本發(fā)明涉及一種納米半導體光折變薄膜材料及其制備方法。
背景技術：
：光折變效應(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物里的雜質或缺陷形成的淺阱中的載流子(電子或空穴)激發(fā)出來，如果光強是不均勻的，光激發(fā)載流子將通過擴散等過程進行遷移，結果是在介質里出現(xiàn)光感生電場。光感生電場再通過介質的電光效應產生折射率變化。但折射率變化不是即時發(fā)生，而需要一定的建立時間；即使是弱光，只要照射時間足夠長也可產生明顯的光折變效應；只有在介質里空間分布不均勻的光場中才能產生光折變效應，而一旦出現(xiàn)光折變，可在黑暗里保持很長時間。具有光折變效應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，因而可以用于全息記錄、相位調制、集成光學等領域。目前的光折變材料主要為晶體材料和有機薄膜材料。晶體包括無機晶體，如鈦礦結構的鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鉀(KNbO3)和鉭鈮酸鉀(KTN)等。鎢青銅結構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；半導體晶體，如GaAs:EL2、InP:Fe、CdTe:V等；有機晶體和薄膜，如PVK、COANP:TCNQ等。但是，現(xiàn)有光折變材料存在的缺點有：一、晶體生長周期慢、工藝復雜，應用尺寸大、加工麻煩、耗費材料多；二、需要外加電場對光生載流子進行再分布，從而使折射率發(fā)生改變。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種納米半導體光折變薄膜材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術的缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：鉛的硫屬化合物薄膜在光折變材料中的應用。本發(fā)明通過研究首次發(fā)現(xiàn)鉛的硫屬化合物薄膜具有微弱的光折變效應。本發(fā)明中所述的鉛的硫屬化合物為硫系元素與鉛元素的化合物，其化學式為PbA，其中，A為硫系元素，如硫、硒、碲等。優(yōu)選的，所述鉛的硫屬化合物薄膜為窄帶隙半導體薄膜。本發(fā)明中所述的帶隙為導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，也稱能隙。帶隙超過3eV的被認為是寬帶隙半導體，例如GaN、SiN和ZnO，帶隙小于3eV的就是窄帶隙。優(yōu)選的，所述鉛的硫屬化合物薄膜的厚度為100-300nm。優(yōu)選的，所述鉛的硫屬化合物為硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)或碲化鉛(PbTe)。一種納米半導體光折變薄膜材料，包括金屬薄膜和鉛的硫屬化合物薄膜，所述金屬薄膜的一面與鉛的硫屬化合物薄膜的一面接觸，其中，所述金屬薄膜的金屬的功函數大于等于所述鉛的硫屬化合物薄膜半導體的電子親合能。一種納米半導體光折變薄膜材料，包括金屬薄膜和鉛的硫屬化合物薄膜，所述金屬薄膜的一面與鉛的硫屬化合物薄膜的一面接觸，其中，所述金屬薄膜與所述鉛的硫屬化合物薄膜的接觸界面形成肖特基結。本發(fā)明通過鉛的硫屬化合物薄膜與金屬薄膜結合在接觸界面形成肖特基結，能增強光折變效應。鉛的硫屬化合物薄膜為n型半導體材料，當金屬的功函數大于等于n型半導體的親合能時，在兩者界面形成肖特基結，即內建電場。用符合這種要求的金屬薄膜和半導體薄膜制備的復合結構，在光照下由半導體薄膜材料吸收光子能量產生電子空穴，這些光生載流子在內建電場作用下重新分布，從而帶來半導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。進一步優(yōu)選的，所述襯底為BaF2襯底。BaF2襯底對光吸收少，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，所述鉛的硫屬化合物薄膜為窄帶隙半導體薄膜。優(yōu)選的，所述鉛的硫屬化合物薄膜的厚度為100-300nm。優(yōu)選的，所述鉛的硫屬化合物為硫化鉛(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為金、銀、銅、鐵、鋁、鈷、鎳、鋅、鉻、鉬、鈦、鎢、釩、錫、鈹。一種上述納米半導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屬化合物薄膜半導體材料。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屬化合物薄膜半導體材料是在金屬薄膜的一面制備鉛的硫屬化合物薄膜半導體材料，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。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，是靶材表面產生高溫及燒蝕，并進一步產生高溫高壓等離子體(T>104K)，這種等離子體定向局域本質，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，它是在適當的襯底與合適的條件下，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，濺射時間60-125s。優(yōu)選的，在所述金屬薄膜上生長一層鉛的硫屬化合物薄膜半導體材料的方法為磁控濺射法。進一步優(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屬化合物薄膜，采用99.99％的鉛的硫屬化合物靶材，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0.09-0.12nm/s，濺射時間835-1100s。上述納米半導體光折變薄膜材料在全息記錄、相位調制或集成光學中的應用。本發(fā)明的有益效果為：1.本發(fā)明采用鉛的硫屬化合物薄膜作為光折變材料，制備工藝簡便容易、制備時間短。2.本發(fā)明采用金屬薄膜與鉛的硫屬化合物薄膜接合，并在用金屬薄膜與鉛的硫屬化合物薄膜的界面形成肖特基結，從而在薄膜內形成內建電場，對光生載流子移動和再分布，不需外加電場，完全達到光折變材料的應用目的。3.本發(fā)明采用與金屬形成肖特基結結合的復合結構，發(fā)現(xiàn)了這一大類半導體薄膜材料的光折變效應，為光折變材料的簡單小型化應用，提供了廣泛前景。4.本發(fā)明采用與金屬形成肖特基結結合的復合結構的制備方法簡便容易、制備時間短，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例1制備的的納米半導體光折變薄膜材料(BaF2/Cu/PbTe薄膜)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1制備的BaF2/Cu/PbTe薄膜結構中發(fā)生的光折變折射率光柵照片；圖3為二波耦合實驗光路示意圖；圖4為二波耦合實驗折射率光柵讀出光路示意圖。具體實施方式下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例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。制備后的材料結構如圖1所示。采用二波耦合實驗對制備的BaF2/Cu/PbTe薄膜進行光折變效應的檢驗，如圖2所示，二波耦合實驗是檢驗光折變效應的最有效手段。二波耦合實驗具體步驟：二波耦合實驗光路如圖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，經半波片、空間濾波片和透鏡后成為準直光束，由分束器分成兩束光，兩束光以14度夾角投射在樣品表面，兩束光在樣品內部發(fā)生干涉，由于光折變效應從而形成折射率光柵。2.用遮光器擋住光路1的入射光時，在該光路的激光功率計中還能探測到光輸出，經計算得到衍射效率達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，即衍射效率可達9％。實施例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。通過二波耦合實驗對制備的BaF2/PbTe薄膜進行光折變效應的檢驗，BaF2/PbTe薄膜具有較弱的光折變效應。較弱的光折變效應是指：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％，另外由二波耦合實驗光路圖讀到的折射率光柵條紋很弱。本實施例制備的BaF2/PbTe薄膜的光柵衍射效率很低，只有0.05％。實施例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。按照實施例1中的二波耦合實驗步驟對實施例3-9制備的薄膜材料進行光折變檢測，其中，實施例3-5制備的薄膜材料具有明顯的光折變效應；而實施例6制備的薄膜材料具有較弱的光折變效應。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常用金屬功函數如表2所示。表2金銀銅鐵鋁鈷鎳鋅功函數(eV)5.14.264.654.54.285.05.154.33鉻鉬鈦鎢釩錫鈹鈀功函數(eV)4.54.64.334.554.34.424.985.12通過實施例1-6及表1-2表明，鉛的硫屬化合物薄膜材料具有較弱的光折變效應，當金屬的功函數大于等于鉛的硫屬化合物的電子親合能時，即在兩者界面形成肖特基結，能夠極大的提高鉛的硫屬化合物薄膜材料的光折變效應。上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍內。當前第1頁1 2 3