关键词：
离子注入
TiO2纳米材料
光学特性调控
激子吸收与发光
电子束光刻
光栅耦合器
摘要：
纳米材料因具有优良的物理、化学与机械特性而受到广泛的关注。自纳米材料的概念提出以来,其合成、结构与物性调控以及在光电子领域的应用一直是人们研究的热点。制备纳米材料的方法有很多种,其中,离子注入法合成的纳米材料不仅具有良好的功能性与兼容性,而且可以有效地解决形成的纳米复合层牢固性差、与基底界面失配等问题,因此该方法已成为合成镶嵌各类纳米材料复合层的一种重要手段。目前,人们利用离子注入方法已制备出多种金属、非金属及金属氧化物纳米材料,但离子注入过程的控制变量较多,如何有效调控纳米结构的形貌并实现对纳米材料物理性能的可控调节仍然是具有挑战性的问题。此外,离子注入制备的纳米材料因其优异的光学特性,目前已被应用于传感器、探测器等光学器件中,但是关于其在光栅耦合器中的应用研究却鲜有报道。本论文首先通过改变离子注入参数制备出不同形貌的TiO2纳米结构,系统研究其形貌、尺寸、光学特性与注入离子种类、离子剂量以及热退火温度等因素的依赖关系;其次探究了基于离子注入法制备的镶嵌金属纳米颗粒的复合层在平面光栅耦合器中的应用。具体研究内容及结果如下:
（1）研究了离子注入条件对合成的TiO2纳米结构的形貌和光学特性的影响。采用Ti离子单注入或Ti离子与Au、Ag、Cu、Zn离子顺次注入并结合后续热处理,在SiO2基底中合成了TiO2纳米结构,其中Ti离子注入能量为45 ke V,剂量分别为5.0×1016、1.0×1017、1.5×1017和2.0×1017ions/cm2,Au、Ag、Cu和Zn离子的注入能量分别为80、70、45和45 ke V,剂量均为3.0×1016ions/cm2。结果表明,Au或Ag离子附加注入合成的TiO2纳米结构为颗粒状,其形貌与Ti离子单注入所合成的纳米颗粒类似,但是,纳米颗粒的尺寸会略有增大,并且光学带隙略有减小;Cu或Zn离子附加注入并经高温退火后均会在表面形成大量TiO2纳米棒,且纳米棒的尺寸随Ti离子剂量与退火温度的升高而增大。Cu或Zn离子的掺杂使得合成的TiO2纳米棒在可见光范围的吸收显著增强且吸收带边明显红移,光学带隙相应地显著减小。此外,基于实验结果,分析并提出了TiO2纳米棒形成及其热生长的微观机制。
（2）研究了采用双离子顺次注入所合成的TiO2纳米棒在室温下的激子吸收和激子发光现象。通过在SiO2基底中顺次注入能量均为45 ke V的Ti和Cu离子并结合后续的高温退火合成了TiO2纳米棒,其中Ti离子剂量分别为1.0×1017、1.5×1017和2.0×1017ions/cm2,Cu离子剂量分别为3.0×1016和5.0×1016ions/cm2。结果表明,合成的TiO2纳米棒在室温下表现出显著的激子吸收与激子发光,激子吸收和发光峰的强度随Ti离子剂量的增加而增大,且在相同的Ti离子剂量下,Cu离子剂量增大会导致激子吸收和发光峰发生明显的红移。研究揭示出室温下强激子效应的产生是由于在TiO2纳米棒的热生长过程中,大量的Cu O会在其表面聚集,导致了在TiO2与Cu O的界面处形成大量的表面偶极子,进而增大了TiO2的激子结合能。
（3）基于离子注入法合成含Au、Ag或Cu纳米颗粒的SiO2纳米复合层,利用电子束光刻及反应离子束蚀刻技术制备出纳米复合结构光栅耦合器,并详细研究了它们的光耦合特性。Au、Ag、Cu离子的注入能量分别为130、90和60 ke V,剂量均为6.0×1016ions/cm2,所构建的光栅耦合器面积约为4×4 mm2、周期约为600.0 nm。结果表明,纳米颗粒的引入可使光栅耦合器的耦合效率显著提高,这是由于金属纳米颗粒的存在增大了纳米复合层的折射率,并为光束提供更强的周期性相位调制,同时,含有金属纳米颗粒的栅齿可以作为有效的光散射体,进一步增强了透射光束的周期性幅度调制。此外,还在理论上推导出导波偏转角与入射光束极角和方位角之间的函数解析关系,分析了光束倾斜入射时导波的偏转特性,其理论计算结果与实验结果基本一致。
（4）研究了Au纳米颗粒的热演变对Au/SiO2纳米复合结构光栅耦合器耦合效率的影响。实验结果表明,随着热退火温度的升高,纳米复合层中Au纳米颗粒的尺寸逐渐增大,但体积分数逐渐减小。光栅耦合器的耦合效率受纳米颗粒尺寸和体积分数的协同影响,在800 ~oC及以下温度,随退火温度的升高单调增加,而在900 ~oC及以上的退火温度,其耦合效率逐渐降低。此外,利用时域有限差分法仿真了Au纳米颗粒的体积分数、分布深度及光栅的占空比对Au/SiO2光栅耦合器耦合效率的影响,结合数值分析给出了进一步提升Au/SiO2光栅耦合器耦合效率的理论方案。
