非線形光学酸化物結晶のナノクリスタル化と近接場ナノ光学プローブへの応用

非线性光学氧化物晶体的纳米晶化及其在近场纳米光学探针中的应用

• 批准号: 09241212
• 负责人: 吉本 護
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09241212/
• 关键词: LiNbO_3; 非線型光学特性; レーザーアブレーション; ナノドット; 可視発光; 超平坦サファイア; レーザーMBE成膜

本研究で取り上げたニオブ酸リチウム(LiNbO_3)は、圧電性を利用した表面弾性波素子や光導波路などの光学結晶として重要であるだけでなく、入射光強度に応じて屈折率が変化したり、波長変換を伴う光高調波発生などの優れた非線形光学特性を有しており、将来の光デバイスのキ-マテリアルとして注目されている。本研究では、我々が開発したパルスレーザー蒸着法をベースとする酸化物薄膜原子層制御技術を駆使して、LiNbO_3などの光学結晶におけるナノメーターサイズの微結晶ドット形成過程について原子レベルで検討し、さらに近接場走査光学顕微鏡への応用の観点からナノドット光学結晶の非線形光学特性を調べ、下記のような研究成果を得た。(1)超平坦サファイア基板上へのLiNbO3ナノクリスタルの合成成膜用基板として光透過性、および安定性に優れたサファイア(単結晶アルミナ)基板を用い、熱化学処理を施して分子層ステップ(0.2nm〜10nm)と原子レベルで超平坦なテラス面からなる表面を形成することができた。マルチ分子層ステップを有する超平坦サファイア基板上への堆積により、ステップ端に沿った形でのLiNbO3ナノクリスタルの合成に成功した。(2)LiNbO3ナノクリスタルの光学的特性の評価得られたLiNbO3ナノクリスタル薄膜の光学特性として、室温での可視発光(PL)特性を調べた。励起光源は、He-Cdレーザー(325nm、6.5mW)を用いた。図2に示すように、500nm付近にピークをもつPL発光が観測された。次に、SNOMにより40nmサイズのLiNbO3ナノクリスタルの非線形光学特性を評価したところ、2次の非線形光学効果を観測することができた。

本研究中讨论的铌酸锂（LiNbO_3）不仅作为利用压电的表面声波器件和光波导的重要光学晶体，而且其折射率根据入射光的强度而变化。具有伴随波长转换的光学谐波产生等优异的非线性光学特性，作为未来光学器件的关键材料而受到关注。在本研究中，我们将利用我们开发的基于脉冲激光沉积方法的氧化物薄膜原子层控制技术，在原子水平上研究LiNbO_3等光学晶体中纳米级微晶点的形成过程。我们从近场扫描光学显微镜应用的角度研究了纳米点光学晶体的非线性光学性质，并获得了以下研究成果。 (1)超平坦蓝宝石衬底上LiNbO3纳米晶的合成采用透光性和稳定性优异的蓝宝石(单晶氧化铝)衬底作为成膜衬底，进行热化学处理形成分子层步骤（我们能够形成一个由原子级（0.2 nm 至 10 nm）超平坦平台组成的表面。我们通过在具有多层台阶的超平坦蓝宝石基底上沉积，成功地沿台阶边缘合成了 LiNbO3 纳米晶体。 (2)LiNbO 3 纳米晶体的光学特性的评价作为所得LiNbO 3 纳米晶体薄膜的光学特性，研究了室温下的可见光发光(PL)特性。使用 He-Cd 激光器（325 nm，6.5 mW）作为激发光源。如图 2 所示，观察到 PL 发射的峰值约为 500 nm。接下来，当我们使用 SNOM 评估 40nm 尺寸的 LiNbO3 纳米晶体的非线性光学特性时，我们能够观察到二阶非线性光学效应。

项目成果

G.H.Lee: "“Self Assembled Island Formation of LiNbO_3 by Pulsed Laser Deposition on α-Al_2O_3 Substrate"" Appl,Surf.Sci. (印刷中). (1998)

G.H.Lee：“通过脉冲激光沉积在 α-Al_2O_3 基板上自组装岛形成”Appl，Surf.Sci（出版中）。

M.YOSHIMOTO: "Atomk-Scale Analysis of Laser MBE Growth of Oxide Thin Films by in situ RHEED and CAICISS" MRS Proc Symp.II. (印刷中). (1998)

M.YOSHIMOTO：“通过原位 RHEED 和 CAICISS 对氧化物薄膜进行激光 MBE 生长的原子尺度分析”MRS Proc Symp.II（出版中）。

M.YOSHIMOTO: "Two-dimensional Nucleation and Growth in Laser MBE of BaTiO_3 Thin Films" Mat.Sci.Eng B. (印刷中). (1998)

M.YOSHIMOTO：“BaTiO_3 薄膜激光 MBE 中的二维成核和生长”Mat.Sci.Eng B.（出版中）。