离子束增强刻蚀铌酸锂微结构的制备和机理研究

铌酸锂晶体是一种性能优良的多功能人造晶体材料，在集成光学领域有着广泛的应用前景。离子注入增强刻蚀是一种对材料进行微加工的有效方法，它既具有图形转移精度高，能够精确刻蚀亚微米图形的优点，又能够制备具有三维特征的薄膜结构，是一种有着潜在应用背景的新方法、新模式。利用离子束增强刻蚀对铌酸锂进行微加工是国际研究的热点。本项目利用离子注入技术对铌酸锂进行改性，辅以现代光刻技术对铌酸锂进行增强刻蚀，利用二次质谱、背散射/沟道以及高分辨电镜等测试方法研究离子注入过程对铌酸锂晶格结构的影响以及损伤形成的规律，进而探讨离子束增强刻蚀铌酸锂的机理，建立基于损伤分布和刻蚀速率的模型，制备出高质量的铌酸锂微结构。本项目的研究结果能够为新型铌酸锂集成光学器件特别是光子晶体平板的研究与应用提供实验依据，并推动其在集成光学领域的进一步应用。

在本项目中，我们对MeV重离子、几百keV轻离子（质子、氦离子）注入铌酸锂的离子束增强刻蚀特性以及导波特性进行了研究。我们利用最高能量为6MeV的铜离子注入铌酸锂并进行湿法刻蚀，制备出了脊形结构，我们利用台阶仪测定了对应不同刻蚀时间的刻蚀深度，从而导出了刻蚀速率，与SRIM软件模拟的损伤结果比较分析后发现，刻蚀速率与核能量沉积的深度分布没有必然联系，但是与电子能量沉积密切相关。同时我们还利用6MeV的氧离子、硅离子注入铌酸锂，其刻蚀行为与氧注入类似，但是在表面会出现规则的裂纹，这可能与选择的注入剂量、能量有关系，裂纹的排列与铌酸锂的晶体结构有关。我们还利用6MeV的铜离子注入质子交换的铌酸锂光波导，刻蚀后形成了脊形光波导，测量了波导的形貌和近场光强分布。我们还利用250keV的氦离子注入铌酸锂，在样品内部形成了损伤掩埋层，利用底切腐蚀的特性形成了membrane结构，这种结构可以用来制备铌酸锂光子晶体。利用500keV的质子注入铌酸锂晶体制备出了性能优良的平面光波导，利用透过谱仪测试了样品在不同退火条件下的透过谱，分析了样品的折射率性质，测量了波导的近场光强分布。