面向太赫兹应用的碲化锌晶体生长及性能研究

来源 :中国科学院上海技术物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:b411574103
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ZnTe晶体是一种II—VI族化合物半导体材料,具有直接跃迁能带结构,室温下禁带宽度为Eg=2.2 eV。ZnTe晶体具有较大的二阶非线性系数与电光系数,所以常被用作THz电磁波辐射与探测晶体。此外,ZnTe晶体在绿光发射器件、太阳能电池、波导和调制器等各种光电器件方面具有广阔地应用前景。   本论文报道了ZnTe晶体生长、材料表征和性能分析等方面的研究结果,给出了ZnTe晶体用于太赫兹辐射、探测方面的初步成果。论文主要包括以下内容:   1.设计并搭建了一套垂直布里吉曼炉,利用该设备生长出ZnTe单晶。采用Te溶剂法(Zn:Te=3:7)合成、生长单晶。该方法可以有效降低晶体结晶温度,并且设备简单、操作简便。利用该设备生长晶体,获得(110)、(111)、(331)三个晶面方向的ZnTe单晶。   2.利用X射线衍射仪分析了ZnTe单晶结构,测试结果表明:<110>晶向为晶体生长的优选方向,晶体质量良好。利用可见一近红外透射光谱仪测试了ZnTe晶体透射率,计算出晶体禁带宽度为2.24 eV。利用傅立叶红外光谱仪测量晶体在2.5—20μm波段的红外透射光谱,红外透过率约60%左右,整条透射曲线比较平坦,未见吸收峰出现。利用632.8 nm的He—Ne激光器测试ZnTe晶体室温拉曼光谱,共发现ZnTe晶体的五个拉曼峰。其中两条拉曼峰175 cm-1和202 cm-1分别为ZnTe的一级拉曼峰,标记为横向光学声子模(TO)(175 cm-1)和纵向光学声子模(LO)(202 cm-1)。利用扫描电子显微镜(SEM)和红外透射显微镜分析了晶体内部缺陷和夹杂物。   3.自由空间模式下,利用生长的<110>,<331>晶向ZnTe单晶进行THz辐射、探测性能研究,均成功地获得THz信号。研究表明,<331>晶向ZnTe单晶作为THz辐射晶体具有良好的辐射性能。本实验还利用ZnTe多晶成功辐射出THz信号,观察到脉冲半峰宽度为0.36 ps的HHz时域光谱信号,响应频域可达2.5THz。利用泵浦-探测技术在同一块<110>晶向ZnTe单晶上成功地实现了THz的辐射和探测,观察到脉冲半峰宽度约为0.18 ps的THz时域光谱信号,响应频域超过5 THz,频谱半峰宽约为3THz。   4.借助THz时域光谱系统,研究了ZnTe单晶在0.2—2.5THz的光学特性。研究结果表明:随着频率增高,ZnTe晶体折射率从3.16增加到3.3。在1.6 THz处,由于横向声子TA(X)线的吸收,吸收系数出现最大值,其值为15 cm-1。通过测量样品在0.2—2.5 THz波段的透射光谱,得到ZnTe单晶在该波段复折射率和复介电常数随频率的变化。   5.论文最后部分介绍利用垂直布里吉曼法生长Cd1-xZnxTe(x=0.04)单晶,借助THz时域光谱系统研究Cd1-xZnxTe(X=0.04)单晶在0.2—2.5THz波段的光学特性。计算了Cd1-xZnxTe晶体在此波段的吸收系数,发现晶体在1.6 THz(53.3 cm-1)和2.1 THz(70cm-1)处出现吸收峰,分别归因于ZnTe在CdTe晶体中的局域声子振动模式和类CdTe的2TA声子模式,该结论与低温远红外光谱测试结果一致。通过测量样品在0.2—2.5THz波段的透射光谱,得到Cd1-xZnxTe(X=0.04)单晶在该波段复折射率和复介电常数随频率的变化。
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