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

Beschreibung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung von Seltenerd-dotierten In2O3 - und α-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 α-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 α-Al2O3 gewachsenen Seltenerd-dotierten α-Al2O3 -Schichten angestrebt. Dabei wurde beobachtet, dass die Schichtherstellung bei Substrattemperaturen unterhalb von 1030°C im Wachstum von Seltenerd-dotierten Al2O3 -Schichten in γ-Modifikation resultierte. Die α-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 α-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 α-Al2O3 ein sehr vielversprechendes Lasermaterial dar.

Autor*in

Sebastian Heinrich

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