水热法制备纳米结构铌酸锂及其光学性能研究

摘要

铌酸锂(LiNbO3)是一种具有很高居里温度和很大自发极化强度的铁电体氧化物材料，其本身也具有良好的电光、压电和非线性光学等性能，因此在声表面波传感器、光通讯、滤波器等领域大显身手，被称为“聪明”和“通用型”晶体。铌酸锂除了不能做光源探测器以外，适合制作光的多种控制耦合和传输器件，例如：光调制、光波导、光放大、光隔离等器件。纳米线、纳米颗粒，由于量子限制效应所具有的优异的电学和光学性质，在电、光器件方面展示出诱人的前景，但是目前铌酸锂器件还停留使用体单晶、薄膜材料微电子工艺上，随着微电子向纳电子技术的发展，LiNbO3材料也要向纳米材料制备方向发展，因此纳米结构铌酸锂的研究对我国可持续发展有重要的意义。
　　 本文以五氧化二铌、一水氢氧化锂和氢氧化钾为原料，在自制的水热反应釜中利用水热法成功制备了多种铌酸锂微/纳米结构。
　　 反应体系中不加入任何基底情况下，在保证三种药品的摩尔比为：Nb2P5：LiOH·H2O：KOH=1：2：11条件下，改变反应物的浓度，分别制备了铌酸锂微/纳米颗粒和层状铌酸锂纳米结构；如果反应体系加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，在活性剂含量为0.04g～0.02g之间时制备出了铌酸锂纳米管阵列。
　　 反应体系中放置多晶氧化铝基底时，我们制备了化学计量比铌酸锂微/纳米线。为了了解水热法制备铌酸锂微/纳米线的生长机理，我们分别对反应时间、反应温度、反应物浓度、衬底的作用和氢氧化钾对实验的影响等进行了深入而细致的分析，获得了优化的生长条件。最佳生长条件是：反应物Nb2O5、LiOH·H2O、KOH的含量分别为0.2g、0.063g、0.464g(Nb2O5：LiOH·H2O：KOH=1：2：11)，反应温度为150℃，反应时间为5天。XRD、SEM和HRTEM测试表明：我们所制备的铌酸锂微/纳米线为四方形貌，长度达几十微米，生长方向为[110]。
　　 我们对生成的铌酸锂微/纳米线进行了光波导性能研究，发现退火可以使其光波导性能非常优异。并且我们也研究了不同角度下耦合光对其性能的影响。实验中，我们发现铌酸锂对红外(1064nm)，红光(650nm)和绿光(532nm)都有很好的波导性能。

目录

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第一章 引言

第二章 文献综述

2.1铌酸锂晶体的基本结构

2.1.1 Li2O-Nb2O5系相图概述

2.1.2铌酸锂的晶格结构

2.2铌酸锂的性质和性能

2.2.1电光效应

2.2.2压电效应

2.2.3非线性光学效应

2.3铌酸锂在光波导领域的应用

2.4纳米材料及其常用制备方法

2.4.1液相法

2.4.2 气相法

2.4.3固相法

2.4.4模板法

2.5铌酸锂纳米结构研究进展

2.5.1铌酸锂纳米颗粒的制备

2.5.2一维铌酸锂纳米结构的制备

第三章 实验原理和实验过程

3.1实验的原材料和化学试剂

3.2水热反应釜

3.3实验过程

3.4主要表征手段

3.4.1 X射线衍射(XRD)

3.4.2场发射扫描电镜(FESEM)

3.4.3 TEM

3.4.4尼康显微镜

3.4.5皮秒激光器

第四章 纳米结构铌酸锂的制备和表征

4.1无基底情况下铌酸锂纳米结构的制备

4.1.1反应温度和反应时间的影响

4.1.2反应物浓度的影响

4.1.3表面活性剂对产物形貌的影响

4.2一维铌酸锂纳米线的制备

4.2.1不同基底对制备铌酸锂纳米线的影响

4.2.2反应物浓度及氢氧化钾的影响

4.2.3反应时间对产物形貌的影响

4.2.4反应温度对形貌的影响

4.2.5铌酸锂纳米线的表征

4.3一维铌酸钾纳米针的制备

4.4结论

第五章 一维铌酸锂微/纳米线的光波导性能研究

5.1实验过程与原理

5.1.1实验方法

5.1.2衬底的选择

5.2退火对铌酸锂微/纳米线的影响

5.3铌酸锂光波导测试

5.3.1退火对光波导的影响

5.3.2光波导的耦合位置影响

5.3.3铌酸锂对不同颜色光的波导

5.3.4光从不同角度进行端部耦合

5.3.5表面光滑度的影响

5.4结论

第六章 结论

参考文献

作者简历