POWER: 16mW@800nm ; 60μW@1200nm
表4-2 : 不同樣品的合頻強度關係表
由成長在玻璃基板的一系列樣品，可分析出樣品合頻訊號是來自二極化項 ( dipole )，而非四極化項 ( quadrupole )。[2] [3]
本實驗所用的材料，有效的表面二階非線性係數來自於表面貢獻有：
1. 矽奈米晶體與二氧化矽孔洞陣列的鍵結 － 所造成的非中心對稱結 構，貢獻出二階非線性效應的二極化項 ( dipole )。
2. 二氧化矽孔洞陣列與孔洞陣列的中空層之介面 － 所造成非中心對稱 結構，貢獻出二階非線性效應的二極化項 ( dipole )。但因為四面八方都有此介 面所造成的非中心對稱效應，故以整體來看，貢獻出二階非線性效應的二極化項 將會互相抵消。
另外，本實驗所用的材料，有效的表面二階非線性係數來自於塊材貢獻有：
1. 矽奈米晶體本身 － 因為是球對稱結構 isotropic，故貢獻出二階非線性 效應的四極化項 ( quadrupole )。
2. 二氧化矽本身 － 因為是球對稱結構 isotropic，故貢獻出二階非線性效 應的四極化項 ( quadrupole )。
綜合以上討論，只有矽氧單邊鍵結時，才會有二階非線性效應的二極化項
（dipole）。而實驗數據上 ( 表 4-1 ) 來看，確實只有 pulse ICP 的樣品才有很強 的合頻訊號，間接證實了此材料具有鐵電效應，具有自發極化性。
4.5：鐵電特性的變溫量測
一 些 鐵 電 材 料 已 被 應 用 ， 其 鐵 電 性 質 中 相 當 重 要 的 鐵 電 轉 換 溫 度
（ferroelectric transition temperature）或居里溫度（curie temperature）如下表[7]：
材料 居里溫度（K） 材料 居里溫度（K）
KH2PO4 123 BaTiO3 393 KD2PO4 13 PbTiO3 769 RbH2PO4 147 CdTiO3 55 RbD2PO4 218 KNbO3 708
為了更進一步確認此新型樣品具有鐵電特性，本論文研究設計了以下的實 驗量測技術。首先利用800 nm 與 white light OPA ( 1200 nm ) 兩道飛秒雷射光源 針對樣品做合頻 ( SFG ) 產生，如圖 4-12。接著改變樣品溫度 ( 每間隔攝氏 10
°C 取一數據點 )，觀察其合頻訊號值的變化。實驗量測結果如圖 4-13 所示。升 溫過程 ( 紅線 ) 與回溫過程 ( 藍線 ) 顯示出合頻訊號強度值在這不同的過程 中具有良好的重複性。
800 480 1200
圖4-12 : 飛秒雷射 SFG 變溫量測系統圖
39
0 50 100 150 200 250 300 350 10-1
100 101
300 350 400 450 500 550 600
SFG intensity (a.u.)
temperature
(
oC)
heating cooling temperature (K)
圖4-13 : SFG 強度與升溫與回溫關係圖 變過程非常接近於二階相變化，並由文獻[4][5][6]可知，自發極化性 ( spontaneous polarization， ) 將與 成正比，可將合頻訊號強度視為自發極化性
由居里溫度的定義可知，當溫度高於此值時，樣品的鐵電特性將完全消失。
由我們擬合出的居里溫度攝氏567K 來看我們的實驗數據，確實發現當變溫過程 溫度高到 573－623K 時，幾乎無法量測到樣品的合頻訊號，因此推知理論擬合 出的居里溫度與實驗數據結果是相當吻合的。
41
4.6：Z-scan 的量測
D1 shutter
圖4-12 : Z-scan 實驗架設圖
使用入射光平均光功率為 230 mW，分別針對四種不同樣品進行 Z-scan，
pulse ICP @220mW open-aperture
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
pulse ICP un bias @205mW open-aperture
由以上實驗數據可以發現，四種不同樣品在820 nm 沒有非線性吸收，不過 在非線性折射上卻有很大的不同。第一個樣品 ( Quartz，石英晶體基板 ) 並沒 有非線性吸收與非線性折射的效應。第二個樣品 ( pulse ICP，二氧化矽孔洞陣列 嵌入矽奈米晶體 ) 為一個正透鏡效應。第三個樣品 ( pulse ICP un-bias，成長時 不外加偏壓的二氧化矽孔洞陣列嵌入矽奈米晶體 ) 也是為一個正透鏡效應。而 第四個樣品 ( MS，單純的二氧化矽孔洞陣列 ) 為一負透鏡效應。
此樣品在波長 820nm沒有非線性吸收，因此認為非線性折射可能是由於 Optical Kerr effect所造成。並採用n=n0+n2I 式子擬合出pulse ICP樣品之n2數值 約為 4×10-16 cm2/W；MS樣品之n2數值約為 -8×10-16 cm2/W。
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參考資料
[1] D. P. Yu, Q. L. Hang, Y. Ding, H. Z. Zhang, Z. G. Bai, J.J. Wanf, Y. H. Zou, W.
Qian, G. C. Xiong, and S. Q. Feng, Appl. Phys. Lett. 73, 3076, (1998).
[2] Y.R. Shen," Surface contribution versus bulk contribution in surface nonlinear optical spectroscopy," Appl. Phys. B 68, 295–300 (1999).
[3] Figliozzi P, Sun L, Jiang Y, Matlis N, Mattern B, Downer MC, Withrow SP, White CW, Mochan WL, Mendoza BS," Single-beam and enhanced two-beam second-harmonic generation from silicon nanocrystals by use of spatially inhomogeneous femtosecond pulses," Physical Review Letters 94 (4): Art. No.
047401 (2005).
[4] K. J. Choi, M. Biegalski, Y. L. Li, A. Sharan, J. Schubert, R. Uecker, P. Reiche, Y. B. Chen, X. Q. Pan, V. Gopalan, L.-Q. Chen, D. G. Schlom, C. B. Eom,"
Enhancement of Ferroelectricity in Strained BaTiO3 Thin Films," SCIENCE VOL 306 5 (2004).
[5] Chun-An TSAI, Adam Y. WU, Wan-Rone LIOU, Po-Yen TUNG and Mei-Ling YEH," The Study of Temperature Dependence of Second Harmonic Generation in Lead Lanthanum Titanate Thin Film by Corona Poling," Jpn. J. Appl. Phys.
Vol. 42 (2003) pp. 5581–5589.
[6] E. M. Dianov, P. G. Kazanskii and D. Yu. Stepanov, J. Quantum Electron. 19 (1989) 575.
[7] Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, “Solid State Physics”, P.557.