Te-TeO2-SiO2復合薄膜的電化學-溶膠凝膠法制備及其非線性光學性能研究.pdf

1、TeOx基非線性光學薄膜材料具有優(yōu)良的非線性光學性能，在光通訊、光計算機、光信息處理等方面具有良好的應用前景。電化學-溶膠凝膠法制備薄膜結(jié)合了溶膠凝膠法和電沉積法的優(yōu)勢，能夠制備出結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)異的復合薄膜材料。本論文以TeO2-SiO2復合溶膠作為電解液，利用電化學-溶膠凝膠法在ITO導電玻璃基底上制備了Te/TeO2-SiO2復合薄膜；該薄膜經(jīng)過熱處理制備出了α-TeO2-Te/TeO2-SiO2復合薄膜；采用Z-scan方法研究了這

2、兩種薄膜的三階非線性光學性能。
　　 以正硅酸乙酯和異丙醇碲為先驅(qū)體在真空手套箱中成功制備出了澄清透明的TeO2-SiO2復合溶膠，而且溶膠在空氣中能長期保持穩(wěn)定，為電化學制備薄膜提供了基礎。采用循環(huán)伏安、Tafel曲線、交流阻抗電化學方法研究了在TeO2-SiO2復合溶膠中制備薄膜的機理。循環(huán)伏安結(jié)果表明，TeO2-SiO2體系的電化學誘導溶膠凝膠過程中包含了Te的電沉積：在析氫電位下，陰極表面區(qū)域pH值升高的誘導作用使得在電

3、極表面生成了TeO2-SiO2復合凝膠薄層；與此同時發(fā)生了Te的電沉積，使Te共沉積于TeO2-SiO2薄膜中，從而形成Te/TeO2-SiO2薄膜。采用Tafel曲線測試了復合溶膠體系中的Te電沉積過程的動力學參數(shù)，其交換電流密度為9.66×10-7A·cm-2，傳遞系數(shù)α=0.149。電化學阻抗譜顯示在陰極電位下電極表面能夠生成薄膜，電化學阻抗譜中存在的較大彌散效應表明制備的薄膜是鑲嵌結(jié)構(gòu)。
　　 SEM/EDX表征結(jié)果表明

4、：采用恒電位法制備的Te/TeO2-SiO2復合薄膜中鑲嵌了大量Te單質(zhì)顆粒，其粒徑為100～300 nm。薄膜中的Te/Si比值隨沉積電位和沉積時間不同而變化，在中間電位(-0.8 V附近)處Te/Si比值最高并且Te/Si比值隨沉積時間相對較穩(wěn)定；而在較正(-0.1 V，-0.4 V)和較負電位(-1.5 V)下Te/Si比值較低；在較正和較負電位下，隨著沉積時間延長，薄膜中的Te/Si比逐漸升高。隨著沉積時間延長，薄膜中的Te顆粒

5、逐漸長大，顆粒形狀由圓球形逐漸長大成六棱柱狀。XRD、TG結(jié)果表明，制備的Te/TeO2-SiO2復合薄膜經(jīng)過熱處理后，由于Te顆粒在空氣中部分被氧化成α-TeO2，從而可得到α-TeO2-Te/TeO2-SiO2復合薄膜。
　　 采用Z-scan法測試了薄膜的非線性折射系數(shù)、非線性吸收系數(shù)和三階非線性極化系數(shù)。制備的薄膜都屬于自散焦、飽和吸收材料，Te/TeO2-SiO2復合薄膜的三階非線性極化系數(shù)x(3)達到10-14(m/

6、V)2(或10-6 esu)，α-TeO2-Te/TeO2-SiO2薄膜也具有同等量級的非線性極化系數(shù)，兩者都遠高于碲酸鹽玻璃類材料。
　　 凝膠薄膜中的TeO2和鑲嵌其中的α-TeO2都具有[TeO4]單元的三角雙錐結(jié)構(gòu)，這是產(chǎn)生高非線性極化的原因之一，此外，薄膜中鑲嵌的具有良好導電性的Te晶體顆粒也起到了重要作用：一方面，顆粒表面等離子體的共振吸收對非線性光學效應有巨大的放大效果；另一方面，Te顆粒中的自由電子在電磁場作用下