用于使掺杂有金属的铁电材料极化的方法技术

用于使掺杂有金属的铁电材料极化的方法，该方法包括：（ｉ）在掺杂有金属的铁电材料晶体的－ｚ面限定电极图形；（ｉｉ）提供电极材料；（ｉｉｉ）在不大于４５℃的温度下进行极化；及（ｉｖ）通过基于畴成核的第一极化阶段和畴扩展第二极化阶段的两阶段受控电压的电场施加来进行极化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于使铁电材料电场极化的方法，更特别地，本专利技术涉及用于使掺杂 有金属的铁电材料极化的方法。非线性光学器件在光学领域中对于在不同波长之间的激光转换是有用的。激光转 换的一个例子包括在两倍频率(半波长)下两个光子结合产生一个新光子的二次谐波产 生。激光转换的另一例子是在较长波长下单个光子分裂为两个光子的光参量产生。在不同 波长之间转化激光的方法需要保存光子能量并且使相位匹配，从而获得有效功率。相位匹 配的要求是，非线性材料中交互作用的波的相位速度必须相等。一种相位匹配技术利用结 晶材料中的双折射获得有效的交互作用。一种替代性的相位匹配技术基于准相位匹配概 念其中通过晶体的非线性系数的周期性反转补偿交互作用的波的相位速度之差。这种周 期性反转可以通过很多技术获得，其中最普遍的是使用称为周期性极化的方法。在这种周 期性极化的方法中，使用图形化的电极向铁电材料施加高压脉冲从而产生相应的畴反转图 形。对于可见波长的二次谐波产生，需要使用具有高的非线性和对光折变损伤具有抵 抗性的材料。在周期性极化材料中，最高转换效率在一阶(first order)准相位匹配光栅 中获得，其中每个非线性交互作用所需要的周期是依赖于材料和波长的。对于可见波长的 二次谐波产生，一阶光栅的典型特性周期在2 y m和15 y m之间或更少，并且可以将其称为 小间距(pitch)光栅。很多已公开的用于周期性极化的方法都基于在US-A-5，193,023中所描述的方 法。在该美国专利中公开的方法使用在铁电基材相反主表面上形成的一对电极。为了跨基 材施加直流电压以便产生相反极化方向的畴图形，根据所需的畴反转图形将表面之一进行 图形化。为了产生畴反转，电压必须超过铁电材料所使用的所谓矫顽电压。周期性畴反转在几个铁电晶体族中是已知的，所述铁电晶体族包括，例如周期性 极化的铌酸锂、周期性极化的钽酸锂、和周期性极化的磷酸钛氧钾。虽然这些铁电晶体族中 的每一者具有相对的优点和缺点，但是周期性极化的铌酸锂晶体族仍是用于频率转换用途 的普遍选择，因为已知铌酸锂在所有铁电晶体中具有最大的非线性。一种对于二次谐波产生具有吸引力的材料是镁掺杂的铌酸锂(Mg掺杂的LiNb03)。 这是因为向铌酸锂从其中生长的熔体中加入少量百分比的镁已显示出显著地降低在该材 料中的光折变效应。这是由于其中的光电导性增加到未掺杂材料的约100倍。与如果使 用类似的未掺杂晶体相比，以这种方式降低光折变效应允许在可见波长下更稳定的工作， 并允许将周期性极化器件设计为在更低的温度下使用。还已知镁掺杂降低铌酸锂的矫顽电 压，并改变铌酸锂的极化特性。镁掺杂的铌酸锂中所使用的典型掺杂剂浓度为1-7M01 %，在 约5Mol%时其具有最好的光折变抵抗性。从生产的观点而言，在接近室温的环境条件下需要进行电场极化，因为这将减少 方法的复杂度和成本。并且，需要使用具有液体凝胶电极的方法，因为这些电极不需要与金 属电极相关的额外沉积和移除步骤。对于在镁掺杂的铌酸锂中的二次谐波产生，需要产生 具有相等标间比率(mark-to-space ratio)和一阶准相位匹配周期的周期性极化的光栅。还需要在整个晶体厚度中进行畴反转以便增加有效的孔尺寸。为了较高的反转效率，需要 组合小间距光栅以及全厚度的畴反转。本专利技术的目的是提供一种用于使掺杂有金属的铁电材料周期性极化的方法，并且 该方法满足上述所需的生产需求中至少一些。相应地，在本专利技术的一个非限制性实施方案中提供了一种用于使掺杂有金属的铁 电材料极化的方法，该方法包括(i)在掺杂有金属的铁电材料晶体的-Z面上限定电极图形；(ii)提供电极材料；(iii)在不大于45°C的温度下进行极化；及(iv)通过基于畴成核的第一极化阶段和畴扩展的第二极化阶段的两阶段受控电 压的电场施加来进行极化。使用本专利技术的方法，认为畴成核之后跟随畴扩展的两阶段极化是独特的。该两阶 段极化能够在掺杂有金属的铁电材料中获得小间距的全厚度畴反转图形。本专利技术的方法能 够在环境温度下进行，从而减少了方法的复杂度和成本。电极图形可以为设计成获得相匹配性能的任意畴图形。优选地，电极图形是周期 性电极图形。然而，对某些应用而言，可能期望具有相对于通过周期性电极图形提供的简单 替代性的正畴和负畴更为复杂的图形。优选地，该方法是这样的方法其中铁电材料为铌酸锂、钽酸锂或磷酸钛氧钾。可 以使用其它铁电材料。该方法可以是这样的方法其中金属为碱土金属或过渡金属。优选地，碱土金属是 镁。优选地，过渡金属是锌或铪。可以使用其它碱土金属和其它过渡金属。优选地，铁电材 料的晶体掺杂有大于4Mol%的镁。对于其它金属，可以使用不同的摩尔百分比。该方法可以是这样的方法其中畴成核的第一极化阶段包括使用8-10kV/mm电 压，和1-lOms的脉冲持续时间以及脉冲为关断(off)的时间长于50%的接通(on)/关断循 环使一系列大于1个的脉冲极化。该方法可以是这样的方法其中畴扩展的第二极化阶段包括一系列一个或多个具 有1-100分钟持续时间的3-5kV/mm的脉冲。该方法可以是这样的方法其中电极材料为凝胶、液体或金属形式。与金属相比， 凝胶和液体是优选的，因为它们能够避免与使用金属电极相关的沉积和移除步骤。凝胶是 优选的电极材料，因为其既易于使用也易于移除。凝胶可以是氯化锂凝胶或基于有机离子 的凝胶。液体可以是氯化锂液体。为了有利于全面和完全地理解本专利技术，现在将参照所附实施例。 实施例制备了适用于极化的具有绝缘体结构的铁电晶体。这是通过如下方式实现的清 洗，用光致抗蚀剂层旋涂铁电晶体，用合适的掩模对准器和掩模来光学光刻曝光，以及光致 抗蚀剂图形的显影。从3英寸晶片形式的光学级5Mol%镁掺杂的铌酸锂z切割的铁电晶体为0. 5mm 厚，该晶片的两个z面都抛光到光学光洁度。在Shipley S1813光致抗蚀剂中将绝缘体图形施加至晶片的_z面。所使用的光 学光刻法在光致抗蚀剂中限定了 6. 7μπι周期图形，而15-25%的周期限定为开口。然后将 晶片置于夹具中，使用导电凝胶作为电极材料使夹具与图形化的晶片的-ζ面及未图形化 的晶片的+ζ面进行电接触。将铁电晶体置于夹具中，该夹具与图形化的面以及相反面上平坦电极电接触。使 用导电凝胶进行电接触。典型地，然后使晶体的-ζ面图形化。通过两阶段受控电压的电场施加进行室温极化。第一极化阶段为畴成核阶段。畴 成核的第一极化阶段包括使用一系列电压脉冲以横穿整个铁电晶体整个厚度形成位于每 个图形电极转角处(众所周知，此处的电场强度典型地最高)的小畴反转区域。所使用的电 压为5kV。所使用的脉冲持续时间为lms，而接通/关断(on/off)工作循环比率为30 70。 取决于待极化的所需图形化区域，使用数十个脉冲。在畴成核的第一极化阶段期间，选择脉冲系列的电压高于材料的矫顽电压，但低 于导致铁电晶体导电故障或损伤所需的电压。选择脉冲系列的持续时间和重复速率足够短 以形成畴反转位点(site)且在畴图形周期之间没有吞并，但足够长以保证极化位点横贯 铁电晶体的整个厚度。选择在畴成核的第一极化阶段所使用的脉冲数目以保证在每个图形 化电极的末端形成极化成核位点。这取决于图形化区域的尺寸和布置本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于使掺杂有金属的铁电材料极化的方法，该方法包括：（ｉ）在掺杂有金属的铁电材料晶体的－ｚ面上限定电极图形；（ｉｉ）提供电极材料；（ｉｉｉ）在不大于４５℃的温度下进行极化；及（ｉｖ）通过基于畴成核的第一极化阶段和畴扩展的第二极化阶段的两阶段受控电压的电场施加来进行极化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2008-2-15 0802852.4用于使掺杂有金属的铁电材料极化的方法，该方法包括(i)在掺杂有金属的铁电材料晶体的 z面上限定电极图形；(ii)提供电极材料；(iii)在不大于45℃的温度下进行极化；及(iv)通过基于畴成核的第一极化阶段和畴扩展的第二极化阶段的两阶段受控电压的电场施加来进行极化。2.根据权利要求1的方法，其中的电极图形是周期性的电极图形。3.根据权利要求1或2的方法，其中铁电材料是铌酸锂、钽酸锂或磷酸钛氧钾。4.根据任一前述权利要求的方法，其中金属是碱土金属或过渡金属。5.根据权利要求4的方法，其中碱土金属是镁。6.根据权利要求5的方法，其中铁电材料晶体掺杂有...

【专利技术属性】
技术研发人员：CBE贾维斯，PGR史密斯，HE梅哲，
申请(专利权)人：南安普敦大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]