JP3214741B2 - Nonlinear optical thin film and method of manufacturing the same - Google Patents

Nonlinear optical thin film and method of manufacturing the same

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JP3214741B2 JP31123292A JP31123292A JP3214741B2 JP 3214741 B2 JP3214741 B2 JP 3214741B2 JP 31123292 A JP31123292 A JP 31123292A JP 31123292 A JP31123292 A JP 31123292A JP 3214741 B2 JP3214741 B2 JP 3214741B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学材料用の微
粒子分散複合薄膜に関し、特に強誘電性材料や高誘電性
材料のマトリックス中に金属の微粒子を分散析出させた
非線形光学材料の薄膜に関する。この微粒子分散複合薄
膜は、光スイッチや光波長変換素子等、光情報分野にお
いて用いられる大きな非線形光学効果を有する材料とし
て利用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine particle-dispersed composite thin film for a nonlinear optical material, and more particularly to a thin film of a nonlinear optical material in which metal fine particles are dispersed and precipitated in a matrix of a ferroelectric material or a highly dielectric material. . This fine particle-dispersed composite thin film is used as a material having a large nonlinear optical effect used in the optical information field, such as an optical switch and an optical wavelength conversion element.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体超微粒子を分散させたガラス等は
高い光学的非線形性を示すことから、その開発が進めら
れている。また、金属微粒子を分散させたガラスやコロ
イド溶液も比較的大きな非線形性を示すことが報告され
ている。これらのうち、微粒子を分散させるマトリック
スとしては、一般に石英ガラス、多成分ガラス、高分子
材料等が用いられている。
2. Description of the Related Art Glass or the like in which semiconductor ultrafine particles are dispersed has a high optical nonlinearity, and is being developed. In addition, it has been reported that glass and colloid solutions in which metal fine particles are dispersed also exhibit relatively large nonlinearity. Among these, quartz glass, multi-component glass, polymer materials, and the like are generally used as a matrix in which fine particles are dispersed.

【0003】金微粒子を含有したガラスは従来から‘金
赤ガラス’と呼ばれ、赤色ガラスの一つとしてよく知ら
れた材料である。このガラスは0.01wt% 程度の金を
含有させて一旦溶融し、その後、熱処理を施して発色さ
せて造られる。
[0003] Glass containing gold fine particles is conventionally called "gold red glass" and is a material well known as one of red glasses. This glass is produced by containing about 0.01% by weight of gold, once melting, and then performing a heat treatment to develop a color.

【0004】報告されている金赤ガラスの3次の非線形
感受率χ(3) の値は10-11esu程度であり、この値は必
ずしも大きくない。そして、低い値となる理由はガラス
中の金の体積分率が10-5程度の低濃度分散であるため
と考えられる。従って、非線形感受率を高めるためには
金微粒子濃度を高めることが一つの方法であると考えら
れるが、溶融法で作製する場合、溶解度の制限により高
濃度化には限界がある。
The reported value of the third-order nonlinear susceptibility χ (3) of gold-red glass is about 10 −11 esu, and this value is not necessarily large. The reason for the low value is considered to be a low concentration dispersion of about 10 −5 in volume fraction of gold in the glass. Therefore, increasing the concentration of fine gold particles is considered to be one method for increasing the non-linear susceptibility. However, in the case of manufacturing by a melting method, there is a limit in increasing the concentration due to the limitation of solubility.

【0005】この問題を解決するために、高濃度化と組
成制御が比較的容易であるスパッタリング法やイオン注
入法についての提案が、次世代産業基盤技術・第2回光
電子材料シンポジウム予稿集P139−147,199
1や、特開平3−294829号公報になされている。
前者はスパッタリングやイオン注入法でSiO2 ガラス
マトリックス中にAu微粒子を分散させたものであり、
後者はSiO2 ガラス薄膜と島状成長させたAu、A
g、Cuの金属微粒子とを交互に積層したものである。
このような金属微粒子分散ガラスは、分散させた金属微
粒子の表面プラズモンの励起と量子サイズ効果で大きな
非線形性が発現し、高いχ(3) 値が得られるものである
と考えられている。
[0005] In order to solve this problem, there has been proposed a sputtering method and an ion implantation method, in which high concentration and composition control are relatively easy. 147,199
1 and JP-A-3-294829.
The former is obtained by dispersing Au fine particles in a SiO 2 glass matrix by sputtering or ion implantation,
The latter is Au, A grown in the form of islands with a SiO 2 glass thin film.
g and Cu metal fine particles are alternately laminated.
It is considered that such a metal particle-dispersed glass exhibits high nonlinearity due to excitation of surface plasmons of the dispersed metal particles and a quantum size effect, and can obtain a high χ (3) value.

【0006】しかし、これらの提案では、例えば前者の
予稿集でも、χ(3) が最大でも1×10-7esu 程度であ
り、さらにχ(3) を向上させることが望まれる。また、
これらの提案では、共鳴吸収位置を大幅にシフトさせ、
励起波長を調整することは検討されていない。例えば前
者の予稿集では、そのFig.2、Fig.3にて、成
膜直後の薄膜を熱処理して吸収スペクトルを測定してい
るが、これらによって共鳴吸収位置はたかだか30nm程
度しか変化しない。この結果、金微粒子では励起波長が
520〜550nmに限定されてしまい、使用レーザに制
限を生じ、種々の光源に合わせた非線形光学材料を提供
することができない。
However, in these proposals, 例 え ば(3) is at most about 1 × 10 -7 esu even in the former proceedings, and it is desired to further improve χ (3) . Also,
In these proposals, the position of resonance absorption was significantly shifted,
Adjusting the excitation wavelength has not been considered. For example, in the former proceedings, FIG. 2, FIG. At 3, the thin film immediately after the film formation is heat-treated and the absorption spectrum is measured. Due to these, the resonance absorption position changes only at most about 30 nm. As a result, the excitation wavelength of the fine gold particles is limited to 520 to 550 nm, which limits the laser used, making it impossible to provide a nonlinear optical material suitable for various light sources.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、高いχ(3) 値を示し、励起波長を大幅に変化させる
ことができる新規な非線形光学薄膜と、その製造方法と
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a main object of the present invention to provide a novel nonlinear optical thin film which exhibits a high χ (3) value and is capable of greatly changing an excitation wavelength, and a method of manufacturing the same. It is in.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(8)の本発明により達成される。 (1) 強誘電性または高誘電性のマトリックス中に金
属の微粒子を少なくとも1種含み、前記マトリックスは
酸化チタンまたは酸化チタンを含む複合酸化物である非
線形光学薄膜。 (2) 前記微粒子の平均粒径が1〜100nmである上
記(1)の非線形光学薄膜。 (3) 前記微粒子の含有量が1〜80vol%である上記
(1)または(2)の非線形光学薄膜。 (4) 誘電率が10以上である上記(1)〜(3)の
いずれかの非線形光学薄膜。 (5) 3次の非線形感受率χ(3) が10-7esu 以上で
ある上記(1)〜(4)のいずれかの非線形光学薄膜。 (6) 強誘電性または高誘電性のマトリックス中に金
属の微粒子を少なくとも1種分散させた薄膜を成膜した
後、所定温度で熱処理し、前記微粒子の共鳴吸収波長位
置を所望の波長に調整して上記(1)〜(5)のいずれ
かの非線形光学薄膜を得る非線形光学薄膜の製造方法。 (7) 前記成膜を同時スパッタリング法によって行な
う上記(6)の非線形光学薄膜の製造方法。 (8) 前記熱処理を100〜1100℃の温度で行な
う上記(6)または(7)の非線形光学薄膜の製造方
法。
This and other objects are achieved by the present invention which is defined below as (1) to (8). (1) A nonlinear optical thin film including at least one kind of metal fine particles in a ferroelectric or high dielectric matrix, wherein the matrix is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide. (2) The nonlinear optical thin film according to (1), wherein the fine particles have an average particle size of 1 to 100 nm. (3) The nonlinear optical thin film according to (1) or (2), wherein the content of the fine particles is 1 to 80 vol%. (4) The nonlinear optical thin film according to any one of (1) to (3), wherein the dielectric constant is 10 or more. (5) The nonlinear optical thin film according to any one of (1) to (4), wherein the third-order nonlinear susceptibility χ (3) is 10 −7 esu or more. (6) After forming a thin film in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a ferroelectric or high dielectric matrix, heat treatment is performed at a predetermined temperature to adjust the resonance absorption wavelength position of the fine particles to a desired wavelength. And a method for producing a nonlinear optical thin film according to any one of (1) to (5). (7) The method for producing a nonlinear optical thin film according to (6), wherein the film is formed by a simultaneous sputtering method. (8) The method for producing a nonlinear optical thin film according to (6) or (7), wherein the heat treatment is performed at a temperature of 100 to 1100 ° C.

【0009】[0009]

【作用】本発明の薄膜では、金属の微粒子が3次元的に
閉じ込められた結果、例えば金属微粒子の表面プラズモ
ンの励起と量子サイズ効果とで非線形性が現れる。この
結果、光双安定性とpsオーダーの光緩和時間をもつ非線
形光学材料が実現し、光スイッチやTHG等の光波長変
換素子に適用できる。この際、従来と比較してより大き
なχ(3) 値が実現し、その値は10-6esu 以上ともな
る。これは、金属微粒子が誘電率の高いマトリックス中
に分散された結果、何らかの相互作用が生じた結果であ
ると考えられる。
In the thin film of the present invention, as a result of the three-dimensional confinement of metal fine particles, for example, non-linearity appears due to surface plasmon excitation and quantum size effect of the metal fine particles. As a result, a nonlinear optical material having optical bistability and optical relaxation time on the order of ps is realized, and can be applied to an optical switch or an optical wavelength conversion element such as THG. At this time, a larger χ (3) value is realized as compared with the related art, and the value is 10 −6 esu or more. This is considered to be the result of some interaction as a result of the metal fine particles being dispersed in the matrix having a high dielectric constant.

【0010】さらに、成膜直後の薄膜を熱処理すると、
熱処理温度が高温になるほどプラズマ共鳴吸収ピーク位
置が長波長にシフトする。そして、その変化巾は100
nmにも及ぶ。
Further, when the thin film immediately after film formation is heat-treated,
As the heat treatment temperature becomes higher, the position of the plasma resonance absorption peak shifts to a longer wavelength. And the change width is 100
nm.

【0011】[0011]

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。
[Specific Configuration] Hereinafter, a specific configuration of the present invention will be described in detail.

【0012】本発明の微粒子分散複合薄膜は金属の微粒
子を含有する。用いる金属としては、Au(共鳴吸収ピ
ーク位置約520nm)、Ag(同約370nm)、Cu
(同約630nm)を用いることが好ましいが、各種単一
金属や合金が使用でき、特に制限されるものではない。
これらは、いずれも本発明に従い、熱処理によりプラズ
マ共鳴吸収位置がシフトする。
The fine particle-dispersed composite thin film of the present invention contains fine particles of metal. As a metal to be used, Au (resonance absorption peak position: about 520 nm), Ag (about 370 nm), Cu
(About 630 nm), but various single metals and alloys can be used, and there is no particular limitation.
In any of them, the plasma resonance absorption position is shifted by the heat treatment according to the present invention.

【0013】このような微粒子の平均粒径は1〜100
nm、好ましくは2〜30nmである。このような平均粒径
で量子サイズ効果が実現する。微粒子の含有量は、全体
の1〜80vol%、特に5〜60vol%であることが好まし
い。含有量が少なすぎると、非線形光学材料としての有
用性がうすれ、多すぎると、バルク的な性質が大きくな
るために光学的非線形性が小さくなる。なお、微粒子結
晶の平均粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)画像から
求めるか、あるいはX線回析スペクトルから、シェラー
の式によって求めることができる。また含有量は、化学
分析あるいはESCA等から求めればよい。
The average particle size of such fine particles is 1 to 100.
nm, preferably 2 to 30 nm. The quantum size effect is realized with such an average particle size. The content of the fine particles is preferably 1 to 80 vol%, particularly preferably 5 to 60 vol% of the whole. If the content is too small, the usefulness as a nonlinear optical material is diminished. If the content is too large, the bulk properties are increased and the optical nonlinearity is reduced. The average particle size of the fine crystal particles can be determined from a transmission electron microscope (TEM) image or from the X-ray diffraction spectrum according to Scherrer's formula. The content may be determined from chemical analysis or ESCA.

【0014】本発明の微粒子分散複合薄膜のマトリック
スは、強誘電性材料あるいは高誘電性材料である。強誘
電性材料は、バルクの多結晶体の常温での誘電率が15
0程度以上のものであり、また高誘電性材料は、バルク
の多結晶体の常温での誘電率が10以上150未満程度
のものである。これらは、後述の成膜後の熱処理により
誘電率が変化し、この結果共鳴吸収位置が大幅にシフト
するものと考えられる。
The matrix of the fine particle-dispersed composite thin film of the present invention is a ferroelectric material or a highly dielectric material. Ferroelectric materials have a bulk polycrystalline dielectric constant of 15 at room temperature.
The high dielectric material has a dielectric constant of about 10 or more and less than 150 at room temperature in the high dielectric material. It is considered that the dielectric constant changes due to the heat treatment after film formation described below, and as a result, the resonance absorption position shifts significantly.

【0015】このような強誘電性材料としては、ペロブ
スカイト型化合物が好適である。ペロブスカイト型化合
物としては、A1+5+3 、A2+4+3 、A3+3+
3 、AX BO3 、A(B′0.67B″0.33)O3 、A
(B′0.33B″0.67)O3 、A(B0.5 +30.5 +5 )O
3 、A(B0.5 2+0.5 6+ )O3 、A(B0.5 1+0.5
7+) O3 、A3+(B0.5 2+0.5 4+ )O3 、A(B0.25 1+
0.75 5+)O3 、A(B0. 5 3+0.5 4+ )O2.75、A(B
0.5 2+0.5 5+ )O2.75等いずれであってもよい。例え
ば、BaTiO3 、PbTiO3 、KTaO3 、NaT
aO3 、SrTiO3 、CdTiO3 、KNbO3 、L
iNbO3 、LiTaO3 、PZT(PbZrO3 −P
bTiO3 )、PLZT(PbZrO3 −PbTiO
3 :La23 )等である。
As such a ferroelectric material, a perovskite compound is preferable. As perovskite compounds, A 1+ B 5+ O 3 , A 2+ B 4+ O 3 , A 3+ B 3+ O
3 , A X BO 3 , A (B ′ 0.67 B ″ 0.33 ) O 3 , A
(B ′ 0.33 B ″ 0.67 ) O 3 , A (B 0.5 +3 B 0.5 +5 ) O
3 , A (B 0.5 2 + B 0.5 6+ ) O 3 , A (B 0.5 1 + B 0.5
7+ ) O 3 , A 3+ (B 0.5 2+ B 0.5 4+ ) O 3 , A (B 0.25 1+ B
0.75 5+) O 3, A ( B 0. 5 3+ B 0.5 4+) O 2.75, A (B
0.5 2+ B 0.5 5+) O 2.75 mag be either. For example, BaTiO 3 , PbTiO 3 , KTaO 3 , NaT
aO 3 , SrTiO 3 , CdTiO 3 , KNbO 3 , L
iNbO 3 , LiTaO 3 , PZT (PbZrO 3 -P
bTiO 3 ), PLZT (PbZrO 3 -PbTiO)
3 : La 2 O 3 ).

【0016】また高誘電性材料としては、TiO2 、2
MgO・TiO2 、MgO・TiO2 、MgO・2Ti
2 、ZnO−TiO2 、CaTiO3 等が好適であ
る。これら強誘電性ないし高誘電性材料としては、酸化
チタン、あるいは酸化チタンを含む複合酸化物(チタン
酸塩)が好適であり、特にバルクの多結晶体の常温での
誘電率が100〜300程度のチタン酸塩ペロブスカイ
ト型化合物、例えばBaTiO3 、SrTiO3 、Ca
TiO3 、PbTiO3 等が好ましい。
As the high dielectric material, TiO 2 , 2
MgO · TiO 2, MgO · TiO 2, MgO · 2Ti
O 2 , ZnO—TiO 2 , CaTiO 3 and the like are suitable. As these ferroelectric or high-dielectric materials, titanium oxide or a composite oxide (titanate) containing titanium oxide is preferable. In particular, the dielectric constant of a bulk polycrystal at room temperature is about 100 to 300. Titanate perovskite type compounds such as BaTiO 3 , SrTiO 3 , Ca
TiO 3 and PbTiO 3 are preferred.

【0017】これらマトリックスは、成膜直後、熱処理
後ともX線回折スペクトル(XRD)には明瞭なピーク
は観察されず、実質的にアモルファス状態にある。ただ
し、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察では、通常
は、熱処理後にグレインが観察される。この際、グレイ
ンの平均径は50〜1000nm、特に100〜500nm
である。
In these matrices, a clear peak is not observed in the X-ray diffraction spectrum (XRD) immediately after film formation and after heat treatment, and the matrix is substantially in an amorphous state. However, in observation with a transmission electron microscope (TEM), grains are usually observed after heat treatment. At this time, the average diameter of the grains is 50 to 1000 nm, particularly 100 to 500 nm.
It is.

【0018】このようなマトリックス中に微粒子を分散
した薄膜の厚さは、一般に0.01〜5μm 程度とす
る。また、微粒子材料や、場合によってはマトリックス
材料を2種以上用いることもできる。
The thickness of a thin film in which fine particles are dispersed in such a matrix is generally about 0.01 to 5 μm. Further, two or more kinds of fine particle materials and, in some cases, matrix materials can be used.

【0019】本発明の薄膜を製造するには、マトリック
ス材料と微粒子材料とを同時スパッタすることが好まし
い。スパッタリングの方式はいずれであってもよいが、
成膜速度の点ではRFマグネトロンスパッタが好適であ
る。この際、動作圧力は10-3〜10-2Torr程度、基板
温度は常温〜300℃程度とする。そして、両者の成膜
スピードやターゲット面積を変更することにより、容易
に前記の含有量にて微粒子と分散することができる。
In order to produce the thin film of the present invention, it is preferable to simultaneously sputter the matrix material and the fine particle material. The method of sputtering may be any,
From the viewpoint of the film forming speed, RF magnetron sputtering is preferable. At this time, the operating pressure is about 10 −3 to 10 −2 Torr, and the substrate temperature is about normal temperature to about 300 ° C. Then, by changing the film forming speed and the target area of both, it is possible to easily disperse the fine particles with the above-mentioned content.

【0020】なお、同時スパッタリング法にかえ、前記
の光電子材料シンポジウム予稿集に記載のイオン注入法
や、特開平3−294829号公報記載の交互積層スパ
ッタリングを用いることもできる。
Instead of the simultaneous sputtering method, an ion implantation method described in the above-mentioned optoelectronic material symposium preliminaries and an alternately laminated sputtering method described in JP-A-3-294829 can be used.

【0021】このような成膜直後の薄膜は、マトリック
ス中に微粒子が分散されている。本発明では、共鳴吸収
位置を調整するためにこの成膜直後の薄膜に熱処理を施
すことが好ましい。熱処理は大気あるいは不活性ガス雰
囲気中で100℃以上、特に300℃以上、さらには5
00℃以上、一般に1100℃以下、特に1000℃以
下の温度に、10時間程度以下、一般に1分以上、特に
10分以上保持することによって行えばよい。これによ
り、共鳴吸収位置のシフトが生じ、シフト巾は100nm
にも達する。従って、熱処理条件と吸収位置の関係を実
験から求めておけば、容易に所望の共鳴吸収ピーク位置
をもつ非線形光学薄膜を再現性よく得ることができる。
In such a thin film immediately after film formation, fine particles are dispersed in a matrix. In the present invention, it is preferable to perform a heat treatment on the thin film immediately after the film formation in order to adjust the resonance absorption position. The heat treatment is performed in air or an inert gas atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more, particularly 300 ° C. or more,
It may be carried out by holding at a temperature of 00 ° C. or higher, generally 1100 ° C. or lower, particularly 1000 ° C. or lower for about 10 hours or shorter, generally 1 minute or longer, especially 10 minutes or longer. This causes a shift in the resonance absorption position, and the shift width is 100 nm.
Also reach. Therefore, if the relationship between the heat treatment conditions and the absorption position is determined from experiments, a nonlinear optical thin film having a desired resonance absorption peak position can be easily obtained with good reproducibility.

【0022】このような薄膜の誘電率εを測定すると、
一般に10以上を示し、特に100以上、さらに150
以上、さらには200以上とすることができる。このよ
うな薄膜の誘電率を測定するには、合成石英ガラス基板
上に、スパッタリング法にて白金薄膜下部電極を形成
し、その上に被測定薄膜を形成して、さらにその上に白
金製の1mmφのパッド上部電極を形成し、必要に応じて
その後熱処理を行う。そして、LFインピーダンスアナ
ライザーを用いてCおよびQを測定し、これから計算に
よりεを求めればよい。
When the dielectric constant ε of such a thin film is measured,
Generally 10 or more, especially 100 or more, further 150
As described above, the number can be set to 200 or more. In order to measure the dielectric constant of such a thin film, a platinum thin film lower electrode is formed on a synthetic quartz glass substrate by a sputtering method, a thin film to be measured is formed thereon, and a platinum thin film is further formed thereon. A pad upper electrode having a diameter of 1 mm is formed, and then heat treatment is performed as necessary. Then, C and Q are measured using an LF impedance analyzer, and ε may be obtained by calculation from this.

【0023】また、このような薄膜のχ(3) 値は、10
-7esu 以上、特に10-6esu が得られる。このような高
いχ(3) 値が得られるのは、マトリックス中に分散され
ている金属微粒子が高濃度であること、および通常マト
リックスに使用されるSiO2 に比べ、本発明で使用す
るマトリックス物質の誘電率が高いためであると考えら
れる。なお、χ(3) 値は次世代産業基盤技術・第2回光
電子材料シンポジウム予稿集P139−147,199
1に記載の位相共役型の縮退四光波混合法(DFWM)
に準じて測定することができる。また、上記のχ(3)
は、Nd:YAGレーザ(1.06μm )の第二高調波
(532nm)を用いたときの値であり、プラズマ共鳴吸
収ピーク位置での値ではないので、このプラズマ共鳴吸
収ピーク波長でのχ(3) は10-7esu 以上、特に10-6
以上の範囲でさらに一層高いものとなる。
The χ (3) value of such a thin film is 10
-7 esu or more, especially 10 -6 esu can be obtained. Such a high χ (3) value is obtained because the metal fine particles dispersed in the matrix have a high concentration, and the matrix material used in the present invention is compared with SiO 2 usually used in a matrix. Is considered to be due to the high dielectric constant. Note that the χ (3) value is for the next generation of basic industrial technology, 2nd Symposium on Optoelectronic Materials, pp. 139-147, 199
1. The phase-conjugated degenerate four-wave mixing method (DFWM) according to 1.
It can be measured according to. The above χ (3) value is a value when the second harmonic (532 nm) of the Nd: YAG laser (1.06 μm) is used, and is not a value at the plasma resonance absorption peak position. Χ (3) at the plasma resonance absorption peak wavelength is 10 −7 esu or more, particularly 10 −6 esu.
In the above range, it is even higher.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing specific examples of the present invention.

【0025】実施例1 RFマグネトロンスパッタ装置を用い、BaTiO3
ーゲットにAuチップを乗せ、同時スパッタを行った。
基板としては合成石英ガラスを用いた。薄膜作製条件
は、アルゴン雰囲気中でガス圧5×10-3Torr、基板温
度150℃、RFパワーは100W とした。Au濃度は
チップの量で制御し、膜厚はスパッタ時間で制御して薄
膜を作製した。
Example 1 Using an RF magnetron sputtering apparatus, an Au chip was mounted on a BaTiO 3 target, and simultaneous sputtering was performed.
Synthetic quartz glass was used as the substrate. The conditions for forming the thin film were such that the gas pressure was 5 × 10 −3 Torr, the substrate temperature was 150 ° C., and the RF power was 100 W in an argon atmosphere. The Au concentration was controlled by the amount of the chip, and the film thickness was controlled by the sputtering time to produce a thin film.

【0026】次に、この薄膜を所定温度で熱処理し各種
特性測定用の試料サンプルNo. 1〜4、11〜14、2
1〜23とした。熱処理条件と、Auの分散量(vol%)
および膜厚を表1に示す。
Next, this thin film was heat-treated at a predetermined temperature, and sample Nos. 1-4, 11-14, 2
1 to 23. Heat treatment conditions and Au dispersion (vol%)
Table 1 shows the film thickness.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】サンプルNo. 1〜4およびサンプルNo. 1
1〜14の透過スペクトルを、それぞれ図1および図2
に示す。この透過スペクトルからプラズマ共鳴吸収ピー
ク位置の測定を行った。結果を表1および図3に示す。
これらから、熱処理条件により100nmにおよぶ吸収ピ
ーク位置のシフトが起きていることがわかる。
Sample Nos. 1-4 and Sample No. 1
1 and 2 are shown in FIGS.
Shown in The plasma resonance absorption peak position was measured from this transmission spectrum. The results are shown in Table 1 and FIG.
From these, it can be seen that the absorption peak position is shifted to 100 nm depending on the heat treatment conditions.

【0029】また、サンプルNo. 1〜4のX線回折スペ
クトルを図4に示す。これらからマトリクスがアモルフ
ァス状態であることがわかる。また、TEM像によると
Au微粒子とマトリクスが確認された。
FIG. 4 shows the X-ray diffraction spectra of Sample Nos. 1-4. From these, it can be seen that the matrix is in an amorphous state. Further, according to the TEM image, Au fine particles and a matrix were confirmed.

【0030】さらに、熱処理温度とAu微粒子平均粒子
径との関係を図5に示す。図5によれば、熱処理により
微粒子は粗大化しているが、この粒子径の粗大化のみで
は共鳴吸収位置のシフトは説明できない。そこで、膜厚
を0.5μm としたときのBaTiO3 スパッタ膜の常
温での誘電率εと熱処理温度との関係を測定した。結果
を図6に示す。図6に示される結果から、マトリックス
のεの変化が吸収位置のシフトに相関しているものと考
えられる。実際、前記に準じ各サンプルの誘電率を測定
したところ、15以上の値を示し、熱処理サンプルでは
20〜300の値となった。
FIG. 5 shows the relationship between the heat treatment temperature and the average particle size of the Au fine particles. According to FIG. 5, the fine particles are coarsened by the heat treatment, but the coarsening alone cannot explain the shift of the resonance absorption position. Thus, the relationship between the dielectric constant ε at room temperature of the BaTiO 3 sputtered film at a film thickness of 0.5 μm and the heat treatment temperature was measured. FIG. 6 shows the results. From the results shown in FIG. 6, it is considered that the change in ε of the matrix is correlated with the shift of the absorption position. Actually, when the dielectric constant of each sample was measured according to the above, the value was 15 or more, and the value of the heat-treated sample was 20 to 300.

【0031】比較例1 実施例1のBaTiO3 をSiO2 ターゲットに変更
し、RFパワーを200W とした他は同様にして、マト
リックスをSiO2 ガラスとしたAu微粒子分散薄膜N
o. 31〜38を作製した。結果を表2に示す。
COMPARATIVE EXAMPLE 1 An Au fine particle-dispersed thin film N having a matrix of SiO 2 glass was prepared in the same manner as in Example 1 except that BaTiO 3 was changed to a SiO 2 target and the RF power was set to 200 W.
o. 31 to 38 were prepared. Table 2 shows the results.

【0032】[0032]

【表2】 [Table 2]

【0033】SiO2 をマトリックスとする場合は熱処
理温度、時間に係わらずプラズマ共鳴吸収ピーク位置は
最大でも30nm以下しか変化せず、励起波長が限定され
てしまう。これに対し本発明のBaTiO3 マトリック
スでは熱処理温度が高温になる程、吸収ピーク位置が長
波長にシフトし、100nmに及ぶシフトが可能であり、
本発明の効果は明らかである。
When SiO 2 is used as a matrix, the peak position of the plasma resonance absorption changes only at most 30 nm or less irrespective of the heat treatment temperature and time, and the excitation wavelength is limited. On the other hand, in the BaTiO 3 matrix of the present invention, as the heat treatment temperature becomes higher, the absorption peak position shifts to a longer wavelength, and a shift up to 100 nm is possible.
The effects of the present invention are clear.

【0034】実施例2 実施例1の微粒子をAgに変更して微粒子分散薄膜No.
41〜44を得た。この結果を表3に示す。この結果か
ら本発明の効果が明らかである。各サンプルのεは20
以上であった。
Example 2 The fine particles dispersed in the fine particle-dispersed thin film No.
41-44 were obtained. Table 3 shows the results. From these results, the effect of the present invention is clear. Ε of each sample is 20
That was all.

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】実施例3 実施例1と同様に、さらに基板をAl23 単結晶基板
に変更したもの、および実施例1のBaTiO3 をSr
TiO3 ターゲットに変更したものの微粒子分散薄膜を
得た。これらの特性測定用の試料サンプルをNo. 51、
52、61〜63とした。
Example 3 As in Example 1, the substrate was changed to an Al 2 O 3 single crystal substrate, and BaTiO 3 of Example 1 was replaced with Sr.
A fine particle-dispersed thin film was obtained with the change to the TiO 3 target. Samples for measuring these characteristics were No. 51,
52, 61 to 63.

【0037】次に、この薄膜をサンプルNo. 63を除い
て所定温度で熱処理し、前記の方法で粒径、膜厚、金属
微粒子濃度、透過率、プラズマ共鳴吸収ピーク位置およ
びχ(3) 値を測定した。ただし、χ(3) 値はレーザ波長
532nmを使用して、DFWM法にて測定した。測定結
果を表4に示す。
Next, this thin film was heat-treated at a predetermined temperature except for Sample No. 63, and the particle size, film thickness, metal fine particle concentration, transmittance, plasma resonance absorption peak position and 吸収(3) value were obtained by the above-mentioned methods. Was measured. However, the χ (3) value was measured by the DFWM method using a laser wavelength of 532 nm. Table 4 shows the measurement results.

【0038】[0038]

【表4】 [Table 4]

【0039】表4から、BaTiO3 およびSrTiO
3 をマトリックスとする微粒子分散薄膜の532nmでの
χ(3) 値は10-7esu 以上に向上し、最大では10-6es
u 以上となることがわかる。また、前記実施例1、2の
サンプルも10-7esu 以上の値を示した。この際、使用
波長532nmは吸収ピーク位置ではないので、吸収ピー
ク位置では、χ(3) はさらに大きな値を示す。さらに、
前記に準じ、薄膜の誘電率εを測定したところ、No. 5
1〜52、61〜63では、20〜300の値を示し
た。
From Table 4, it can be seen that BaTiO 3 and SrTiO
The χ (3) value at 532 nm of the fine particle-dispersed thin film having 3 as a matrix is improved to 10 −7 esu or more, and the maximum is 10 −6 es.
It turns out that it becomes u or more. Further, the samples of Examples 1 and 2 also showed a value of 10 −7 esu or more. At this time, since the used wavelength of 532 nm is not the absorption peak position, χ (3) shows a larger value at the absorption peak position. further,
When the dielectric constant ε of the thin film was measured according to the above, No. 5 was obtained.
1 to 52 and 61 to 63 showed values of 20 to 300.

【0040】比較例2 比較例1と同様にして、マトリックスをSiO2 ガラス
としたAu微粒子分散薄膜を作製し、この薄膜を所定温
度で熱処理し、試料サンプルNo. 71〜73とした。こ
れらの試料サンプルについて実施例3と同様の測定を行
った。結果を表5に示す。
Comparative Example 2 In the same manner as in Comparative Example 1, an Au fine particle-dispersed thin film having a matrix of SiO 2 glass was prepared, and this thin film was heat-treated at a predetermined temperature to obtain Sample Nos. 71 to 73. The same measurement as in Example 3 was performed on these sample samples. Table 5 shows the results.

【0041】[0041]

【表5】 [Table 5]

【0042】表5から、SiO2 をマトリックスとする
場合は、そのχ(3) 値は10-8esu以下であることがわ
かる。
Table 5 shows that when SiO 2 is used as the matrix, the χ (3) value is 10 −8 esu or less.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、χ(3) 値が10-7esu
以上の高い値を示し、吸収ピーク位置が大きな変動巾で
自由に任意の波長に変えられる非線形光学薄膜が実現す
る。
According to the present invention, the χ (3) value is 10 −7 esu
A non-linear optical thin film having the above high value and capable of freely changing the absorption peak position to an arbitrary wavelength with a large fluctuation width is realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の非線形光学薄膜の透過スペクトルを示
すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a transmission spectrum of a nonlinear optical thin film of the present invention.

【図2】本発明の非線形光学薄膜の透過スペクトルを示
すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a transmission spectrum of the nonlinear optical thin film of the present invention.

【図3】本発明の非線形光学薄膜の熱処理温度とプラズ
マ吸収位置との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a heat treatment temperature of a nonlinear optical thin film of the present invention and a plasma absorption position.

【図4】本発明の非線形光学薄膜のX線回折スペクトル
を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing an X-ray diffraction spectrum of the nonlinear optical thin film of the present invention.

【図5】本発明の非線形光学薄膜の熱処理温度と微粒子
の平均粒子径との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature of the nonlinear optical thin film of the present invention and the average particle diameter of the fine particles.

【図6】本発明の非線形光学薄膜を構成するマトリック
ス材料の熱処理温度と誘電率との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a heat treatment temperature and a dielectric constant of a matrix material constituting a nonlinear optical thin film of the present invention.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/355 501 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/355 501 JICST file (JOIS)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 強誘電性または高誘電性のマトリックス
中に金属の微粒子を少なくとも1種含み、 前記マトリックスは酸化チタンまたは酸化チタンを含む
複合酸化物である非線形光学薄膜。
1. A nonlinear optical thin film comprising at least one kind of metal fine particles in a ferroelectric or high dielectric matrix, wherein said matrix is titanium oxide or a composite oxide containing titanium oxide.
【請求項2】 前記微粒子の平均粒径が1〜100nmで
ある請求項1の非線形光学薄膜。
2. The nonlinear optical thin film according to claim 1, wherein said fine particles have an average particle size of 1 to 100 nm.
【請求項3】 前記微粒子の含有量が1〜80vol%であ
る請求項1または2の非線形光学薄膜。
3. The nonlinear optical thin film according to claim 1, wherein the content of the fine particles is 1 to 80 vol%.
【請求項4】 誘電率が10以上である請求項1〜3の
いずれかの非線形光学薄膜。
4. The nonlinear optical thin film according to claim 1, which has a dielectric constant of 10 or more.
【請求項5】 3次の非線形感受率χ(3) が10-7esu
以上である請求項1〜4のいずれかの非線形光学薄膜。
5. The third-order nonlinear susceptibility χ (3) is 10 −7 esu
The nonlinear optical thin film according to any one of claims 1 to 4, which is as described above.
【請求項6】 強誘電性または高誘電性のマトリックス
中に金属の微粒子を少なくとも1種分散させた薄膜を成
膜した後、所定温度で熱処理し、前記微粒子の共鳴吸収
波長位置を所望の波長に調整して請求項1〜5のいずれ
かの非線形光学薄膜を得る非線形光学薄膜の製造方法。
6. A thin film in which at least one kind of metal fine particles is dispersed in a ferroelectric or high dielectric matrix is formed, and then heat-treated at a predetermined temperature to set the resonance absorption wavelength position of the fine particles to a desired wavelength. A method for producing a nonlinear optical thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the method is adjusted to:
【請求項7】 前記成膜を同時スパッタリング法によっ
て行なう請求項6の非線形光学薄膜の製造方法。
7. The method for manufacturing a nonlinear optical thin film according to claim 6, wherein the film is formed by a simultaneous sputtering method.
【請求項8】 前記熱処理を100〜1100℃の温度
で行なう請求項6または7の非線形光学薄膜の製造方
法。
8. The method according to claim 6, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 100 to 1100 ° C.
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