紫外臭氧调控二氧化硅/硅异质结非线性吸收特性的研究

本文创新性地采用紫外臭氧(UVO)和激光协同改性技术，成功实现了SiO2/Si异质结三阶非线性吸收特性的精准调控。通过缺陷态密度与组分比的战略调控，使材料非线性响应从反饱和吸收(RSA)转变为饱和吸收(SA)，获得-1.61×10-5 cm/W的超高非线性吸收系数，并将介电近零(ENZ)波段调控范围拓展至656-2101 nm，为光电器件非线性调制提供了新范式。

　　

亮点发现

通过开放式光阑(OA) Z扫描系统测得所有样品的归一化透射率（详见表1）。基于公式(S4)计算非线性吸收系数，所有数据均通过方程(S5)拟合获得。

非线性吸收行为与ENZ特性

如图2(c)所示，未经处理或仅经UVO处理的硅片由于立方晶格的规则结构未显示非线性效应。激光处理后，在焦点附近观察到归一化透射率下降——这是反饱和吸收(RSA)的典型特征。有趣的是，经UVO处理的样品S1-S3在激光功率1.6W时展现出明显的透射率增强峰，表明成功实现从RSA到饱和吸收(SA)的转变。这种"双模式开关"特性归因于UVO诱导的缺陷态重组与界面能带重构。

特别值得注意的是，样品S2在UVO处理后获得-1.61×10^-5 cm/W的最大三阶非线性吸收系数，较传统硅基材料提升近5倍。通过椭圆偏振仪分析发现，介电近零(ENZ)波段可实现656-2101nm的超宽调控（跨度达1445nm），这种"光谱橡皮筋"效应为宽带可调谐光子器件开发铺平道路。

结论

本研究创新性地结合激光改性与UVO处理，在单晶硅基底上构建具有周期性微结构的SiO₂/Si异质结。UVO处理使测试数据稳定性显著提升，并获得目前无机材料报道中最高的非线性吸收系数。ENZ波段的可调性为设计新型全光开关和光学限幅器提供了重要实验依据，这种"缺陷工程+表面改性"的双重调控策略为功能性光电材料开发开辟了新途径。