臺灣博碩士論文加值系統

摘要

在本論文中，利用半導體脈衝式雷射(波長532 nm，脈衝寬度0.71 ns，脈衝重複率15.29 kHz)，從事變化入射功率之Z軸掃描量測技術研究在奈米尺度下不同厚度的奈米金(Au)薄膜之非線性光學性質。並利用理論公式擬合(fitting)不同厚度金薄膜在不同入射功率下的實驗曲線，而獲得其非線性吸收係數β與非線性折射係數γ對不同入射功率的關係。在本論文中的Z軸掃描量測架構，比傳統Z軸掃描量測架構多了一個可以量測反射訊號的偵測器，並在不同厚度的金薄膜之反射率曲線發現有趣的現象。
並且也針對應用在近場超解析結構中的光學作用層-氧化鋅(ZnO)薄膜，做一系列不同厚度之單層與三層結構之氧化鋅(ZnO)薄膜的非線性光學性質研究，也在其反射率曲線發現有趣的現象。

Abstract

In this thesis, we study nonlinear optical properties of optoelectronic ZnO and Au nanometer thin films with different thickness under different laser powers by z-scan in which we use a pulsed laser (wavelength=532 nm, pulse width=0.71 ns, repetition rate=15.29 KHz) as the light Source. In addition, we fit experimental data of Au thin film of different thickness to get nonlinear absorption/refraction coefficients β/γ. Interestingly, we add a measurement device in our experimental setup to detect reflective optical signal of Au/ZnO thin films with different thickness.

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 XII

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2

第二章 理論基礎 8
2-1 Z軸掃描技術 8
2-2 光與物質之交互作用 14
2-3 非線性折射與非線性吸收的理論計算 19

第三章 實驗過程 26
3-1 樣品製備 26
3-2 實驗架構與方法 33

第四章 實驗結果與討論 38
4-1 樣品量測前的準備工作 38
4-2 氧化鋅薄膜之實驗結果 40
4-3 金薄膜之實驗結果 52

第五章 結論 83

參考資料 86













圖目錄
第一章 序論
圖1-2-1 超解析度近場光學紀錄的結構。 5
圖1-2-2 實驗結果之C/N值與記錄點大小的關係。 5
圖1-2-3 (a)為氧化銀薄膜之超解析結構碟片的多層結構圖， (b) 則是使用波長為635nm的光碟機讀寫頭，在此種結構的超解析碟片上，寫入不同大小的記錄點後，所讀出的信號強度的CNR值。 7

第二章 理論基礎
圖2-1-1 z軸掃描技術的基本架構。 9
圖2-1-2 理論模擬的非線性吸收曲線：曲線(a)為反飽和吸收；曲線(b)為飽和吸收；曲線(c)為線性吸收。 11
圖2-1-3 理論模擬非線性折射曲線：曲線(a)為自聚焦；(b)為自散焦。 12
圖2-1-4 由於自聚焦效應，在介質到達焦點前，光束有變寬的現象，導致偵測器量到的單位強度較小(a)圖中上圖；介質在焦點之後，光束有變窄的情形，導致單位強度較大(a)圖中下圖。(b)圖為自散焦效應，相反的情況。 13

第三章 實驗過程
圖3-1-1-1 射頻濺鍍機的架構示意圖。 28
圖3-1-1-2 (a)為三層氧化鋅薄膜結構示意圖，(b)為單層氧化鋅薄膜結構示意圖，(c)為樣品的實際照片圖。 29
圖3-1-2-1 直流濺鍍機的架構示意圖與型號為Cressington 208HR的直流濺鍍機圖。 31
圖3-1-2-2 (a)為金薄膜的結構示意圖，(b)為金薄膜樣品的實際照片圖。 32
圖3-1-2-3 為4種厚度(5nm、10nm、20nm、30nm)的金薄膜的AFM影像圖。 32
圖3-2-1 Z軸掃描裝置圖。 34

第四章 實驗結果與討論
圖4-1-1 偵測器對入射光功率的變化。 39
圖4-1-2 玻璃蓋玻片在入射功率100µW下之Z-scan的開孔穿透率、閉孔穿透率與反射率曲線。 40
圖4-2-1 膜層結構與掃描方向的示意圖。(a)單層氧化鋅薄膜結構；(b)三層氧化鋅薄膜結構。 41
圖4-2-2 玻璃蓋玻片上鍍ZnS-ZiO2薄膜在入射功率100µW下之Z-scan量測的開孔穿透率、閉孔穿透率與反射率曲線。 42
圖4-2-3 單層氧化鋅薄膜結構(厚度為60nm)，在入射功率100µW下之Z-scan量測的開孔穿透率、閉孔穿透率與反射率曲線。 44
圖4-2-4 不同厚度的單層氧化鋅薄膜結構之穿透率隨入射功率變化曲線。(a)開孔穿透率隨入射功率變化曲線、(b)閉孔穿透率隨入射功率變化曲線。 45
圖4-2-5 以玻璃蓋玻片未濺鍍上樣品薄膜那一個介面處經過焦點附近的位置的反射率數值(第二個峰值)為基準做歸一化處理後的不同厚度之單層氧化鋅薄膜結構與玻璃蓋玻片的反射率曲線。 46
圖4-2-6 經過以第二個峰值做歸一化處理後之不同厚度單層氧化鋅薄膜在焦點附近時的反射率峰值隨入射功率變化曲線。 47
圖4-2-7 三層氧化鋅薄膜結構(厚度為60nm)，在入射功率100µW下之Z-scan量測的開孔穿透率、閉孔穿透率與反射率曲線。 48
圖4-2-8 不同厚度的三層氧化鋅薄膜結構之穿透率隨入射功率變化曲線。(a)開孔穿透率隨入射功率變化曲線、(b)閉孔穿透率隨入射功率變化曲線。 49
圖4-2-9 以玻璃蓋玻片未濺鍍上樣品薄膜那一個介面處經過焦點附近的位置的反射率數值(第二個峰值)為基準做歸一化處理後的不同厚度之三層氧化鋅薄膜結構與玻璃蓋玻片的反射率曲線。 50
圖4-2-10 經過以第二個峰值做歸一化處理後之不同厚度三層氧化鋅薄膜在焦點附近時的反射率峰值隨入射功率變化曲線。 51
圖4-3-1 (a)為HITACHI U-3310 spectrophotometer，(b)圖為不同厚度金薄膜的穿透光譜圖，(c)為不同厚度金薄膜的吸收光譜圖。 53
圖4-3-2 金薄膜層結構與掃描方向的示意圖。 54
圖4-3-3 在入射功率在30µW時，由Z-scan實驗所量測到不同厚度的金薄膜之開孔穿透率、閉孔穿透率與穿透率曲線。金薄膜厚度：(a)5nm，(b)10，(c)20nm，(d)30nm。 55
圖4-3-4 4種金薄膜厚度的穿透率隨入射功率變化的曲線， (a)為線性開孔穿透率入射功率變化的曲線，(b)為線性開孔穿透率峰值隨入射功率變化的曲線，(c)為線性閉孔穿透率隨入射功率變化的曲線。 56
圖4-3-5 金薄膜(5nm厚度)在各各功率下之開孔穿透率曲線。 58
圖4-3-6 金薄膜(5nm厚度)在各各功率下之閉孔穿透率曲線 59
圖4-3-7 金薄膜(10nm厚度)在各各功率下之開孔穿透率曲線。 60
圖4-3-8 金薄膜(10nm厚度)在各各功率下之閉孔穿透率曲線。 61
圖4-3-9 金薄膜(20nm厚度)在各各功率下之開孔穿透率曲線。 62
圖4-3-10 金薄膜(20nm厚度)在各各功率下之閉孔穿透率曲線。 63
圖4-3-11 金薄膜(30nm厚度)在各各功率下之開孔穿透率曲線。 64
圖4-3-12 金薄膜(30nm厚度)在各各功率下之閉孔穿透率曲線。 65

圖4-3-13 (a)開孔穿透率曲線的ΔT，(b)閉孔穿透率曲線的ΔTp-v(outside)與ΔTp-v(inside)。 67
圖4-3-14 不同厚度金薄膜的開孔與閉孔穿透率曲線之歸一後穿透率隨入射功率變化量。(a)開孔穿透率之ΔT隨入射功率變化曲線， (b) 閉孔穿透率之ΔTp-v(outside)隨入射功率變化曲線，(c) 閉孔穿透率之ΔTp-v(inside)隨入射功率變化曲線。 68
圖4-3-15 金薄膜(5nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合開孔穿透率實驗數據的曲線。 69
圖4-3-16 金薄膜(5nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合閉孔穿透率實驗數據的曲線。 70
圖4-3-17 金薄膜(10nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合開孔穿透率實驗數據的曲線。 71
圖4-3-18 金薄膜(10nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合閉孔穿透率實驗數據的曲線。 72
圖4-3-19 金薄膜(20nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合開孔穿透率實驗數據的曲線。 73
圖4-3-20 金薄膜(20nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合閉孔穿透率實驗數據的曲線。 74
圖4-3-21 金薄膜(30nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合開孔穿透率實驗數據的曲線。 75
圖4-3-22 金薄膜(30nm厚度)在各種入射功率下之理論公式擬合閉孔穿透率實驗數據的曲線。 76
圖4-3-23 不同厚度的金薄膜之非線性吸收係數β隨入射功率變化曲線。 78
圖4-3-24 不同厚度的金薄膜之非線性折射係數γ隨入射功率變化曲線。 78
圖4-3-25 在入射功率在30µW時，由Z-scan實驗所量測到不同厚度的金薄膜之開孔穿透率與穿透率曲線。金薄膜厚度：(a)5nm，(b)10，(c)20nm，(d)30nm。 80
圖4-3-26 在入射功率在30µW時，將不同厚度金薄膜與蓋玻片(glass)的反射率曲線經過以最後一個峰值的數值做歸一化處理之反射率曲線。 81
圖4-3-27 不同厚度之金薄膜結構在焦點附近時的最大反射率隨入射功率變化曲線。 81
圖4-3-28 金薄膜厚度為20nm與30nm的下凹處隨著入射功率變化曲線。 82

第五章 結論

















表目錄
表3-2-1 實驗架構的各項參數 37
表4-3-1 利用Z-scan系統量測不同厚度的金薄膜在不同功率下的非線性吸收係數β與非線性折射係數γ 79

Reference
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