本發(fā)明涉及一種納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：光折變效應(yīng)(photorefractiveeffect)是指一種特殊的光感生折射率變化現(xiàn)象。入射光將束縛在某些晶體或有機(jī)物里的雜質(zhì)或缺陷形成的淺阱中的載流子(電子或空穴)激發(fā)出來，如果光強(qiáng)是不均勻的，光激發(fā)載流子將通過擴(kuò)散等過程進(jìn)行遷移，結(jié)果是在介質(zhì)里出現(xiàn)光感生電場(chǎng)。光感生電場(chǎng)再通過介質(zhì)的電光效應(yīng)產(chǎn)生折射率變化。但折射率變化不是即時(shí)發(fā)生，而需要一定的建立時(shí)間；即使是弱光，只要照射時(shí)間足夠長也可產(chǎn)生明顯的光折變效應(yīng)；只有在介質(zhì)里空間分布不均勻的光場(chǎng)中才能產(chǎn)生光折變效應(yīng)，而一旦出現(xiàn)光折變，可在黑暗里保持很長時(shí)間。具有光折變效應(yīng)的材料為光折變材料，由于其具有在光照射下具有光致折射率改變的性質(zhì)，因而可以用于全息記錄、相位調(diào)制、集成光學(xué)等領(lǐng)域。目前的光折變材料主要為晶體材料和有機(jī)薄膜材料。晶體包括無機(jī)晶體，如鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鉀(KNbO3)和鉭鈮酸鉀(KTN)等。鎢青銅結(jié)構(gòu)光折變晶體有鈮酸鋇鈉(BNN)、鈮酸鍶鋇(SBN)和鉀鈉鈮酸鍶鋇(KNSBN)等；半導(dǎo)體晶體，如GaAs:EL2、InP:Fe、CdTe:V等；有機(jī)晶體和薄膜，如PVK、COANP:TCNQ等。但是，現(xiàn)有光折變材料存在的缺點(diǎn)有：一、晶體生長周期慢、工藝復(fù)雜，應(yīng)用尺寸大、加工麻煩、耗費(fèi)材料多；二、需要外加電場(chǎng)對(duì)光生載流子進(jìn)行再分布，從而使折射率發(fā)生改變。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぴ诠庹圩儾牧现械膽?yīng)用。本發(fā)明通過研究首次發(fā)現(xiàn)鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぞ哂形⑷醯墓庹圩冃?yīng)。本發(fā)明中所述的鉛的硫?qū)倩衔餅榱蛳翟嘏c鉛元素的化合物，其化學(xué)式為PbA，其中，A為硫系元素，如硫、硒、碲等。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧檎瓗栋雽?dǎo)體薄膜。本發(fā)明中所述的帶隙為導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差，也稱能隙。帶隙超過3eV的被認(rèn)為是寬帶隙半導(dǎo)體，例如GaN、SiN和ZnO，帶隙小于3eV的就是窄帶隙。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ暮穸葹?00-300nm。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔餅榱蚧U(PbS)、硒化鉛(PbSe)或碲化鉛(PbTe)。一種納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料，包括金屬薄膜和鉛的硫?qū)倩衔锉∧?，所述金屬薄膜的一面與鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ囊幻娼佑|，其中，所述金屬薄膜的金屬的功函數(shù)大于等于所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぐ雽?dǎo)體的電子親合能。一種納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料，包括金屬薄膜和鉛的硫?qū)倩衔锉∧?，所述金屬薄膜的一面與鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ囊幻娼佑|，其中，所述金屬薄膜與所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ慕佑|界面形成肖特基結(jié)。本發(fā)明通過鉛的硫?qū)倩衔锉∧づc金屬薄膜結(jié)合在接觸界面形成肖特基結(jié)，能增強(qiáng)光折變效應(yīng)。鉛的硫?qū)倩衔锉∧閚型半導(dǎo)體材料，當(dāng)金屬的功函數(shù)大于等于n型半導(dǎo)體的親合能時(shí)，在兩者界面形成肖特基結(jié)，即內(nèi)建電場(chǎng)。用符合這種要求的金屬薄膜和半導(dǎo)體薄膜制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在光照下由半導(dǎo)體薄膜材料吸收光子能量產(chǎn)生電子空穴，這些光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下重新分布，從而帶來半導(dǎo)體薄膜材料折射率的改變。優(yōu)選的，還包括襯底，所述金屬薄膜的另一面與襯底接觸。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述襯底為BaF2襯底。BaF2襯底對(duì)光吸收少，透光波長范圍寬。透光波長范圍0.2-25微米，透光率92％以上。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧檎瓗栋雽?dǎo)體薄膜。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ暮穸葹?00-300nm。優(yōu)選的，所述鉛的硫?qū)倩衔餅榱蚧U(PbS)、硒化鉛(PbSe)或碲化鉛(PbTe)。優(yōu)選的，所述金屬薄膜的厚度為10-30nm。優(yōu)選的，所述金屬薄膜的材質(zhì)為金、銀、銅、鐵、鋁、鈷、鎳、鋅、鉻、鉬、鈦、鎢、釩、錫、鈹。一種上述納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料的制備方法，在襯底上生長一層透明的金屬薄膜，然后在所述金屬薄膜上生長一層鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぐ雽?dǎo)體材料。本發(fā)明中在襯底上生長一層透明的金屬薄膜是在襯底的一面制備金屬薄膜，其制備方法可以為真空蒸發(fā)、磁控濺射、激光濺射或分子束外延等。本發(fā)明中在金屬薄膜上生長一層鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぐ雽?dǎo)體材料是在金屬薄膜的一面制備鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぐ雽?dǎo)體材料，其制備方法也可以為真空蒸發(fā)、磁控濺射、激光濺射或分子束外延等。所述真空蒸發(fā)為在真空狀態(tài)下，將金屬加熱熔融至蒸發(fā)，金屬原子凝結(jié)在襯底表面形成極薄金屬薄膜的方法。所述磁控濺射為將鍍膜材料作為靶陰極，利用氬離子轟擊靶材，產(chǎn)生陰極濺射，把靶材原子濺射到工件上形成沉積層的一種鍍膜技術(shù)。所述激光濺射為將高功率脈沖激光聚焦作用于靶材(鍍膜材料)表面，是靶材表面產(chǎn)生高溫及燒蝕，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體(T>104K)，這種等離子體定向局域本質(zhì)，在工件上沉積形成薄膜。所述分子束外延為一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，它是在適當(dāng)?shù)囊r底與合適的條件下，沿襯底材料晶軸方向逐層生長薄膜的方法。優(yōu)選的，在襯底上生長一層透明的金屬薄膜的方法為磁控濺射法。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述磁控濺射方法的步驟具體為：無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的金屬靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓340V，電流80mA，濺射速率0.08-0.19nm/s，濺射時(shí)間60-125s。優(yōu)選的，在所述金屬薄膜上生長一層鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぐ雽?dǎo)體材料的方法為磁控濺射法。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述磁控濺射方法的步驟具體為：在金屬薄膜上濺射鉛的硫?qū)倩衔锉∧?，采?9.99％的鉛的硫?qū)倩衔锇胁?，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.09-0.12nm/s，濺射時(shí)間835-1100s。上述納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料在全息記錄、相位調(diào)制或集成光學(xué)中的應(yīng)用。本發(fā)明的有益效果為：1.本發(fā)明采用鉛的硫?qū)倩衔锉∧ぷ鳛楣庹圩儾牧希苽涔に嚭啽闳菀?、制備時(shí)間短。2.本發(fā)明采用金屬薄膜與鉛的硫?qū)倩衔锉∧そ雍希⒃谟媒饘俦∧づc鉛的硫?qū)倩衔锉∧さ慕缑嫘纬尚ぬ鼗Y(jié)，從而在薄膜內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)，對(duì)光生載流子移動(dòng)和再分布，不需外加電場(chǎng)，完全達(dá)到光折變材料的應(yīng)用目的。3.本發(fā)明采用與金屬形成肖特基結(jié)結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了這一大類半導(dǎo)體薄膜材料的光折變效應(yīng)，為光折變材料的簡單小型化應(yīng)用，提供了廣泛前景。4.本發(fā)明采用與金屬形成肖特基結(jié)結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法簡便容易、制備時(shí)間短，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的的納米半導(dǎo)體光折變薄膜材料(BaF2/Cu/PbTe薄膜)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的BaF2/Cu/PbTe薄膜結(jié)構(gòu)中發(fā)生的光折變折射率光柵照片；圖3為二波耦合實(shí)驗(yàn)光路示意圖；圖4為二波耦合實(shí)驗(yàn)折射率光柵讀出光路示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的銅靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓300V，電流80mA，濺射速率0.08nm/s，濺射時(shí)間125s，從而在BaF2襯底上制備得到10nm左右的透明銅膜。采用99.99％的PbTe靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.09nm/s，濺射時(shí)間1100s，從而在透明銅膜上制備得到100nm左右的PbTe薄膜，即獲得BaF2/Cu/PbTe薄膜。制備后的材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用二波耦合實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的BaF2/Cu/PbTe薄膜進(jìn)行光折變效應(yīng)的檢驗(yàn)，如圖2所示，二波耦合實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)光折變效應(yīng)的最有效手段。二波耦合實(shí)驗(yàn)具體步驟：二波耦合實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示。1.折射率光柵的寫入。波長為532nm功率為0.19mW的Nd:YAG激光，經(jīng)半波片、空間濾波片和透鏡后成為準(zhǔn)直光束，由分束器分成兩束光，兩束光以14度夾角投射在樣品表面，兩束光在樣品內(nèi)部發(fā)生干涉，由于光折變效應(yīng)從而形成折射率光柵。2.用遮光器擋住光路1的入射光時(shí)，在該光路的激光功率計(jì)中還能探測(cè)到光輸出，經(jīng)計(jì)算得到衍射效率達(dá)9％。3.折射率光柵的讀出。讀出光路如圖4所示。將1中寫入的折射率光柵放置于圖4光路中，將波長為532nm的Nd:YAG激光的功率降至到較低的水平，通過全息再現(xiàn)原理讀出折射率光柵，由CCD(電荷耦合元件)拍照得到圖2照片。從圖2中能夠明顯看出制備的BaF2/Cu/PbTe薄膜具有明顯的光折變效應(yīng)，即衍射效率可達(dá)9％。實(shí)施例2無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的PbTe靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.09nm/s，濺射時(shí)間1100s，從而在BaF2襯底上制備得到100nm左右的PbTe薄膜，即得BaF2/PbTe薄膜。通過二波耦合實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的BaF2/PbTe薄膜進(jìn)行光折變效應(yīng)的檢驗(yàn)，BaF2/PbTe薄膜具有較弱的光折變效應(yīng)。較弱的光折變效應(yīng)是指：通過CCD(電荷耦合元件)拍攝照片獲取的光柵衍射效率很低，小于0.1％，另外由二波耦合實(shí)驗(yàn)光路圖讀到的折射率光柵條紋很弱。本實(shí)施例制備的BaF2/PbTe薄膜的光柵衍射效率很低，只有0.05％。實(shí)施例3無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的金靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓340V，電流80mA，濺射速率0.19nm/s，濺射時(shí)間60s，從而在BaF2襯底上制備得到10nm左右的透明金膜。采用99.99％的PbTe靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.09nm/s，濺射時(shí)間1000s，從而在透明銀膜上制備得到100nm左右的PbTe薄膜，即獲得BaF2/Au/PbTe薄膜。實(shí)施例4無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的銅靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓300V，電流80mA，濺射速率0.08nm/s，濺射時(shí)間125s，從而在BaF2襯底上制備得到10nm左右的透明銅膜。采用99.99％的PbSe靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.1nm/s，濺射時(shí)間1000s，從而在透明銅膜上制備得到100nm左右的PbSe薄膜，即獲得BaF2/Cu/PbSe薄膜。實(shí)施例5無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的銅靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓300V，電流80mA，濺射速率0.08nm/s，濺射時(shí)間125s，從而在BaF2襯底上制備得到10nm左右的透明銅膜。采用99.99％的PbS靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.12nm/s，濺射時(shí)間835s，從而在透明銅膜上制備得到100nm左右的PbS薄膜，即獲得BaF2/Cu/PbS薄膜。實(shí)施例6無水乙醇清洗BaF2襯底，采用99.99％的鋁靶，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射電壓300V，電流80mA，濺射速率0.15nm/s，濺射時(shí)間67s，從而在BaF2襯底上制備得到10nm左右的透明鋁膜。采用99.99％的PbTe靶材，濺射室抽真空到5×10-4Pa，充氬氣，濺射室工作壓力0.45Pa，濺射功率20W，濺射速率0.09nm/s，濺射時(shí)間1100s，從而在透明鋁膜上制備得到100nm左右的PbTe薄膜，即獲得BaF2/Al/PbTe薄膜。按照實(shí)施例1中的二波耦合實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)實(shí)施例3-9制備的薄膜材料進(jìn)行光折變檢測(cè)，其中，實(shí)施例3-5制備的薄膜材料具有明顯的光折變效應(yīng)；而實(shí)施例6制備的薄膜材料具有較弱的光折變效應(yīng)。PbTe、PbSe及PbS的電子親合能如表1所示。表1PbTePbSePbS電子親合能(eV)4.6eV4.2eV4.35eV常用金屬功函數(shù)如表2所示。表2金銀銅鐵鋁鈷鎳鋅功函數(shù)(eV)5.14.264.654.54.285.05.154.33鉻鉬鈦鎢釩錫鈹鈀功函數(shù)(eV)4.54.64.334.554.34.424.985.12通過實(shí)施例1-6及表1-2表明，鉛的硫?qū)倩衔锉∧げ牧暇哂休^弱的光折變效應(yīng)，當(dāng)金屬的功函數(shù)大于等于鉛的硫?qū)倩衔锏碾娮佑H合能時(shí)，即在兩者界面形成肖特基結(jié)，能夠極大的提高鉛的硫?qū)倩衔锉∧げ牧系墓庹圩冃?yīng)。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3