ZnO之薄膜的第三階非線性折射率

The Third Order Nonlinear Refractive

Index of ZnO Film by RZ-scan

Tzu-Fang Hsu

X. H. Xie

Y. M. Hu

Abstract

The third order nonlinear refractive index n2 has been experimentally observed in ZnO film. which were deposited on the substrates of sapphire, Al2O3 (0001). We determined the third order nonlinear refractive index n2 by using the reflection Z-scan (RZ-scan) technique, in which the reflectance R relative to the location of sample and intensity of incident beam I0 were measured. As nonlinear refractive index exists, the reflectance at the vicinity of X=1 significantly dropped because of the effect of self-defocusing. In this work, we evaluate the values n2 of ZnO thin film 6.1610-4. Furthermore, we also found that the value of n2 is linearly dependent on the intensity of incident beam with lower power.

Keywords： RZ-scan, third order nonlinear refractive index, ZnO

Tzu-Fang Hsu: Assistant Professor, Department of Applied Physics, National PingTung University of Education

X. H. Xie: Graduated student, Institute of Lighting and Display Science National Central University, Department of Applied Physics, National University of Kaohsiung

氧 化 鋅 （ ZnO） 是 II-IV 族 的 半 導 體 材 料 ， 在 1935 年 【 1】 被 提 出 後，由 於 ZnO 的 能 隙（ bandgap）較 寬 廣，約 3.4eV，束 縛 能（ binding energ y） 較 大 ， 約 6 0MeV， 【 2】 ， 所 以 一 直 被 廣 泛 的 研 究 與 應 用 。 ZnO 與 氮 化 鎵（ GaN）都 是 藍 光 與 紫 外 光 之 光 學 元 件 的 重 要 材 料 ， 尤 其 是 藍 光 及 綠 光 的 發 光 二 極 體（ Light emitting diode, LED）。在 這 這 些 LED 的 製 成 上 ， 由 於 氧 化 鋅 的 晶 格 結 構 與 GaN 很 匹 配 ， 所 以 氧 化 鋅 可 作 為 成 長 GaN 的 基 板【 3】。 但 是 氧 化 鋅 塊 材 價 格 不 斐 ， 因 此 ， 近 幾 年 很 多 研 究 都 針 對 在 氧 化 鋁（ sapphire,Al2O3）基 板 上 面 成 長 氧 化 鋅 薄 膜【 4】，以 匹 配 成 長 GaN，得 到 品 質 良 好 之 發 光 二 極 體。同 時 ， 研 究 也 發 現，在 氧 化 鋅 材 料 中 摻 雜 過 渡 元 素，可 以 使 其 特 性 改 變，例 如 加 入 Al、 Ga、 In 等 等【 5】， 可 以 使 發 光 二 極 體 發 出 比 較 接 近 可 見 光 的 波 長 ； 加 入 Cr、 Mn 等 金 屬 元 素【 6】， 則 會 增 加 其 導 電 特 性 ， 使 導 電 率 增 加。此 外，ZnO 在 可 見 光 波 段 時，可 以 讓 光 束 穿 透 材 質 ： 並 且 在 摻 雜 適 當 的 物 質 時，例 如 鋁 與 鈷 等 等，可 以 導 電。由 於 這 樣 的 特 性，因 此 近 期 ZnO 被 廣 泛 應 用 於 平 面 顯 示 器 與 太 陽 能 電 池 上 面【 7】。

由 於 ZnO 的 壓 電 係 數 （ piezoelectric coefficient） 較 大 ， ZnO 可 以 當 作 壓 電 性 材 料 【 8】 ； 利 用 ZnO 的 氧 空 乏 (oxygen vacancies) 引 致 的 導 電 機 制 ， ZnO 也 可 以 用 作 氧 氣 偵 測 器 （ oxygen gas sensor） 【 9】 。 目 前 ， 對 於 氧 化 鋅 薄 膜 與 摻 雜 過 渡 元 素 的 氧 化 鋅 薄 膜 的 結 構 【 10,11】等 特 性 之 探 討 很 多。在 一 些 摻 雜 過 渡 金 屬 的 氧 化 鋅 薄 膜 中 ， 發 現 材 料 於 可 見 光 區 具 有 穿 透 性，亦 即 樣 品 具 有 光 學 性 質。在 這 些 光 學 特 性 中，這 類 樣 品 具 有 非 線 性 光 學 性 質，例 如 第 三 階 之 非 線 性 折 射 率（ n2）。 所 謂 的 第 三 階 非 線 性 折 射 率 ， 即 是 樣 品 具 有 第 三 階 之 極 化 率  (third-order nonlinear susceptibility)與 極 化 向 量(3) (3)

其 中 ， n0 是 第 一 階 之 線 性 折 射 率 。 RZ-scan 的 方 式 即 是 藉 由 量 測 入 射 光 強 度 與 反 射 率 ， 可 以 找 到 樣 品 之 第 三 階 非 線 性 折 射 率 。 這 裡 所 討 論 的 氧 化 鋅 薄 膜 樣 品 ， 是 利 用 RF-magnetron 的 方 式 製 作 。 首 先 ， 我 們 選 擇 單 面 拋 光 的 氧 化 鋁 (Sapphire， Al₂O₃)作 為 基 板 ， 晶 向 為 (0001)， 厚 度 是 0.4mm。 然 後 ， 將 基 板 置 於 成 長 腔 （ chamber） 內 ，起 始 壓 力 設 定 在 10 10 9 .

（ amplitude reflection coefficient） ， θ 為 入 射 光 角 度 。 可 以 推 導 得 到 第 三 階 非 線 性 折 射 率n 與 入 射 光 強 度₂ I 之 近 似 關 係 為 ：0 0 2 0

2

_S S

I I

n

I

I





（ 4） S I 為 材 料 的 飽 和 強 度。當 入 射 光 強 度 為 低 功 率 時，即 I 較 小 時，0 n2 與 I 成 正 比 之 關 係 ， 與 實 驗 之 趨 勢 相 似 。₀ 在 本 研 究 中，我 們 利 用 反 射 式 掃 瞄 法 的 方 式，量 測 在 氧 化 鋁 上 所 成 長 的 氧 化 鋅 薄 膜 之 第 三 階 非 線 性 折 射 率。首 先，由 其 樣 品 位 置 相 對 應 的 反 射 光 強 度 之 關 係 曲 線，可 以 判 斷 出 氧 化 鋅 薄 膜 具 有 第 三 階 非 線 性 折 射 率 ， 而 且 由 數 據 中 顯 示 樣 品 在 焦 點 處 受 到 自 我 離 焦 效 應 的 影 響，故 判 斷 其 第 三 階 非 線 性 折 射 率 為 負 值。同 時，利 用 其 反 射 率 與 入 射 光 強 度 ， 可 以 得 知 氧 化 鋅 薄 膜 的 第 三 階 非 線 性 折 射 率 之 數 值 為 -4 10 6.16 ， 此 數 值 在 低 入 射 光 強 度 時 ， 與 入 射 光 強 度 成 正 比 之 關 係 。

參 考 文 獻

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