 Material Sciences 材料科学, 2012, 2, 42-46 http://dx.doi.org/10.12677/ms.2012.21007 Published Online January 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ms) Study on the Process of Nd:Y3Al5O12 Thin Films by Evaporation Deposition Qun Zeng1, Yo ngheng Zhou1, Hao Ren1,2, Songhao Liu1 1Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, School for Information and Optoelectronic Science and Engineering, South China Normal University, Guangzhou 2Guangzhou Research Institute of Optics-Mechanics-Electricity Technology, Guangzhou Email: qunzeng@scnu.edu.cn Received: Nov. 21st, 2011; revised: Dec. 19th, 2011; accepted: Dec. 23rd, 2011 Abstract: Nd:YAG thin films have been prepared by electron beam evaporation deposition in the study. The influences of different substrates, different coating materials and annealing temperatures on the structures of Nd:YAG thin films were investigated with XRD and SEM. Also, the optical properties of Nd:YAG thin films were characterized by spec- trophotometer. The Nd:YAG thin films deposited on Si from Nd:YAG powder blocks have single YAG crystal structure after annealing at 1100˚C. And the grains of the thin film are uniform and fine. In addition, the photoluminescence spectra of Nd:YAG thin films were measured at room temperature, and photoluminescence spectrum in the region of 1064 nm peak was detected. Keywords: Electron Beam Evaporation Deposition; Nd:YAG Thin Film 真空蒸镀 Nd:YAG薄膜的工艺研究 曾 群1，周永恒 1，任 豪1,2，刘颂豪 1 1华南师范大学，信息光电子科技学院，广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广州 2广州市光机电技术研究院，广州 Email: qunzeng@scnu.edu.cn 收稿日期：2011 年11 月21日；修回日期：2011 年12 月19 日；录用日期：2011 年12 月23 日 摘 要：本文采用真空电子束蒸发镀膜工艺制备 Nd:YAG 薄膜，结合 XRD、SEM 等手段分析研究不同衬底材 料、镀膜材料以及退火温度对薄膜材料结构的影响，并分析测试了 Nd:YAG 薄膜的光致发光特性。镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块，Si 片上沉积的 Nd:YAG 薄膜材料，经 1100˚C退火后，具有单一 YAG 晶相结构，薄膜结晶晶 粒均匀细小，并在室温下测试获得1064 nm主荧光峰的宽带荧光光谱。 关键词：电子束蒸发；Nd:YAG薄膜 1. 引言 在薄膜材料的制备中，常见的沉积方法有：热蒸 发(Thermal Evaporation)、电子束蒸发(EBE，E-Beam Evaporation)、脉冲激光沉积(PLD，Pulsed Laser Deposition)、磁控溅射(Magnetro n Sp ut t eri n g) 、分 子束 外延(MBE，Molecular-Beam Epitaxy)、化学气相沉积 (CVD，Chemical Vapor Deposition)等[1-4]。其中的电子 束方法因其薄膜沉积均匀、蒸发速率和薄膜膜厚容易 控制、成膜面积大、成本适中等特点，在超导薄膜[5]、 多层金属/合金巨磁阻薄膜、纳米薄膜、超晶格薄膜等 得到了人们的普遍关注。 电子束蒸发系统一般由真空腔体、电子枪、坩埚、 膜厚监控和系统控制单元构成，利用电子束的能量熔 Copyright © 2012 Hanspub 42  真空蒸镀 Nd:YAG 薄膜的工艺研究 化蒸发源成为蒸汽后沉积到衬底上。早在二十世纪初 人们就发现在真空中聚焦阴极射线(电子)可熔解难熔 材料[6]。1933 年Brain和Skinner 利用加速电子加热石 墨坩埚进行材料蒸发[7]，随后人们发明了很多电子束 技术，电子束蒸发薄膜制备得到了快速发展。 我们知道，钇铝石榴石(Y3Al5O12，简称YAG)是 一种重要的无机非金属功能材料，也是一种优质的固 体激光基质材料。金属离子对 YAG 的掺杂，例如 Nd 掺杂 YAG(Nd3+:Y3Al5O12)是目前综合性能最优，应用 最广泛的激光工作物质。YAG 基固体激光工作物质主 要包括晶体、透明陶瓷等不同的固体形态，但晶体、 透明陶瓷等无法满足集成光学、光电集成等领域的发 展要求，存在尺寸、加工等方面的困难，而 YAG 基 薄膜目前已广泛用在光平面波导、带波导结构的激光 晶体和波导激光器等[8,9]。 本文则采用真空电子束蒸发制备Nd:YAG薄膜， 并研究了不同镀膜材料和退火温度对薄膜材料结构 与性能的影响。 2. 实验 制备方法 制备 Nd:YAG 薄膜材料，使用了两种衬底材料： 抛光的熔融石英片以及单面抛光、(100)取向的 P型单 晶Si 片。衬底材料使用前，用丙酮、乙醇及去离子水 进行超声波清洗，将清洗的衬底基片放置在坩埚正上 方的工件架上，并调节衬底基片与坩埚的距离为 55 cm。 YAG 薄膜利用电子束蒸发沉积在石英玻璃或者 Si 片上，蒸发材料有三种： 1) Nd:YAG粉体压制成 的块体，2) Nd:YAG单晶材料，3) Nd:YAG陶瓷材料。 第一种镀膜材料，采用购买的商业高纯 Nd:YAG 粉体 压制成块体；第二种镀膜材料为商业化的 Nd:YAG单 晶；第三种镀膜材料，则为通过传统的陶瓷制备工艺 制备获得：选用高纯 Y2O3、Al2O3、Nd2O3粉体材料， 按照所需要制备的浓度的Nd:YAG 的组成配方，使用 精密电子天平精确称量各化学原料粉体，然后放入球 磨罐中球磨混合，球磨后的料浆放入干燥箱在 120˚C 下，干燥 24 小时；干燥后的粉体，用钢模压制成圆 片，再在 200 MPa的压强下进行冷等静压。压制的素 坯在真空钨丝炉中 1750˚C烧结 10小时，制备获得 Nd:YAG陶瓷材料，陶瓷材料的 XRD 图谱见图1。由 图1可见陶瓷片呈现单一的YAG 相。 采用 WTX1100-2DS-1 型电子束蒸发镀膜机，电 子枪最大功率 6000 W，E型电子枪产生电子束打在放 置在坩埚内的 Nd:YAG膜料上，使膜料加热蒸发，在 衬底上形成 Nd:YAG薄膜。 通过对比实验优化镀膜工艺。镀膜时，首先将电 子束蒸发沉积装置的真空腔抽成高真空，真空度达到 5 × 10–3 Pa，然后充入氧气至 2 × 10–2 Pa，对衬底基片 进行 200˚C加热预烘烤 15分钟，并保持衬底基片的 温度。开启电子枪产生电子束，聚焦射入放置在坩埚 内的掺钕钇铝石榴石基膜料坯体中，采用电子束圆形 自动扫描加热预熔烧结掺钕钇铝石榴石基膜料坯体， 电子枪功率 1000 W，预熔烧结 20 分钟；随后，加大 电子枪功率至 1500 W，聚焦电子束直接射入进一步 加热坯体，使其熔融并蒸发在衬底上沉积形成掺钕钇 铝石榴石基薄膜。镀膜后，采用国产定制的高真空高 温加热设备，在 5 × 10–3 Pa真空条件下，对制备在衬 底上的 Nd:YAG 薄膜样品进行700˚C~1100˚C高温退 火处理 1小时。 采用日本 HITACHI 公司 S-3400N 扫描电镜测试 Nd:YAG薄膜的表面形貌，采用荷兰 PANalytical 公司 X’Pert Pro 型 X射线衍射仪(辐射源为 Cu 靶Kα，40 KV，40 mA，λ = 0.15406 nm，扫描范围为10˚~60˚) 进行 Nd:YAG 薄膜的物相分析，采用钛蓝宝石激光器 作为激发光源，发射波长调至 808 nm，液氮冷却的 Figure 1. The XRD patterns of Nd:YAG ceramics sintered at 1750˚C 图1. 1750˚C烧结获得的Nd:YAG 陶瓷材料的 XRD 图谱 Copyright © 2012 Hanspub 43  真空蒸镀 Nd:YAG 薄膜的工艺研究 InGaAs 陈列探测器测试 Nd:YAG 薄膜室温下的荧光 光谱。 3. 结果与讨论 3.1. 衬底不同时 Nd:YAG 薄膜的 X射线衍射 分析 图2为以石英玻璃为衬底材料、经1100˚C退火 的Nd:YAG薄膜材料的 X射线衍射图谱。由图可看到， 石英玻璃片上沉积Nd:YAG 薄膜的效果不理想，无明 显晶相结构出现，这可能是由于膜在基体上的附着能 力不强，退火过程中膜脱落而造成的。 图3为经 1000˚C退火、在单晶 Si 片上沉积的 Nd: YAG 薄膜材料的X射线衍射图谱。由图可看到，单 晶Si 片上沉积的 Nd:YAG薄膜呈现 YAG 晶相结构， 薄膜材料呈现多晶状态。 3.2. 镀膜材料不同时 Nd:YAG 薄膜的XRD 分析 图4示出了镀膜材料为Nd:YAG 粉体块体，经 1100˚C退火，沉积在Si 片上 Nd:YAG 薄膜的XRD图 谱。由图可看到，薄膜形成纯YAG 相；并呈(420)取 向生长，薄膜有效结晶、质量良好。 图5、图 6分别为镀膜材料为 Nd:YAG陶瓷块、 单晶，经1100˚C退火、Si片上 Nd:YAG 薄膜的 XRD 图谱。由图可看到，薄膜材料呈现 YAG晶相结构， 且呈现多种取向共同生长的结构。 3.3. 退火温度对 Nd:YAG 薄膜晶相结构的影响 图7为镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块，沉积在 Si 片上的 Nd：YAG薄膜经不同温度 a) 700˚C；b) 1000˚C； c) 1100˚C退火后的XRD 图谱。由图可见，随着温度 的升高，薄膜的取向性越好。 3.4. 薄膜表面形貌的观察 利用 SEM 观察了镀膜材料为 Nd:YAG粉体块， 沉积在硅片的Nd:YAG 薄膜材料的表面形貌(退火温 度为 1100˚C)，如图 8所示。由图可以看出薄膜的表 面较为光滑，制备的薄膜较平坦，结晶晶粒均匀细小。 3.5. 薄膜的荧光光谱测试 室温下，镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块、沉积在硅 10 20 30 40 50 60 Intensity (a.u.) 2 (degree) Figure 2. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on silica glass after annealing at 1100˚C 图2. 以石英玻璃为衬底材料、经 1100˚C退火的 Nd:YAG 薄膜材 料的 X射线衍射图谱 10 20 30 40 50 60 (640) (721) (620) (420) Intensity (a.u.) 2 (degree) Figure 3. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an- nealing at 1000˚C 图3. 以单晶 Si 片为衬底材料、经 1000˚C退火的Nd:YAG 薄膜材 料的 X射线衍射图谱 10 20 30 40 50 60 (721) (620) (521) (211) Intensity (a.u.) 2 ( de g ree ) (420) Figure 4. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an- nealing at 1100˚C, coating material is Nd:YAG powder blocks 图4. 镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块体，经1100˚C退火，沉积在 Si 片上 Nd:YAG薄膜的 XRD 图谱 Copyright © 2012 Hanspub 44  真空蒸镀 Nd:YAG 薄膜的工艺研究 10 2030 4050 60 (532) (721) (640) (620) (211) (420) Inten sity (a.u .) 2 (degree) Figure 5. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an- nealing at 1100˚C, coating material is Nd:YAG ceramics 图5. 镀膜材料为 Nd:YAG 陶瓷块，经 1100˚C退火，沉积在 Si 片 上Nd:YAG 薄膜的 XRD 图谱 10 20 30 40 50 60 (721) (640) (620) (532) (211) (420) Intensity (a.u.) 2 (degree) Figure 6. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an- nealing at 1100˚C, coating material is Nd:YAG single crystal 图6. 镀膜材料为 Nd:YAG 单晶，经 1100˚C退火，沉积在 Si 片上 Nd:YAG 薄膜的 XRD图谱 10 20 30 4050 60 (721) (620) (521) (211) (c) (b) Intensity (a.u.) 2 (degree) (420) (a) Figure 7. The XRD patterns of Nd:YAG thin films on Si after an- nealing at (a) 700˚C; (b) 1000˚C; (c) 1100˚C, coating material is Nd: YAG powder blocks 图7. 镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块，沉积在Si 片上的 Nd:YAG 薄 膜经不同温度(a) 700˚C；(b) 1000˚C；(c) 1100˚C退火后的 XRD 图 谱 片的 Nd:YAG 薄膜材料的荧光光谱如图 9所示。由图 可见，材料在 1064 nm处可见明显的主荧光，波峰半 高宽为 41.0 nm，其对应于 Nd3+的4F3/2~4F11/2 跃迁，始 于4F3/2 能级的 R2分量，终止于 4F11/2 能级的 Y3分量 [10]。 4. 结论 本文首次尝试采用电子束蒸发镀膜工艺制备获 得Nd:YAG 薄膜，分析研究了石英玻璃、硅片(100) 两种不同衬底材料，三种不同镀膜材料以及不同退火 温度对薄膜材料结构的影响，并对制备获得的质量良 好的薄膜材料进行了 SEM 表面形貌观察，测试了 Nd:YAG 薄膜的光致发光特性。镀膜材料为Nd:YAG 粉体块，经 1100˚C退火、沉积在Si 片上的 Nd:YAG Figure 8. SEM morphologies of the Nd:YAG thin films on Si, coating materials is Nd:YAG powder blocks (annealing at 1100˚C) 图8. 镀膜材料为 Nd:YAG 粉体块、沉积在硅片的Nd:YAG 薄膜 材料的表面形貌照片(退火温度为1100˚C) Figure 9. Photoluminescence spectrum of Nd:YAG thin film 图9. Nd:YAG薄膜样品荧光光谱图 Copyright © 2012 Hanspub 45  真空蒸镀 Nd:YAG 薄膜的工艺研究 Copyright © 2012 Hanspub 46 薄膜材料具有单一 YAG 晶相结构，薄膜质量良好， 结晶晶粒均匀细小，并在室温下测试获得了 1064 nm 主荧光峰的宽带荧光光谱。硅衬底上沉积获得的 Nd: YAG 薄膜可望在硅基光电集成方面得到广泛地应用。 5. 致谢 本文特别感谢2009年广州市应用基础研究计划 项目(项目编号：2009J1-C411)的资助。 参考文献 (References) [1] 吴自勤, 王兵. 薄膜生长[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 320- 353. [2] 余志强, 谢泉, 肖清泉. Mg2Si 薄膜的磁控溅射制备及表征 [J]. 材料导报, 2011, 6(25): 56-58. [3] 杨水长, 廖志君, 刘振良, 范强, 伍登学, 卢铁城. 碳化硼薄 膜的电子束蒸发制备及表面分析[J]. 稀有金属材料与工程, 2009, 12(38): 564-567. [4] 邵起越, 袁涛, 李爱东, 董岩, 方峰等. 新型无碳前体在高 k 氧化物薄膜化学气相沉积上的应用[J]. 功能材料, 2008, 4(39): 574-577. [5] 吴克, 余增强, 张解东等. 电子束蒸发在不同 Ar 气氛下外退 火制备 MgB2超导薄膜[J]. 低温物理学报, 2006, 28(3): 212. [6] M. Pirani. Production of homogeneous bodies from tantalum or other materials. US Patent, #848600, 1907. [7] H. M. 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