一种a轴取向Li掺杂Zn1-xMgxO薄膜的制备方法，包括：
2.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述a轴择优取向Zn1-xMgxO薄膜的组分为：0.3<x≤0.56，0<Li/(Zn+Mg+Li)≤0.09。
3.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤A包括：按照组分比例称重原材料制作Mg掺杂ZnO陶瓷靶和Li掺杂ZnO陶瓷靶。
4.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤B包括：将R面Al2O3衬底竖立放入定制的清洗架内，分别在丙酮、酒精和纯水中超声清洗各10分钟；之后，使用氮气枪将衬底吹干；最后，放入烘箱，在120℃保持30分钟。
5.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤C包括：所述射频磁控共溅射技术的工艺参数包括：当背景真空减小到7.4×10-7Torr以下时，向生长室中通入O2和Ar的
6.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤D包括：将生长的薄膜样品放入热处理炉内，以15℃/分速度，从室温增加到最高温度，最高温度范围为400-500℃，保温时间范围为1-4小时，然后随炉冷却。
7.根据权利要求3所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述Mg掺杂ZnO陶瓷靶的制作方法包括：采用纯度为99.99％的ZnO和纯度为99.99％的MgO作为原料，按照91.6％：18.4％的重量百分比，制作靶材。
8.根据权利要求3所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述Li掺杂ZnO陶瓷靶的制作方法包括：采用纯度为99.99％的ZnO和纯度为99.99％的Li2CO3作为原料，按照95％：5％的重量百分比，制作靶材。
9.一种表征纤锌矿结构a轴取向ZnO基薄膜的二阶非线性极化率χ(2)张量沿c轴方向分量χ33的实验方法，包括：
...【技术特征摘要】
1.宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，该薄膜是一种a轴取向li掺杂zn1-xmgxo薄膜的制备方法，包括：
2.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述a轴择优取向zn1-xmgxo薄膜的组分为：0.3<x≤0.56，0<li/(zn+mg+li)≤0.09。
3.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤a包括：按照组分比例称重原材料制作mg掺杂zno陶瓷靶和li掺杂zno陶瓷靶。
4.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤b包括：将r面al2o3衬底竖立放入定制的清洗架内，分别在丙酮、酒精和纯水中超声清洗各10分钟；之后，使用氮气枪将衬底吹干；最后，放入烘箱，在120℃保持30分钟。
5.根据权利要求1所述的宽禁带高激光损伤阈值二阶非线性光学薄膜，其特征在于，所述步骤c包括：所述射频磁控共溅射技术的工艺参数包括：当背景真空减小到7.4×10-7torr以下时，向生长室中通入o2和ar的混合气体，ar/(ar+o2)气体比例为50％-75％，流量范围在5-10sccm之间，衬底温度范围为2...
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