ISBN 978-3-8439-1431-4

978-3-8439-1431-4, Reihe Physik

Sebastian Heinrich
Kristalline In₂O₃- und α-Al₂O₃-Schichten dotiert mit optisch aktiven Seltenerd-Ionen

160 Seiten, Dissertation Universität Hamburg (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung von Seltenerd-dotierten In₂O₃- und alpha-Al₂O₃-Schichten mit dem Verfahren der Pulsed Laser Deposition (PLD) sowie die strukturelle und spektroskopische Charakterisierung der gewachsenen Schichten. Kristalline Metall-Sauerstoff-Verbindungen wie In₂O₃ oder alpha-Al₂O₃ zeichnen sich durch ihre exzellenten optischen und mechanischen Eigenschaften aus. Mit optisch aktiven Seltenerd-Ionen dotierte, kristalline Materialien verfügen über schmalbandige Emissionslinien und bilden somit eine vielversprechende Basis für frequenzstabile und kompakte optische Elemente, wie sie beispielsweise in der integrierten Optik zum Einsatz kommen.

Erstmals konnte bei Schichtwachstum auf einkristallinen Lu₂O₃-Substraten das epitaktische Wachstum von Seltenerd-dotiertem In₂O₃ beobachtet werden. Bedingt durch die Gitterfehlanpassung zum Lu₂O₃-Substrat wurden dabei Verspannungen im In₂O₃-Kristallgitter induziert. Deshalb wurden neben den In₂O₃- auch gitterangepasste (In, Y)₂O₃-Schichten auf Lu₂O₃ gewachsen. Die kristalline Struktur der hergestellten Schichten wurde mittels Elektronenbeugung und Röntgenbeugung verifiziert. Die Fluoreszenzlebensdauer des 4F3/2-Niveaus von Nd3+ in den kristallinen In₂O₃- bzw. (In, Y)₂O₃-Schichten beträgt ca. 250 µs. Dieser Wert entspricht der Fluoreszenzlebensdauer in Nd3+ dotierten Lu₂O₃-Volumeneinkristallen und ist ein Hinweis auf die hohe Kristallqualität der hergestellten Schichten.

Ein epitaktisches Schichtwachstum wurde auch bei den auf alpha-Al₂O₃ gewachsenen Seltenerd-dotierten alpha-Al₂O₃-Schichten angestrebt. Dabei wurde beobachtet, dass die Schichtherstellung bei Substrattemperaturen unterhalb von 1030°C im Wachstum von Seltenerd-dotierten Al₂O₃ -Schichten in gamma-Modifikation resultierte. Die alpha-Modifikation von Al₂O₃ konnte bei Substrattemperaturen oberhalb von 1030°C stabilisiert werden. Selbst bei hohen Seltenerd-Konzentrationen von einigen at.% wurde dabei kristallines Schichtwachstum beobachtet. Die erreichte Seltenerd-Konzentration in kristallinem alpha-Al₂O₃ liegt um mehr als einen Faktor 100 höher als die Konzentration, die bei der Kristallzüchtung aus der Schmelze erreicht werden kann. Sowohl aufgrund der strukturellen als auch der spektroskopischen Eigenschaften stellt Seltenerd-dotiertes alpha-Al₂O₃ ein sehr vielversprechendes Lasermaterial dar.