铁掺杂对钛酸锶非线性吸收的影响

侯晓宇，侍玉超，陈 威，张 茹，李中国，冯金福，江学范

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

铁掺杂对钛酸锶非线性吸收的影响

侯晓宇，侍玉超，陈 威，张 茹，李中国，冯金福，江学范

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

利用光谱测量方法对铁掺杂和本征钛酸锶单晶的线性和非线性光学性质进行了实验研究. 紫外-可见吸收谱测量的结果表明铁元素掺杂可降低钛酸锶材料的禁带宽度. 皮秒Z扫描实验的结果显示本征和铁掺杂钛酸锶在532 nm波段都具有双光子吸收，但铁掺杂可以增强钛酸锶的双光子吸收系数. 该结果表明铁掺杂钛酸锶材料在光限辐、全光调制等领域具有应用潜力.

钙钛矿；Z扫描；掺杂

1 引言

钙钛矿材料（Perovskite）因其电子、轨道和自旋等自由度之间的强关联特性，过去一直是研究磁性、超导等物理现象的重要材料［1］. 和传统的半导体材料（如硅、锗）相比，钙钛矿材料具有三大优点：（1）钙钛矿材料的种类多样，其晶格结构和禁带宽度都易于调节；（2）很多钙钛矿材料具有铁电性，这对于提高器件的光、电响应有益；（3）不同的钙钛矿材料可方便的制备成异质结［2］. 因此，钙钛矿材料在光伏、光催化、透明电极和非线性光学等领域都具有广阔的应用前景，现已受到物理和材料学界的广泛关注［3-6］. 在庞大的钙钛矿家族中，无机钙钛矿材料钛酸锶（Strontium Titanate， SrTiO3）具有化学稳定性好、原料储量丰富、毒性小等特点，在太阳能电池、可见光催化、高k电极等领域具有极大潜力［7］.

在半导体物理中，掺杂对半导体材料的能带结构、电学、光学和磁学性能有重大影响. 有文献报道了通过元素掺杂（Doping）来调控钙钛矿材料的非线性吸收或非线性折射性能［8-10］. 然而，目前鲜有文献针对掺杂钛酸锶材料的非线性光学性能开展过深入的研究. 因此，研究掺杂对钛酸锶材料的光学性质的影响不论对钙钛矿材料的光物理机理研究还是对未来基于钛酸锶的光电器件开发都有重要的意义.

本文通过紫外-可见吸收谱和单光束Z扫描测量方法对本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的光学性能进行了实验研究. 紫外-可见吸收谱的测量结果表明铁掺杂可有效降低钛酸锶的禁带宽度. 皮秒Z扫描的实验结果显示铁掺杂可有效提高钛酸锶材料的双光子吸收系数. 该结果预示铁掺杂钛酸锶材料在未来的光电和非线性光学器件领域具有应用潜力.

2 实验

本文所测试的高质量钛酸锶单晶由合肥科晶公司提供. 本征的钛酸锶材料（化学式SrTiO3）的尺寸为10 mm×10 mm×1 mm，铁掺杂的钛酸锶材料（化学式SrTi1-xFexO3，铁的质量百分数为0.5%）的尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm. 所有晶体均双面抛光. 本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的线性光学性质通过分光光度计（Varian， Cary-5000）进行测试. 钛酸锶材料的非线性光学性质则由单光束Z扫描方法测量［11］. Z扫描方法的光路示意图如图1所示. 从激光器输出的脉冲激光光束首先经过半波片和偏振片，变为线偏振光. 经过偏振片的光束被分束镜分为两束：一束被探测器D1接收，用来监测入射光束的能量浮动；另一光束则通过透镜L1聚焦到待测样品上. 待测样品放置在可移动位移平台上. 在实验过程中，位移平台在计算机的控制下沿透镜的Z轴在焦点前后移动. 经过样品的激光光束传播到远场，被探测器D2接收. 探测器能量D2与D1的比值D2/D1随Z轴位置的变化曲线称为开孔Z扫描曲线，对应于待测样品的非线性吸收性质. Z扫描实验的激光光源为一台锁模Nd：YAG激光器（EKSPLA，PL2143B），输出的波长为532 nm，脉冲宽度为21 ps，脉冲重复频率为10 Hz. 透镜L1的焦距为400 mm，焦点处激光的束腰半径为25 μm，对应的衍射长度在2 mm以上.因此钛酸锶样品满足薄样品近似. 探测光与参考光由两个硅光电探测器（Laser Probe，Rjp-765a）采集并通过能量计（Laser Probe，Rj-7620）反馈给个人电脑. 所有的

图1 Z扫描实验系统的光路示意图

实验均在室温下进行.

3 结果和讨论

本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的线性吸收谱结果如图2所示. 由图可知，钛酸锶材料在500~800 nm波段均无吸收. 本征钛酸锶材料的吸收峰位置在388 nm附近，对应的禁带宽度约为3.2 eV. 而铁掺杂的钛酸锶晶体的吸收峰发生了明显的红移，对应的禁带宽度变为2.45 eV. 这一结果表明铁元素掺杂可有效降低钛酸锶材料的带隙宽度. 该结果和先前文献的报道结果吻合［7］.

入射激光脉冲能量为0.24 μJ（对应峰值光强为8.8×1012W/m2时），本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的开孔Z扫描测量结果如图3、图4所示. 由图可知，两种钛酸锶材料的归一化透过率在焦点附近都明显减小. 该结果说明钛酸锶材料在532 nm波段具有非线性吸收效应. 考虑到入射激光的光子能量2.33 eV小于钛酸锶的禁带宽度，我们观察到的非线性吸收来自于钛酸锶晶体内部的双光子吸收［10］. 我们利用MATLAB软件对实验测量的结果进行了拟合，确定了本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的双光子吸收系数分别为5.9×10-11m/W和8.3×10-11m/W. 该结果与先前文献对其他钙钛矿材料的双光子吸收的测量结果相近［9-10］. 我们的实验结果表明，铁掺杂钛酸锶晶体的双光子吸收系数在532 nm波段要大于本征的钛酸锶晶体. 该结果说明铁元素掺杂不仅可以降低钛酸锶材料的禁带宽度，而且可以增强非线性吸收系数.

图2 本征和铁掺杂的钛酸锶单晶的线性吸收谱

图3 本征钛酸锶单晶（厚度1 mm）的开孔Z扫描测量结果

图4 铁掺杂钛酸锶单晶（厚度0.5 mm）的开孔Z扫描测量结果

4 结论

利用皮秒Z扫描方法对本征和铁元素掺杂的钛酸锶单晶的非线性吸收系数进行了实验测量. 实验测量结果表明铁元素掺杂不仅可有效降低钛酸锶的禁带宽度，而且可以增强钛酸锶材料的双光子吸收系数.该结果对未来基于铁掺杂钛酸锶材料的光电子器件开发具有一定的参考价值.

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Abstract:The linear and nonlinear optical properties of stoichiometric and Fe-doped SrTiO3single crystal are studied via optical spectroscopy. The UV-Vis data demonstrate that the optical band gap Eg decreases with Fe doping. Picosecond Z-scan results show that both samples have two-photon absorption at 532 nm, while the nonlinear absorption coefficient are enhanced by Fe doping. These results suggest that Fe doping can tune the linear and nonlinear optical properties of SrTiO3.

Key words:perovskite; Z-scan; doping

The Influence of Iron Doping on Nonlinear Absorption in Strontium Titanate

HOU Xiaoyu, SHI Yuchao, CHEN Wei, ZHANG Ru, LI Zhongguo, FENG Jinfu, JIANG Xuefan
(School of Physics and Electronic Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

O437

A

1008-2794（2017）04-005-03

2017-04-28

国家自然科学基金应急管理项目“LaAlO3/LaMnO3/EuTiO3异质界面电子结构重构的理论研究”（11647076）

李中国，讲师，研究方向：非线性光学，E-mail：zgli@cslg.edu.cn.