[發明專利]一種高效率紅外熱光調制器的制備方法

有效

• 申請號: 201410100440.4
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103823310A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 李毅;鄭鴻柱;袁文瑞;陳建坤;陳少娟;孫瑤;唐佳茵;郝如龍;劉飛;方寶英;王小華;佟國香;肖寒
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 上海東創專利代理事務所(普通合伙) 31245
• 代理人: 寧芝華

技術領域

本發明涉及一種高效率紅外熱光調制器的制備方法，屬于現代光學技術領域。

背景技術

光波作為信息載體具有特別顯著的優點：首先，光的傳播速度是最快的，符合高速發展的信息時代的要求；其次，光的頻率可達10¹⁴Hz以上，允許信號有很寬的帶寬；最后，光的傳播具有獨立性，光在空間傳播互不干擾，使得光調制器的研究成為熱點問題。公開號為：CN102472900A的專利，公開了一種光調制器，利用了由具有電光效應的材料構成的移相器的MZI型光調制器，具備能夠使上述光調制器的兩臂產生相同方向的相位變化的移相器，該光調制器結構復雜，效率不高。公開號為：CN1319175C的專利，公開了一種基于激子效應的多量子阱光調制器/探測器列陣器件，該發明體積較大，制作工藝繁瑣，效率不高。

石墨烯材料作為新型的二維晶體材料，具有許多優異的物理化學性質，與其他的導電薄膜相比，具有更好的力學強度，更好的透光性以及更穩定的化學性質，石墨烯的電子遷移率比硅半導體高100倍；鎢摻雜二氧化釩薄膜相變速度高達飛秒級，相變可逆，以此制得的紅外熱光調制器其靈敏度極高，質量穩定可靠，制造成本很低等，具有實際的應用意義。

發明內容

本發明公開了一種高效率紅外熱光調制器的制備方法，可以有效克服現有技術制備的光調制器結構復雜，效率不高,或體積較大，制作工藝繁瑣等弊端。本發明最大的特點是設置了四個石墨烯電極，溫度加熱速度極快，四個石墨烯電極使得該熱光調制器質量穩定可靠；在硒化鋅基片和石墨烯電極上，制備一層鎢摻雜二氧化釩薄膜層；鎢摻雜二氧化釩薄膜的相變溫度可接近40℃，對紅外的熱光調制速度達到了飛秒（fs）級，滿足高速、高精度光調制器件的參數要求，相比與量子阱光調制器結構更加簡單、制作更方便。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種高效率紅外熱光調制器的制備方法，由上、下兩片硒化鋅基片、四個石墨烯電極和鎢摻雜二氧化釩薄膜層封裝而成；其特點是：在每個硒化鋅基片上先制備兩個石墨烯電極，再在硒化鋅基片和石墨烯電極上制備一層鎢摻雜二氧化釩薄膜層，最后將上述兩個硒化鋅基片的鎢摻雜二氧化釩薄膜層貼合，封裝成高效率紅外熱光調制器；具體制備方法如下：

A)石墨烯電極的制備：取碳含量>97％的石墨粉15g、KNO₃7.5g和濃硫酸300mL均勻混合，加入KMnO₄45g，經過35℃水浴加熱45min，之后加入去離子水，95℃持續反應時間60min；進一步加去離子水稀釋，使用35％H₂O₂溶液中和未反應的高錳酸鉀；趁熱離心過濾并反復洗滌，45℃真空條件下干燥制得氧化石墨；

B)將氧化石墨研碎，配制質量濃度約為5mg／mL的懸浮液300mL，超聲處理45min，懸浮液離心處理30min，得到氧化石墨烯膠狀懸浮液；

C)用掩膜法涂覆于硒化鋅基片上，將基片放入KBH₄的乙醇溶液中還原制得石墨烯電極的硒化鋅基片。

D)制備鎢摻雜二氧化釩薄膜層采用直流磁控濺射和中溫退火氧化；

在以上涂覆了純凈石墨烯導電薄膜的硒化鋅基片上，利用直流磁控濺射鍍上鎢摻雜的釩金屬薄膜，直流磁控濺射電流為2A，電壓40V，工作氣體為純度99.999%的高純氬氣，濺射時間為2.5min，退火氧化過程中以50sccm和50sccm的流量同時通入純度為99.9%的氮氣和純度為99.99%的氧氣，退火溫度為450℃，退火時間為5h，隨后在相同溫度下，以30sccm的流量通入純度為99.9%的氫氣進行氫化處理，時間為30min；

E)最后將兩個硒化鋅基片的鎢摻雜釩金屬薄膜層貼合，封裝成紅外熱光調制器。

本發明具有以下優點：

1.石墨烯的強度達130GPa，是鋼的100多倍，該強度是已知測試材料中最高的，化學性質也很穩定。

2.石墨烯電極的電子遷移率極高，比硅半導體高100倍，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍。

3.采用鎢摻雜二氧化釩材料代替純凈的二氧化釩材料，工作溫度可降低到40℃左右，實現對紅外光的熱光調制。

4.鎢摻雜二氧化釩調制速度極快，可達飛秒（fs）量級，在光調制方面的應用比起傳統的微機械光調制速度（ms）提高了9個數量級。

相對于量子阱光調制器結構簡單，易于制作；相對機械類光調制器，本發明效率更高，速度更快，質量更穩定可靠。

附圖說明