预退火处理优化x切薄膜铌酸锂畴工程的机理与应用研究

本研究针对x切薄膜铌酸锂(TFLN)周期性极化中存在的畴结构不均匀、批次重复性差等关键问题，提出通过预退火处理结合外电场极化的创新方法。研究人员系统探究了退火温度(430 °C)与时间(13小时)对畴转换质量的优化作用，成功实现50%占空比的周期性畴结构，显著提升了TFLN薄膜质量与非线性器件性能，为量子光学与集成光子学器件开发提供了新思路。

　　

在集成光子学领域，薄膜铌酸锂(TFLN)因其卓越的非线性光学特性和灵活的光学调控能力，已成为新一代量子光源和光通信器件的核心材料。然而，要实现高效频率转换，必须通过周期性极化在晶体中构建规则的畴结构——这一过程如同在微观尺度上"雕刻"出精确的光学栅格。传统方法在x切TFLN上制备畴结构时，常面临畴反转不完全、批次间重复性差等挑战，这些问题严重制约了非线性光学器件的性能稳定性。

针对这一瓶颈，山东大学等机构的研究团队创新性地将预退火处理引入畴工程流程。通过系统研究退火参数对畴结构的影响，发现430°C下处理13小时能显著改善薄膜质量，使后续电场极化形成的畴结构具有理想的50%占空比。这项发表于《Optical Materials》的研究，不仅揭示了热退火对TFLN畴动力学的调控机制，更为高一致性非线性器件的制备提供了可靠方案。

研究团队主要采用三项关键技术：1) 梯度退火实验设计(300-450°C温度区间)；2) 双极性预处理脉冲波形电场极化；3) X射线衍射与表面粗糙度分析表征薄膜质量。实验使用NANOLN公司提供的x切TFLN样品，包含600nm铌酸锂层/2μm二氧化硅绝缘层/500μm硅衬底结构。

【Sample】部分显示，研究人员设计了周期4.13μm的梳状铝电极，通过湿法刻蚀工艺制备电极图形，为后续极化提供精确电场分布。

【Effect of annealing temperature on x-cut TFLN converted domains】章节揭示：当退火温度超过400°C且持续时间>10小时时，畴转换质量显著提升。特别在430°C条件下，不仅获得了完美的周期性畴结构，还通过XRD证实晶体质量改善。温度过高(如450°C)反而会导致电极损伤。

【Conclusion】部分总结：预退火处理通过消除薄膜内部应力、优化晶体结构，使后续电场极化形成的畴结构具有更高一致性。该技术解决了TFLN器件制备中批次差异大的核心难题，对开发基于准相位匹配(QPM)的二次谐波发生器(SHG)和光学参量振荡器(OPO)具有重要意义。

讨论指出，该方法可进一步拓展至其他铁电材料体系。通过调控退火参数与电场波形的协同效应，未来有望实现<300nm的超精细畴结构制备，为镜像less光学参量振荡器和反向准相位匹配(BQPM)等前沿应用奠定基础。研究获得山东省重点研发计划(2021ZDPT01)、量子科技创新专项(2021ZD0300800)等项目的支持。