用离子注入方法制备光学晶体异质结构的机理研究

Optical crystal hetero-structure, which is constituted of the combination of different single crystal films together, can achieve many special performances that single crystal structure fails to obtain in optoelectronics devices , showing great potential in research and application of all-optical and optoelectronic integrated devices. Among all of the fabrication methods, ion implantation or smart cutting method has a unique advantage in access to high-performance optical crystal hetero-structures. However, there are still many difficulties and challenges in successfully obtaining a single crystal wafer using ion implantation, especially for many optical crystals. The major obstacle comes from the lack of understanding of physical processes of interaction between ion and host optical materials, which restricts the application of ion implantation in most of the optical crystals.Study on nature of implant-induced defects and damage is therefore critical. In this project we will study the mechanism of defects and damage in various different optical crystals induced by ion implantation, trying to find the relationship between defects or damage properties in crystal and application of smart cutting. We'll observe the microstructure of defects and reveal the evolution process of defect formation depending on experimental conditions. The project aims at providing a theoretical basis for smart cutting applied for optical crystals and achieving film stripping from different optical single crystal substrate by using ion implantation. Based on these studies, we'll try to prepare optical crystal hetero-structures in some selected optical crystals.

光学晶体异质结构将不同性质的光学单晶结合在一起，可以实现单一晶体无法实现的特殊性能，在光电集成和全光器件研究领域具有巨大的应用潜力。在获得高性能光学晶体异质结构的方法中离子注入或智能切割（smart cutting）方法具有独特的优势。然而这种方法在光学晶体上的应用还存在很多困难和挑战，对材料物理过程的研究和认识的缺乏，是限制这种方法应用的主要原因，而研究注入引起的缺陷和损伤的性质是至关重要的。本项目中我们将从多方面系统地研究离子注入在不同光学晶体中产生的缺陷和损伤的性质，明确光学晶体中缺陷和损伤的性质与实现晶片剥离之间的关系。揭示注入产生的缺陷微结构随晶体结构和实验条件变化的演变规律。建立利用控制离子注入和后处理实验条件获得光学单晶薄膜的方法。为离子注入剥离晶片在光学晶体材料上的应用提供理论依据，并以此为基础尝试在不同衬底材料上实现光学单晶薄膜的剥离和光学晶体异质结构的制备。

本项目“用离子注入方法制备光学晶体异质结构的机理研究”旨在利用离子注入的方法制备单晶光学晶体薄膜，探索制备单晶光学薄膜的新方法。针对目前智能切割方法（或晶体离子切割CIS）在光学晶体应用中的局限性，本项目主要研究了离子注入实现薄膜剥离的机理，并首次在重要氧化物光学晶体KTP上获得了微米厚度的单晶薄膜。研究内容主要包括三个部分：.（1）光学晶体离子注入后的晶体结构变化，注入损伤的分布与演变；.（2）利用离子注入实现对光学晶体的剥离，获得微米与亚微米单晶光学晶体薄膜；.（3）研究利用晶体离子切割（CIS）已经剥离的光学薄膜制备光学晶体的异质结构。.迄今本项目研究所获得的的重要结果有：.（1）对离子注入LiTaO3晶体的晶体离子切割机理进行了解释，首次给出了注入后晶体内部的应力分布和气泡尺寸与内部压力的对应关系；.（2）首次利用离子注入的方法获得了微米厚度的KTP单晶光学薄膜，并对KTP单晶薄膜的性质进行了分析和表征；.（3）采用氢氦两种离子先后注入KTP的方法，发现了离子注入光学晶体后晶体结构变化的另外一种机制；.（4）在智能切割(或晶体离子切割)获得的LiNbO3：SiO2异质结构上制备了光子晶体结构，并对其进行了分析。.主要关键数据包括：.（1）离子注入实现晶体薄膜的剥离借助的主要机制是注入后·离子形成气泡和在晶体损伤区产生的较强的应力。为此我们利用氢氦离子共注LiTaO3的方法分析了注入后LiTaO3晶体损伤区的气泡形成和应力分布。第一次给出了气泡尺寸与内部压力的关系和损伤区的应力(应变)分布。.（2）采用氦离子注入KTP晶体，第一次结合化学刻蚀的方法获得了厚度为5微米的KTP单晶薄膜.（3）分析KTP晶体不能通过键合方法获得薄膜的原因，提出了第一次提出了离子注入光学晶体后晶体结构变化的另外一种机制：非弹性形变机制。.（4）利用LiNbO3：SiO异质结构制成光子晶体结构。.以上研究内容和成果都是首次报道，尤其是注入后晶体损伤区的应力分布、KTP单晶薄膜的获得和非弹性机制的提出与解释，填补了智能切割技术在光学晶体应用中的空白。