JPH07175095A - Production of nonlinear optical material - Google Patents

Production of nonlinear optical material

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JPH07175095A
JPH07175095A JP31960393A JP31960393A JPH07175095A JP H07175095 A JPH07175095 A JP H07175095A JP 31960393 A JP31960393 A JP 31960393A JP 31960393 A JP31960393 A JP 31960393A JP H07175095 A JPH07175095 A JP H07175095A
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metal
semiconductor
amorphous
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Yoshio Manabe
由雄 真鍋
Tsuneo Mitsuyu
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To decrease a grain size distribution in the micranization by heat treatment by specifying a temp. of a substrate at the time of forming an amor phous thin film on the substrate. CONSTITUTION:A sputtering device 7 is composed of a target 1 made of a metal, the target 2 made of an amorphous material, a substrate 3, a substrate holder 4 and high-frequency power sources 5 and 6 supplying high frequency power to each targets 1 and 2. The sputtering is executed by supplying the high-frequency power to form the amorphous thin film in which a metal is dispersed. Au is used as the metal used to the target 1, Al2O3 is used as the amorphous material used for the target 2 and a quartz glass is used as the substrate 3. In this case, the temp. of the substrate at the time of forming the amorphous thin film on the substrate is set at room temp. to 200 deg.C. In this way, a nonlinear optical material excellent in nonlinear optical characteristic is produced easily. That is, a metal or a semiconductor is dispersed uniformly in the thin film without being atomized.

Description

【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効果を利用し
た光デバイスの基礎をなす非線形光学材料の製造方法に
関するもので、とくに金属微粒子または半導体微粒子分
散薄膜に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a non-linear optical material which forms the basis of an optical device utilizing a non-linear optical effect, and more particularly to a metal fine particle or semiconductor fine particle dispersed thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の技術としては例えばジャーナル
オブ オプティカル ソサエティ オブ アメリカ第7
3巻第647頁(Journal of Optica
l Society of America 73,
647(1983))に記載されているCdSx Se
1-x (0≦X≦1)をホウケイ酸ガラスにドープしたカ
ットオフフィルタガラスを非線形光学材料に用いるもの
がある。このガラスは、CdSx Se1-x とホウケイ酸
ガラスを溶融し、Cd、S、Seのイオン状態でクエン
チを行い、ホウケイ酸ガラス中に分散させる。その後
に、600〜700℃程度の再熱処理過程を通して、ガ
ラス中にCdSx Se1-x 微粒子として析出させる。
2. Description of the Related Art As a conventional technique, for example, a journal
Of Optical Society Of America 7th
Volume 3, Page 647 (Journal of Optica
l Society of America 73,
647 CdS x Se listed in (1983))
There is one using a cut-off filter glass obtained by doping 1-x (0 ≦ X ≦ 1) in borosilicate glass as a nonlinear optical material. In this glass, CdS x Se 1-x and borosilicate glass are melted, quenched in the ionic state of Cd, S, and Se, and dispersed in the borosilicate glass. After that, through a reheat treatment process at about 600 to 700 ° C., CdS x Se 1-x fine particles are deposited in the glass.

【0003】また、微粒子の平均粒径は、再熱処理過程
の温度と時間によって制御され、平均粒径と熱処理時間
との関係は、平均粒径が熱処理時間の1/3乗に比例し
ている。
The average particle diameter of the fine particles is controlled by the temperature and time of the reheat treatment process, and the relationship between the average particle diameter and the heat treatment time is that the average particle diameter is proportional to the 1/3 power of the heat treatment time. .

【0004】また、ジャーナル オブ アプライド フ
ィジックス 第63巻 第957頁(Journal
of Applied Physics 63, 95
7(1988))に開示されているようなCdS微粒子
分散薄膜ガラスがある。まず、この薄膜ガラスはターゲ
ットにコーニング社製“7059ガラス”(Ba含有の
ホウケイ酸系ガラス)と、CdSとを用い高周波マグネ
トロンスパッタリング法により、CdSを“7059ガ
ラス”中に2〜4重量%分散させている。ついで、薄膜
を400〜500℃で24時間程度熱処理を行うこと
で、CdS微粒子をガラス中に析出している。このと
き、微粒子の粒径と熱処理時間との関係は、上で示した
のと同じく1/3乗則になっている。
Also, the Journal of Applied Physics, Vol. 63, page 957 (Journal
of Applied Physics 63, 95
7 (1988)). First, this thin-film glass is a target made of Corning "7059 glass" (Ba-containing borosilicate glass) and CdS by a high frequency magnetron sputtering method to disperse CdS in "7059 glass" in an amount of 2 to 4% by weight. I am letting you. Then, the thin film is heat-treated at 400 to 500 ° C. for about 24 hours to deposit CdS fine particles in the glass. At this time, the relationship between the particle size of the fine particles and the heat treatment time is the same as the 1/3 power law as shown above.

【0005】一方、金属微粒子をガラス中に分散する場
合の従来の技術としては、オプティクス レターズ第1
0巻第511頁(Optics Letters,1
0,p.511(1985))に記載されている。金属
微粒子としては、Au、Agが用いられており、金属微
粒子分散ガラスの製造方法としては、金属塩の還元法が
使用されている。また、溶融法を用いる場合、金属微粒
子をガラスの原料に混入して成形し、その後熱処理して
特定の金属を析出させて、金、銀、銅などの金属コロイ
ドが析出した着色ガラスと呼ばれる金属微粒子分散ガラ
スを製造していた。このとき、微粒子の粒径と熱処理時
間との関係は、上で示したのと同じく1/3乗則になっ
ている。
On the other hand, as a conventional technique for dispersing fine metal particles in glass, Optics Letters No. 1 is used.
Volume 0, page 511 (Optics Letters, 1
0, p. 511 (1985)). Au and Ag are used as the metal fine particles, and a metal salt reduction method is used as a method for producing the metal fine particle-dispersed glass. When the melting method is used, metal fine particles are mixed into a glass raw material to be shaped, and then heat-treated to deposit a specific metal, and a metal called a colored glass in which a metal colloid such as gold, silver, or copper is deposited. A fine particle dispersed glass was manufactured. At this time, the relationship between the particle size of the fine particles and the heat treatment time is the same as the 1/3 power law as shown above.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】半導体微粒子または金
属微粒子を含有する非線形光学効果を利用した非線形光
学材料においては、微粒子がマトリックスのガラス中に
均一に分散し粒径分布の小さいものほど、良好な非線形
光学効果が期待できる。さらに含有量が多く、組成ずれ
の少ないものが優れていることも重要である。
In a non-linear optical material utilizing a non-linear optical effect containing fine semiconductor particles or fine metal particles, the finer the particles are uniformly dispersed in the glass of the matrix, the smaller the particle size distribution is. A nonlinear optical effect can be expected. Further, it is also important that the one having a large content and a small composition deviation is excellent.

【0007】しかしながら、従来の半導体または金属微
粒子分散ガラスからなる非線形光学材料ないしその製造
方法においては、次のような課題があった。半導体微粒
子の場合、CdSx Se1-x とホウケイ酸ガラスを高温
で溶融し、その後再熱処理を加えて作製するために、粒
径制御が容易でなく半導体微粒子の粒径分布が大きくな
る。また、半導体の含有量を2〜4重量%以上にする
と、粒径が大きくなりすぎて微粒子として存在し得なく
なり、さらにガラスを失透させたり、半導体の光吸収端
近傍の発光スペクトル強度を低下させたりして、非線形
光学効果の発現に悪影響を及ぼす。
However, the conventional non-linear optical material made of semiconductor or glass in which fine metal particles are dispersed or the manufacturing method thereof has the following problems. In the case of semiconductor fine particles, since CdS x Se 1-x and borosilicate glass are melted at a high temperature and then reheated, the particle size control is not easy and the particle size distribution of the semiconductor fine particles becomes large. When the content of the semiconductor is 2 to 4% by weight or more, the particle size becomes too large to exist as fine particles, and the glass is devitrified, or the emission spectrum intensity near the light absorption edge of the semiconductor is lowered. It adversely affects the expression of the nonlinear optical effect.

【0008】また、高周波マグネトロンスパッタリング
法を用いて作製した場合、作製中にプラズマ中のイオン
の基板表面への照射により加熱されて基板の表面温度が
上昇してしまう。このために非晶質薄膜中の一部の半導
体、金属が島状の微粒子となって、膜中に遍在する。そ
の後長時間の熱処理を行なうために、遍在した島状の微
粒子が核となって大きく成長する。一方、熱処理時に微
粒子化したものもあり、これらが薄膜中に混在して、粒
径分布を大きくしてしまう。また、スパッタリング法で
は、作製中に半導体の再蒸発等により、半導体の組成ず
れがある。すなわち、半導体構成元素のうち蒸発や昇華
しやすい元素が蒸発したり、昇華することにより、当初
の組成から外れてくる恐れがある。
Further, in the case of manufacturing by using the high frequency magnetron sputtering method, the surface temperature of the substrate is raised by being heated by the irradiation of ions in the plasma to the surface of the substrate during the manufacturing. Therefore, some semiconductors and metals in the amorphous thin film become island-shaped fine particles and are ubiquitous in the film. After that, since heat treatment is performed for a long time, the ubiquitous island-shaped fine particles become nuclei and grow large. On the other hand, some particles are made fine during the heat treatment, and these particles are mixed in the thin film, and the particle size distribution is enlarged. Further, in the sputtering method, there is a deviation in composition of the semiconductor due to re-evaporation of the semiconductor during production. That is, there is a possibility that an element that easily vaporizes or sublimes among the semiconductor constituent elements may deviate from the initial composition due to vaporization or sublimation.

【0009】一方、金属微粒子分散の薄膜の場合も半導
体微粒子分散薄膜の場合と同様な課題がある。さらに、
従来法で製造したAu微粒子分散ガラスの3次の非線形
感受率は10-13 〜10-12 esuの値であり、他の非
線形光学材料に比べて非常に小さい。これは、金属微粒
子の分散量が5ppm以下なので3次の非線形感受率の
値が小さくなったと考えられる。このために従来の製造
方法で分散量を増加させると、均一に分散することがで
きなかった。
On the other hand, a thin metal particle-dispersed thin film has the same problems as the semiconductor fine particle-dispersed thin film. further,
The third-order nonlinear susceptibility of the Au fine particle-dispersed glass produced by the conventional method is a value of 10 −13 to 10 −12 esu, which is much smaller than other nonlinear optical materials. It is considered that this is because the value of the third-order nonlinear susceptibility was small because the dispersion amount of the metal fine particles was 5 ppm or less. Therefore, when the amount of dispersion was increased by the conventional manufacturing method, it was not possible to disperse uniformly.

【0010】本発明は、前記課題を解決するために、半
導体微粒子または金属微粒子を薄膜中に多量に分散さ
せ、かつ微粒子の粒径分布を小さくした非線形光学材料
を製造する方法を提供することを目的とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a non-linear optical material in which semiconductor fine particles or metal fine particles are dispersed in a large amount in a thin film and the particle size distribution of the fine particles is narrowed. To aim.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の非線形光学材料の製造方法は、金属または
半導体を含有する非晶質薄膜を基板上に形成した後、熱
処理し金属微粒子または半導体微粒子を非結晶薄膜中に
分散させて非線形光学材料を製造する方法において、前
記非晶質薄膜を基板上に形成する際の基板温度を室温〜
200℃にすることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method for producing a non-linear optical material of the present invention comprises a step of forming an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor on a substrate and then heat-treating the fine metal particles or In the method of manufacturing a nonlinear optical material by dispersing semiconductor fine particles in an amorphous thin film, the substrate temperature when the amorphous thin film is formed on the substrate is room temperature to
It is characterized in that the temperature is 200 ° C.

【0012】前記製造方法においては、金属または半導
体を含有する非晶質薄膜を基板上に形成した後、昇温速
度を1〜250℃/秒で加熱して熱処理を行うことが好
ましい。
In the above-mentioned manufacturing method, it is preferable that after the amorphous thin film containing a metal or a semiconductor is formed on a substrate, heat treatment is performed by heating at a temperature rising rate of 1 to 250 ° C./sec.

【0013】[0013]

【作用】前記本発明の非線形光学材料の製造方法によれ
ば、金属または半導体を含有する非晶質薄膜を基板上に
形成した後、熱処理し金属微粒子または半導体微粒子を
非結晶薄膜中に分散させて非線形光学材料を製造する方
法において、前記非晶質薄膜を基板上に形成する際の基
板温度を室温〜200℃とすることにより、非線形光学
特性に優れた非線形光学材料を容易に製造できる。すな
わち、金属または半導体が微粒子化することなく、均質
にイオン状態または原子状態で薄膜中に分散するので、
薄膜中に多量に分散させることが可能である。
According to the method for producing a nonlinear optical material of the present invention, an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor is formed on a substrate and then heat-treated to disperse the metal fine particles or the semiconductor fine particles in the amorphous thin film. In the method for producing a non-linear optical material by setting the substrate temperature at the time of forming the amorphous thin film on the substrate to room temperature to 200 ° C., a non-linear optical material having excellent non-linear optical characteristics can be easily produced. That is, since the metal or semiconductor is dispersed in the thin film in an ionic state or an atomic state in a homogeneous manner without forming fine particles,
It is possible to disperse a large amount in the thin film.

【0014】また、金属または半導体を含む非晶質薄膜
を基板上に形成し、その後昇温速度を1℃/秒〜250
℃/秒で加熱して熱処理を行うという本発明の好ましい
構成によれば、非線形光学特性に優れた非線形光学材料
を容易に製造できる。すなわち、薄膜中にイオン状また
は原子状で分散している金属または半導体が急速に微粒
子化して、均質に微粒子ができ、粒径分布を小さくでき
る。
Further, an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor is formed on a substrate, and then the temperature rising rate is 1 ° C./sec to 250.
According to the preferable configuration of the present invention in which the heat treatment is performed by heating at ° C / sec, a nonlinear optical material having excellent nonlinear optical characteristics can be easily manufactured. That is, the ionic or atomically dispersed metal or semiconductor in the thin film is rapidly made into fine particles to form uniform fine particles and the particle size distribution can be narrowed.

【0015】[0015]

【実施例】本実施例の非晶質材料としては、用いる半導
体の種類によって好適な非晶質材料の種類は異なるが、
例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸
化チタン、酸化インジウムおよびホウケイ酸ガラスなど
のガラス材料、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チ
タン、窒化ホウ素などの窒化物、炭化ケイ素、炭化ホウ
素などの炭化物を用いると半導体の分散性が良好となり
より好ましい。
EXAMPLE As the amorphous material of this example, a suitable type of amorphous material varies depending on the type of semiconductor used.
For example, glass materials such as silicon oxide, aluminum oxide, zinc oxide, titanium oxide, indium oxide and borosilicate glass, silicon nitride, aluminum nitride, titanium nitride, nitrides such as boron nitride, silicon carbide, carbides such as boron carbide. It is more preferable to use it because the dispersibility of the semiconductor is good.

【0016】本実施例の半導体としては、用いる非晶質
材料の種類によって異なるが、例えば、I−VII族化合
物半導体のCuClなど,III−V族化合物半導体のG
aAs、InP、GaAlAsなど、II−VI族化合物
半導体のZnSe、ZnS、ZnTe、CdSe、Cd
S、CdTe、ZnO、MnO、ZnCdSe,ZnS
Seなど、IV族半導体のSi、Ge、SiGeなどを
用いると良好な非線形光学特性を示し好ましい。
The semiconductor of this embodiment depends on the type of the amorphous material used, but is, for example, CuCl, which is a group I-VII compound semiconductor, or G, which is a group III-V compound semiconductor.
ZnSe, ZnS, ZnTe, CdSe, Cd of II-VI group compound semiconductors such as aAs, InP and GaAlAs.
S, CdTe, ZnO, MnO, ZnCdSe, ZnS
It is preferable to use Group IV semiconductors such as Se such as Se, Ge, and SiGe because they show good nonlinear optical characteristics.

【0017】本実施例の金属としては、用いる非晶質材
料の種類によって異なるが、例えば、金(Au)、銀
(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、錫(Sn)など
を用いると良好な非線形光学特性を示し好ましい。
The metal used in this embodiment depends on the type of amorphous material used, but is, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), tin (Sn), or the like. It is preferable to use it because it shows good nonlinear optical characteristics.

【0018】本実施例において非晶質薄膜を作製する手
段として、スパッタリング法やCVD法(Chemical Vap
or Deposition 法、すなわち化学的気相蒸着法)、真空
蒸着法などがある。本実施例の基板温度は、用いる金
属、半導体および非晶質材料の種類によって異なるの
で、一概に規定しがたいが、上記の方法における通常の
実施可能な温度、例えば室温(約20℃)程度から、2
00℃以下である。
In this embodiment, as a means for producing an amorphous thin film, a sputtering method or a CVD method (Chemical Vap) is used.
or Deposition method, that is, chemical vapor deposition method), vacuum deposition method, and the like. The substrate temperature of this embodiment differs depending on the type of metal, semiconductor, and amorphous material used, so it is difficult to specify in a general way, but a temperature that can be normally performed in the above method, for example, room temperature (about 20 ° C.) From 2
It is not higher than 00 ° C.

【0019】スパッタリング法を採用した場合には、不
活性ガスとしてアルゴンガスが好ましく用いられる。ス
パッタリングの圧力条件も特に制限するものではない
が、通常1〜20Pa程度の圧力範囲で適当な圧力を採
用すればよい。ターゲットへの印加電力は、ターゲット
材料の種類と、目的とする非晶質材料への金属または半
導体微粒子の分散割合などによって異なるので、一概に
規定しがたいが、例えば、20〜500W程度である。
また、スパッタリング法の種類としては高周波スパッタ
リング法が一般的だが、ターゲットの種類によって直流
スパッタリング法、電子サイクロトロン共鳴スパッタリ
ング法を用いてもよい。
When the sputtering method is adopted, argon gas is preferably used as the inert gas. The pressure condition for sputtering is not particularly limited, but a suitable pressure may be usually adopted within a pressure range of about 1 to 20 Pa. The power applied to the target varies depending on the type of the target material and the dispersion ratio of the metal or semiconductor fine particles to the target amorphous material, and thus is difficult to specify in general, but is, for example, about 20 to 500 W. .
A high-frequency sputtering method is generally used as the sputtering method, but a direct-current sputtering method or an electron cyclotron resonance sputtering method may be used depending on the type of target.

【0020】また、半導体、金属および非晶質材料の作
製手段として、CVD法を採用した場合、用いる金属、
半導体および非晶質材料の種類によって異なるので、一
概に規定しがたいが、例えば酸化アルミニウム中にZn
Seを高周波プラズマCVD法によって容易に作製する
ことができる。そのほかの作製手段としては、熱CVD
法、レーザCVD法などによってもよい。
When the CVD method is adopted as a means for producing a semiconductor, a metal and an amorphous material, a metal used,
Since it depends on the type of semiconductor and the type of amorphous material, it is difficult to specify in general.
Se can be easily produced by the high frequency plasma CVD method. As another manufacturing method, thermal CVD
Method, laser CVD method or the like.

【0021】高周波プラズマCVD法を採用する場合の
原料ガスとしては、非晶質材料として好適な金属、半導
体を高周波プラズマCVD法により合成できる公知の原
料ガスを用いればよく、III−V族化合物半導体を合成
するためのガスとしては、例えば、AR3 (ただしAは
III族またはV族元素を表し、Rはメチル基、エチル基
などの低級アルキル基を表す。)やPH3 、AsH3
などがあげられる。またII−VI族化合物半導体を合成
するためのガスとしては、例えば、DR2 (ただしDは
II族またはVI族元素を表し、Rはメチル基、エチル基
などの低級アルキル基を表す。)やH2 S、H2 Se等
などがあげられる。また、IV族半導体を合成するため
のガスとしては、例えば、SiH4 、GeH4 、SiC
4 、GeCl4 等があげられる。
As the raw material gas when the high frequency plasma CVD method is adopted, a known raw material gas which can synthesize a metal or a semiconductor suitable as an amorphous material by the high frequency plasma CVD method may be used, and a III-V group compound semiconductor is used. As a gas for synthesizing, for example, AR 3 (where A is
It represents a group III or group V element, and R represents a lower alkyl group such as a methyl group or an ethyl group. ), PH 3 , AsH 3 and the like. Moreover, as a gas for synthesizing a II-VI group compound semiconductor, for example, DR 2 (where D is
It represents a Group II or VI element, and R represents a lower alkyl group such as a methyl group or an ethyl group. ), H 2 S, H 2 Se and the like. Further, as the gas for synthesizing the group IV semiconductor, for example, SiH 4 , GeH 4 , SiC
l 4 , GeCl 4 and the like.

【0022】非晶質材料として酸化物を採用した場合、
酸素以外の構成ガスとしては、たとえば、TiCl4
及び上述のIV族半導体のガス、III族元素のガス、V
I族元素のガスが挙げれ、酸素としては酸素ガスがあげ
られる。
When an oxide is used as the amorphous material,
As constituent gases other than oxygen, for example, TiCl 4 ,
And group IV semiconductor gas, group III element gas, V
Examples of the gas include Group I elements, and oxygen includes oxygen gas.

【0023】また、非晶質材料として窒化物を採用した
場合、窒素以外の原料ガスとしては、酸化物を作製する
場合と同様の原料ガスが使用できる。また、窒素を含む
ガスとしては、NH3 または窒素ガスがあげられる。
When nitride is used as the amorphous material, the source gas other than nitrogen can be the same source gas as in the case of producing an oxide. The gas containing nitrogen may be NH 3 or nitrogen gas.

【0024】また、非線形光学材料の作製手段として高
周波プラズマCVD法を採用した場合には、上述のガス
を、13〜1330Pa程度の圧力範囲で用いればよ
い。高周波電力は、用いるガスの種類などによって異な
るので、一概に規定しがたいが、例えば、20〜200
W程度である。
Further, when the high frequency plasma CVD method is adopted as the means for producing the non-linear optical material, the above-mentioned gas may be used within a pressure range of about 13 to 1330 Pa. The high-frequency power varies depending on the type of gas used, etc., so it is difficult to specify in a general way, but for example, 20 to 200
It is about W.

【0025】本実施例の熱処理温度としては、用いる金
属、半導体および非晶質材料の種類によって異なるの
で、一概に規定しがたいが、例えば、600〜1000
℃程度である。
The heat treatment temperature in this embodiment differs depending on the type of metal, semiconductor, and amorphous material used, and is therefore difficult to specify in general, but, for example, 600 to 1000.
It is about ℃.

【0026】本実施例の非線形光学材料を堆積するため
に用いられる基板は、この種の基板として用いられる固
体状の基板であればよく、耐熱性の点では無機材料から
なる基板が好ましい。基板が透明であることは必ずしも
必要ではないが、基板に光を透過させる必要があるよう
な用途に使用する場合や、または、得られた非線形光学
材料の評価、測定のために基板に光を透過させる必要が
ある評価、測定方法を採用する場合などには、基板が例
えば可視領域で透明であることが好ましく、例えばガラ
ス、石英、アルミナ、MgOその他の透明基板などが使
用できる。
The substrate used for depositing the nonlinear optical material of this embodiment may be a solid substrate used as this type of substrate, and a substrate made of an inorganic material is preferable in terms of heat resistance. It is not always necessary for the substrate to be transparent, but it is necessary to use it in applications where it is necessary to allow light to pass through the substrate, or for the evaluation and measurement of the obtained nonlinear optical material. When an evaluation or measurement method that requires transmission is adopted, the substrate is preferably transparent in the visible region, for example, glass, quartz, alumina, MgO and other transparent substrates can be used.

【0027】半導体微粒子の酸化物層への分散量は特に
制限するものではないが、例えば10〜50原子%程度
の範囲が好ましい。もちろん用途や目的、必要とする性
能などに応じて10原子%以下で用いてもさしつかえな
い。
The amount of the fine semiconductor particles dispersed in the oxide layer is not particularly limited, but is preferably in the range of, for example, about 10 to 50 atom%. Of course, it may be used in an amount of 10 atomic% or less depending on the use, purpose, required performance and the like.

【0028】以下具体的実施例をあげて本発明を説明す
る。 実施例1 図1は本実施例で用いたスパッタ装置の概略構成図であ
る。スパッタ装置7は、金属のターゲット1、非晶質材
料のターゲット2、基板3、基板ホルダー4およびそれ
ぞれのターゲットに高周波電力を供給する高周波電源
5、6によって構成されている。
The present invention will be described below with reference to specific examples. Example 1 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus used in this example. The sputtering apparatus 7 includes a metal target 1, an amorphous material target 2, a substrate 3, a substrate holder 4, and high-frequency power sources 5 and 6 that supply high-frequency power to the respective targets.

【0029】ターゲット1、2に高周波電力を供給して
スパッタリングを行い、金属が分散した非晶質薄膜を形
成した。ターゲット1に用いる金属はAu、ターゲット
2に用いる非晶質材料はAlO2 、基板3は石英ガラス
を用いた。スパッタガスとしては、アルゴンガスを用
い、圧力を2Paとした。ターゲット1に20W、ター
ゲット2に200Wの高周波電力を供給しスパッタリン
グを行った。基板温度は150℃にした。得られた金を
含む非晶質薄膜の膜厚は2μmであった。
High frequency power was supplied to the targets 1 and 2 to carry out sputtering to form an amorphous thin film in which metal was dispersed. The metal used for the target 1 was Au, the amorphous material used for the target 2 was AlO 2 , and the substrate 3 was quartz glass. Argon gas was used as the sputtering gas, and the pressure was 2 Pa. 20 W of high frequency power was supplied to the target 1 and 200 W to the target 2, and sputtering was performed. The substrate temperature was 150 ° C. The thickness of the obtained amorphous thin film containing gold was 2 μm.

【0030】基板上に堆積した薄膜中の一構成成分であ
るAuと、非晶質材料であるAlO 2 に存在するAlを
マイクロビームナライザーで測定すると、AuとAl原
子の比が原子数でほぼ1:4であった。非晶質薄膜中の
Auの含有量は20原子%であった。
A constituent component of a thin film deposited on a substrate
Au and an amorphous material AlO 2Al existing in
When measured with a Micro Beam Narizer, Au and Al source
The offspring ratio was approximately 1: 4 in terms of the number of atoms. In amorphous thin film
The content of Au was 20 atomic%.

【0031】その後、得られた非晶質薄膜を900℃で
1時間熱処理して非線形光学材料を得た。このとき90
0℃に達するための昇温速度を250℃/秒にした。熱
処理後の薄膜を透過電子顕微鏡で金属微粒子の粒径、吸
収スペクトル等を調べた。図2に本実施例の薄膜の吸収
スペクトルを示す。図2中の(a)は400nmないし
800nm間の吸収スペクトルであり、金のプラズモン
共鳴吸収と金自体のバンド吸収が観測された。図2
(b)は(a)からバンド吸収スペクトルを除いたプラ
ズモン共鳴吸収のみを示す。この吸収スペクトルが左右
対称になるほど粒径分布が小さい。
Thereafter, the obtained amorphous thin film was heat-treated at 900 ° C. for 1 hour to obtain a nonlinear optical material. 90 at this time
The heating rate for reaching 0 ° C was 250 ° C / sec. The thin film after the heat treatment was examined by a transmission electron microscope for the particle size and absorption spectrum of the metal fine particles. FIG. 2 shows the absorption spectrum of the thin film of this example. (A) in FIG. 2 is an absorption spectrum between 400 nm and 800 nm, and plasmon resonance absorption of gold and band absorption of gold itself were observed. Figure 2
(B) shows only plasmon resonance absorption obtained by removing the band absorption spectrum from (a). The more symmetrical the absorption spectrum is, the smaller the particle size distribution is.

【0032】比較のために、昇温速度を90℃/秒、
0.5℃/秒の場合を図3、4に示す。図3(b)、図
4(b)において、それぞれの薄膜のプラズモン共鳴吸
収を比較すると、昇温速度が速いほど、左右対称となっ
ている。特に0.5℃/秒の場合、800nm付近まで
プラズモン共鳴吸収の裾が延びている。これらの結果よ
り、昇温速度として1℃/秒以上にする効果が生じてい
ると考えられる。また、昇温速度を250℃/秒より速
くしても、薄膜への熱の拡散限界が生じるために顕著な
効果を見いだすことができなかった。
For comparison, the temperature rising rate is 90 ° C./sec.
The case of 0.5 ° C./sec is shown in FIGS. Comparing the plasmon resonance absorptions of the respective thin films in FIG. 3B and FIG. 4B, the higher the heating rate, the more symmetrical. Particularly, in the case of 0.5 ° C./second, the tail of plasmon resonance absorption extends to around 800 nm. From these results, it is considered that the effect of increasing the temperature rising rate to 1 ° C./second or more is produced. Further, even if the temperature rising rate is higher than 250 ° C./sec, a remarkable effect cannot be found because the diffusion limit of heat to the thin film occurs.

【0033】また、図2の吸収スペクトルの場合、基板
温度が150℃で非晶質薄膜を作成した。基板温度の効
果をみるために基板温度250℃の場合を図5に示す。
as−depo状態でも、プラズモン共鳴吸収を観測し
たが、長波長側に吸収の裾があり、粒径分布が大きいこ
とがわかる。さらに、図5の薄膜を昇温速度の速い熱処
理を行っても、この吸収スペクトルの変化は無かった。
Further, in the case of the absorption spectrum of FIG. 2, an amorphous thin film was formed at a substrate temperature of 150 ° C. FIG. 5 shows the case where the substrate temperature is 250 ° C. in order to see the effect of the substrate temperature.
Plasmon resonance absorption was also observed in the as-depo state, but it is found that there is a tail of absorption on the long wavelength side and the particle size distribution is large. Furthermore, even if the thin film of FIG. 5 was heat-treated at a high temperature rising rate, there was no change in the absorption spectrum.

【0034】図6に昇温速度が250℃/秒、0.5℃
/秒の薄膜の粒径分布のヒストグラムを示す。どちら
も、粒径が10nmでピークを持つが、0.5℃/秒の
薄膜では、粒径が16nmに至る分布があった。一方、
本実施例の薄膜では、粒径は12nm程度まで分布した
が、粒径16nmはほとんど無かった。これは、図2、
3、4の結果と同様に昇温速度が速いために生じたと考
えられる。
FIG. 6 shows a temperature rising rate of 250 ° C./sec and 0.5 ° C.
3 shows a histogram of the particle size distribution of a thin film per second. Both have a peak at a particle size of 10 nm, but the thin film at 0.5 ° C./sec had a distribution in which the particle size reached 16 nm. on the other hand,
In the thin film of this example, the grain size was distributed up to about 12 nm, but the grain size was almost 16 nm. This is shown in Figure 2.
Similar to the results of 3 and 4, it is considered that this was caused by the high temperature rising rate.

【0035】これらの結果から、基板温度を200℃以
下で薄膜形成と、熱処理の昇温速度を1℃/秒から25
0℃/秒にする効果が認められた。さらに、窒素レーザ
励起色素レーザを用いた縮退四光波混合法による3次非
線形感受率測定の結果、昇温速度0.5℃/秒の薄膜の
3次非線形感受率は1×10-7esuであり、一方本実
施例の非線形光学材料の3次非線形感受率は1×10-6
esuであった。
From these results, it is possible to form a thin film at a substrate temperature of 200 ° C. or lower and to raise the temperature of the heat treatment from 1 ° C./sec to 25 ° C.
The effect of increasing the temperature to 0 ° C./second was recognized. Furthermore, as a result of the third-order nonlinear susceptibility measurement by the degenerate four-wave mixing method using a nitrogen laser-excited dye laser, the third-order nonlinear susceptibility of the thin film at a temperature rising rate of 0.5 ° C./sec is 1 × 10 −7 esu. On the other hand, the third-order nonlinear susceptibility of the nonlinear optical material of this example is 1 × 10 −6.
It was esu.

【0036】実施例2 実施例1で用いたスパッタ装置7と同一構成の装置を用
い、ターゲット1を半導体ターゲットとした。半導体タ
ーゲット1、非晶質材料ターゲット2に高周波電力を供
給してスパッタリングを行って、半導体が分散した非晶
質薄膜を形成した。ターゲット1に用いる半導体はZn
Te、ターゲット2に用いる非晶質材料はSiO2 、基
板3は石英ガラスを用いた。スパッタガスとしては、ア
ルゴンガスを用い、圧力を2Paとした。ターゲット1
に50W、ターゲット2に300Wの高周波電力を供給
しスパッタリングを行った。基板温度は100℃にし
た。得られたZnTeを含む非晶質薄膜の膜厚は、0.
5μmであった。
Example 2 A target 1 was used as a semiconductor target by using the same apparatus as the sputtering apparatus 7 used in Example 1. High frequency power was supplied to the semiconductor target 1 and the amorphous material target 2 to perform sputtering to form an amorphous thin film in which the semiconductor was dispersed. The semiconductor used for the target 1 is Zn
Te, the amorphous material used for the target 2 was SiO 2 , and the substrate 3 was quartz glass. Argon gas was used as the sputtering gas, and the pressure was 2 Pa. Target 1
50 W and 300 W of high frequency power were supplied to the target 2 for sputtering. The substrate temperature was 100 ° C. The thickness of the obtained amorphous thin film containing ZnTe was 0.
It was 5 μm.

【0037】石英ガラス基板上に堆積した薄膜中の微粒
子の一構成成分であるZn、非晶質材料SiO2 中のS
iをマイクロビームナライザーで測定するとZn原子、
Si原子の比が原子数でほぼ1:3であった。非線形光
学材料中のZnTe微粒子の含有量は25原子%であっ
た。
Zn, which is a constituent of the fine particles in the thin film deposited on the quartz glass substrate, and S in the amorphous material SiO 2
Zn atom when i is measured by a microbeam analyzer,
The ratio of Si atoms was about 1: 3 in number of atoms. The content of ZnTe fine particles in the nonlinear optical material was 25 atom%.

【0038】その後、得られた非晶質薄膜を600℃で
1時間熱処理して非線形光学材料を得た。このとき60
0℃に達するための昇温速度を100℃/秒にした。熱
処理後の薄膜を透過電子顕微鏡で半導体微粒子の粒径分
布等を調べた。
Thereafter, the obtained amorphous thin film was heat-treated at 600 ° C. for 1 hour to obtain a nonlinear optical material. At this time 60
The heating rate for reaching 0 ° C. was 100 ° C./sec. The thin film after the heat treatment was examined by a transmission electron microscope for the particle size distribution of the semiconductor fine particles.

【0039】図7に昇温速度が100℃/秒、比較例の
0.5℃/秒の薄膜の粒径分布のヒストグラムを示す。
どちらも、粒径が8nmところでピークを持つが、0.
5℃/秒の薄膜では、粒径が12nmに至る分布があっ
た。一方、本実施例の薄膜では、粒径は10nm程度ま
で分布したが、粒径12nmはほとんど無かった。これ
は、昇温速度が速いために粒径分布が少なくなったと考
えられる。
FIG. 7 shows a histogram of the grain size distribution of a thin film having a temperature rising rate of 100 ° C./sec and a comparative example of 0.5 ° C./sec.
Both have a peak at a particle size of 8 nm, but
In the thin film at 5 ° C./sec, the particle size was distributed up to 12 nm. On the other hand, in the thin film of this example, the particle size was distributed up to about 10 nm, but the particle size was almost 12 nm. It is considered that this is because the particle size distribution was reduced due to the high temperature rising rate.

【0040】また、200℃を越える基板温度で作製す
ると、ZnTe微粒子による吸収スペクトルのピークが
観測されたが、透過電子顕微鏡観察によるZnTe微粒
子の粒径を調べると、本実施例の薄膜に比べて粒径分布
は大きかった。
Further, when the substrate was manufactured at a temperature higher than 200 ° C., the peak of the absorption spectrum due to the ZnTe fine particles was observed, but when the particle diameter of the ZnTe fine particles was examined by observation with a transmission electron microscope, as compared with the thin film of this example. The particle size distribution was large.

【0041】これらの結果から、基板温度を200℃以
下で薄膜を形成し、熱処理の昇温速度を1℃/秒から2
50℃/秒にする効果が認められた。さらに、窒素レー
ザ励起色素レーザを用いた縮退四光波混合法による3次
非線形感受率測定の結果、昇温速度0.5℃/秒の薄膜
の3次非線形感受率は5×10-7esuであり、一方本
実施例の非線形光学材料の3次非線形感受率は2×10
-6esuであった。
From these results, a thin film is formed at a substrate temperature of 200 ° C. or lower, and the heat treatment temperature is raised from 1 ° C./sec to 2 ° C.
The effect of 50 ° C./sec was recognized. Furthermore, as a result of the third-order nonlinear susceptibility measurement by the degenerate four-wave mixing method using a nitrogen laser-excited dye laser, the third-order nonlinear susceptibility of the thin film with a temperature rising rate of 0.5 ° C./sec is 5 × 10 −7 esu. On the other hand, the third-order nonlinear susceptibility of the nonlinear optical material of this example is 2 × 10.
It was -6 esu.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の非線形光学
材料の製造方法によれば、金属または半導体を含有する
非晶質薄膜を基板上に形成した後、熱処理し金属微粒子
または半導体微粒子を非結晶薄膜中に分散されてなる非
線形光学材料を製造する方法であって、前記非晶質薄膜
を基板上に形成する際の基板温度を室温以上200℃以
下にするので、金属または半導体が微粒子化せずに均質
に非晶質薄膜中に分散し、熱処理による微粒子化におい
て粒径分布を小さくすることができ、大きな非線形光学
効果を有する非線形光学材料を製造できる。
As described above, according to the method for producing a nonlinear optical material of the present invention, an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor is formed on a substrate and then heat-treated to remove the metal fine particles or the semiconductor fine particles. A method for producing a non-linear optical material dispersed in a crystalline thin film, wherein a substrate temperature when forming the amorphous thin film on a substrate is set to room temperature or higher and 200 ° C. or lower. Without it, it can be dispersed homogeneously in an amorphous thin film, the particle size distribution can be made smaller by atomization by heat treatment, and a nonlinear optical material having a large nonlinear optical effect can be manufactured.

【0043】また、金属または半導体を含む非晶質薄膜
を基板上に形成し、その後熱処理の昇温速度を1℃/秒
〜250℃/秒で加熱して熱処理を行うと、薄膜中にイ
オン状または原子状で分散している金属または半導体が
急速に微粒子化して、均質に微粒子ができ、粒径分布を
小さくすることができるので、大きな非線形光学効果を
有する非線形光学材料を製造できる。
When an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor is formed on a substrate and then the heat treatment is performed at a temperature rising rate of 1 ° C./sec to 250 ° C./sec to perform the heat treatment, the ions are formed in the thin film. Since the metal or semiconductor dispersed in the form of particles or atoms is rapidly made into fine particles to form uniform fine particles and the particle size distribution can be made small, a nonlinear optical material having a large nonlinear optical effect can be manufactured.

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

【図1】本発明の一実施例で用いたスパッタ装置の概略
構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例で得られた非線形光学材料の
吸収スペクトルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an absorption spectrum of a nonlinear optical material obtained in one example of the present invention.

【図3】本発明の一実施例で得られた非線形光学材料の
吸収スペクトルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an absorption spectrum of a nonlinear optical material obtained in one example of the present invention.

【図4】比較例で得られた金微粒子分散AlO2 の薄膜
の吸収スペクトルを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an absorption spectrum of a thin film of AlO 2 dispersed with gold fine particles obtained in a comparative example.

【図5】比較例で得られた金微粒子分散AlO2 の薄膜
の吸収スペクトルを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an absorption spectrum of a thin film of gold fine particle-dispersed AlO 2 obtained in a comparative example.

【図6】本発明の一実施例で得られた非線形光学材料
と、比較例で得られた金微粒子分散AlO2 薄膜におけ
る金微粒子の粒径分布のヒストグラムである。
FIG. 6 is a histogram of the particle size distribution of gold fine particles in the nonlinear optical material obtained in one example of the present invention and in the gold fine particle-dispersed AlO 2 thin film obtained in the comparative example.

【図7】本発明の一実施例で得られた非線形光学材料
と、比較例で得られたZnTe微粒子分散SiO2 薄膜
におけるZnTe微粒子の粒径分布のヒストグラムであ
る。
FIG. 7 is a histogram of the particle size distribution of ZnTe fine particles in the nonlinear optical material obtained in one example of the present invention and in the ZnTe fine particle-dispersed SiO 2 thin film obtained in the comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 金属または半導体のターゲット 2 非晶質材料のターゲット 3 基板 4 基板ホルダー 5 高周波電源 6 高周波電源 7 スパッタ装置 1 Target of Metal or Semiconductor 2 Target of Amorphous Material 3 Substrate 4 Substrate Holder 5 High Frequency Power Supply 6 High Frequency Power Supply 7 Sputtering Equipment

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属または半導体を含有する非晶質薄膜
を基板上に形成した後、熱処理し金属微粒子または半導
体微粒子を非結晶薄膜中に分散させて非線形光学材料を
製造する方法において、前記非晶質薄膜を基板上に形成
する際の基板温度を室温以上200℃以下にすることを
特徴とする非線形光学材料の製造方法。
1. A method for producing a non-linear optical material by forming an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor on a substrate and then heat-treating the amorphous fine film to disperse the metal fine particles or the semiconductor fine particles in the amorphous thin film. A method for producing a non-linear optical material, characterized in that the substrate temperature at the time of forming the crystalline thin film on the substrate is room temperature or higher and 200 ° C. or lower.
【請求項2】 金属または半導体を含有する非晶質薄膜
を基板上に形成した後、昇温速度を1℃/秒以上250
℃/秒以下として加熱して熱処理を行う請求項1に記載
の非線形光学材料の製造方法。
2. After forming an amorphous thin film containing a metal or a semiconductor on a substrate, the heating rate is 1 ° C./sec or more and 250 or more.
The method for producing a non-linear optical material according to claim 1, wherein the heat treatment is performed by heating at a rate of not higher than C / sec.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021035718A (en) * 2015-12-31 2021-03-04 ダウ グローバル テクノロジーズ エルエルシー Continuous flow synthesis of nanostructured materials

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