The objective of the dissertation is to verify the possibility of optical waveguide as well as blue beam generator using sol-gel derived strontium-barium niobate $[(Sr_xBa_{1-x})Nb_2O_6]$ films. For these purposes, ferroelectric, tungsten-bronze type SBN films with composition of x = 0.25, 0.40, 0.60, and 0.75 prepared by sol-gel method were investigated. The crystallization behavior of SBN films on various substrates was studied. SBN films on fused silica, silicon wafer, and MgO (100) substrates were prepared using a two-step heating process. The two-step heating process, including pre-heating at 550℃ for 5 hours, enhanced the crystallization and the densification of SBN films. The highly preferred c-axis oriented SBN films were prepared on MgO (100) single crystal substrates. Also, SBN films with (201) and (001) orientation were prepared on $Pt(111)/SiO_2/Si$ and Pt(100)/MgO(100) substrates, respectively. The crystallized phase and the degree of orientation was dependent on crystallization temperature and film composition. The crystallization temperature required to form a single tetragonal tungsten bronze (TTB) SBN phase increased with an increase of Sr content due to the distorted SBN structure. However, in case of the film on MgO substrate, the oriented crystallization which forms the single tetragonal phase occured at lower crystallization temperature than those of polycrystalline films because of lattice matching between the film and the substrate. A preferential orientation of the films has been enhanced by (1) growing film on seeded MgO substrate, and (2) poling the film by a high d.c. electric field $(＞E_c)$. The mechanisms of these effects were discussed. Since Nb atoms in SBN unit cell moved along c-axis and parallel to electric field direction by applying the field, the films showed a preferred domain arrangement almost parallel to the electric field direction. When the seeds layer was prepared on MgO substrate, the isolated SBN seeds were formed by breaking up a continuous film into single-crystal islands by pores initially contained in the film. Thus, the film on a seeded substrate had highly orientation because the number of epitaxial nuclei was increased at the interface between the film and the substrate.
Their optical and ferroelectric properties were also investigated. The anisotropy of refractive indices ($n_o$ and $n_e$) of c-axis preferred oriented films on MgO (100) substrates decreased certainly as Sr content in the film composition increased. The optical propagation loss of the films decreased with increasing Sr content due to the reduction of the optical scattering by the anisotropy of refractive indices. Both the remanent polarization $(P_r)$ and the coercive field $(E_c)$ of the c-axis oriented SBN films increased as Sr content increased because of the more displacement of Sr ions than Ba ions and the distorted structure, respectively. The linear electro-optic coefficients of the c-axis oriented films were measured by a two-beam polarization interferometer. The films showed the linear electro-optic effect with large electro-optic coefficients. The coefficients of the films increased as the Sr content increased because the linear electro-optic coefficient was dependent on the spontaneous polarization and the dielectric constant of the films. The second-harmonic generation (SHG) effect of the films was also studied. Fundamental beam of Nd:YAG laser with 1064 nm was used as a pump beam. From Maker fringe measurements with a quartz reference, $d_33$, $d_31$, and $d_24$ (=$d_15)$ coefficients of the SBN films were obtained. These values increased as the Sr content in the film increased, similarly with the linear electro-optic coefficients of the film. The nonlinear optical coefficients of the SBN film could be increased to a considerable extent by improving the epitaxial quality of the films such as applying the electric poling and using a seeds layer.
Well-characteristics of the sol-gel derived SBN films were obtained including excellent electrical, optical, and nonlinear optical properties. It is expected to have applications for integrated optical devices in the near future.
본 논문은 졸-겔 (sol-gel)법을 이용하여 강유전체 $(Sr_xBa_{1-x})Nb_2O_6$ 박막을 제조하고 박막의 광특성 및 제 2 고조파 발생 효과를 연구하여 차후 광도파로로의 응용과 단파장 광원으로의 적용 가능성을 검증하였다. 사용된 조성은 SBN 박막이 강유전 특성을 유지하는 x = 0.25, 0.40, 0.60, 0.75를 선택하였다. SBN 용액을 제조하기 위한 초기 물질로는 Sr, Ba metal과 Nb ethoxide를 사용하였고 수분 안정성을 위해 용매로는 2-methoxyethanol를 사용하였다. 졸-겔 SBN 박막은 균열이 쉽게 생기고 낮은 결정성장성을 보이기 때문에 이를 해결하기 위해 2단계 건조와 2단계 열처리법을 적용하여 silica 기판에서도 높은 결정성을 갖는 박막을 제조하였다. 이 열처리법을 사용하여 먼저, silicon 기판 위에 코팅한 다결정 SBN 박막의 결정화 특성을 알아보고, MgO (100) 단결정 기판 위에 코팅하여 박막의 배향 특성을 분석하였다. 다결정 SBN 박막의 경우, TTB (tetragonal tungsten bronze) SBN 상이 형성되는 온도가 SBN25와 SBN60은 900℃, SBN75는 1000℃로서 Sr의 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 SBN unit cell의 구조가 Sr의 함량이 증가함에 따라 A1 site의 빈자리가 늘어나면서 비틀어지는 구조로 변하여 낮은 온도에서 생성되는 SN $(SrNb_2O_6)$과 BN $(Ba Nb_2O_6)$이 SBN 상으로 전이되는 데에 열에너지가 더욱 많이 필요하게 되기 때문이다. 그러나 MgO 기판 위에 코팅된 배향성 SBN 박막의 경우, 이러한 결정화 양상이 훨씬 낮은 온도에서 진행되어 700℃에서도 TTB SBN 상을 가지고 있음을 확인하였다. 제조된 배향성 박막 역시 박막의 조성과 결정화 온도에 따라 배향성 정도가 영향을 받음을 확인하였다. 강유전체 박막의 특성을 보다 향상시키기 위해서는 배향성이 매우 우수한 박막을 제조하야 하므로, 이를 위해 직류 전기장을 박막에 걸어주는 방법과 자체 박막을 seeds layer로 사용하여 코팅하는 방법을 사용하여 높은 배향도를 가지는 박막을 얻을 수 있었다. 특히 배향도가 떨어지는 SBN75 박막의 경우, 배향도가 높은 SBN25 박막을 seeds layer로 사용함으로써 배향도를 향상시킬 수 있었다.
SBN 박막의 투광도는 가시광선과 적외선 영역에서 80% 정도로 매우 우수하였고, absorption egde가 Sr 함량이 증가함에 따라 감소하여 투과영역이 넓어짐을 관찰할 수 있었다. 또한 박막의 정상 (ordinary) 굴절률과 비정상 (extraordinary) 굴절률의 차이가 Sr 함량이 증가함에 따라 감소하는 현상을 통해 이것이 박막의 광도파 손실을 줄여주는 주요 원인이 됨을 알 수 있었다. 이광 편광간섭계 (two-beam polarization interferometer)를 이용하여 배향성 SBN 박막의 일차 선형 전광계수를 측정한 결과 Sr 함량이 증가함에 따라 큰 폭으로 값이 증가하는 것을 관찰하였다. SBN 박막의 polarization $(P_s)$과 유전율 (ε)을 측정한 결과 Sr 함량의 증가에 따라 이들 역시 증가하는 경향을 얻어, P. Gunter가 제안한 바에 따라 이들 값의 증가에 따라 박막의 전광계수 값이 증가한다는 결론을 얻었다. 박막의 SHG (second-harmonic generation) 효과를 관찰하기 위해 Nd:YAG 레이저의 1064m 파장의 빛을 입사시킨 결과, 532㎛ 파장을 갖는 제2고조파를 얻을 수 있었다. Maker 무늬 방법을 이용하여 박막의 이차 비선형 계수, $d_31$과 $d_33$값을 계산하였다. 전광효과와 유사하게 Sr 함량이 증가함에 따라 계수값이 증가하는 결과를 얻었으며 기존의 $LiNbO_3$ 박막보다 우수한 비선형 특성을 보였다. 또한, 박막의 배향성 정도에 따라 계수값이 달라지는 현상을 통해 poling과 seeds layer가 박막의 비선형 특성에 미치는 영향을 알 수 있었다.
높은 Sr 함량을 가지는 SBN 박막은 큰 전광계수와 우수한 비선형 특성을 가지고 있으며, 투과영역이 넓고 낮은 이방성으로 인한 낮은 광도파손실을 가지므로, 식각 기술과 같은 기술적인 문제들의 해결이 뒷받침된다면 향후 광도파로 및 단파장 레이저 광원의 주요 소재로서 많은 기능을 담당할 수 있을 것이다.
