CN101838112A - 三阶非线性光学性碲基复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜及其制备方法，为SiO2颗粒之间嵌有TeO2和/或Te形成的Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构，薄膜采用电化学诱导溶胶-凝胶方法制成，复合薄膜结构具有良好的非线特性，三阶非线性光学极化率χ(3)达到10-8esu以上；通过TeO2-SiO2透明复合溶胶采用电化学方法制备Te/TeO2-SiO2复合薄膜，利用电化学诱导从溶胶中析出TeO2和/或Te，与SiO2形成膜，达到形成Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构的目的，工艺简单；通过TeO2-SiO2透明复合溶胶-凝胶采用真空镀膜的方法制备Te/TeO2-SiO2复合薄膜，利用热处理的温度控制，调控凝胶粉末中的组成和结构，达到形成Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构的目的，工艺简单可靠可靠，膜层厚度均匀。

Description

三阶非线性光学性碲基复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光学薄膜及制备方法，特别涉及一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜及其制备方法。
背景技术
非线性光学材料是光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学材料作为现代光通讯领域的物质基础，在光通讯、光计算机、光信息处理、光开关等领域应用较为广泛。现有技术中，具有种类繁多的非线性光学材料，其中碲基材料，如TeO2和TeO2基玻璃等固体材料，因有独特的高非线性折射率而受到格外的关注，研究表明TeO2玻璃是制备光开关器件、声光器件和光放大器等器件的理想材料。但是在光通讯等高技术领域，很多器件或设备都具有很高的集成度，块状材料的应用受到很大限制，因而需要能够适应光电子器件微型化要求的薄膜类材料。
薄膜类材料较普遍的制备方法根据材料性质可采用提拉法，其中采用溶胶制备薄膜材料中体现得最为突出，该方法制备薄膜无需昂贵的设备，具有工艺简单、成本低的特点。但是对于TeO2-SiO2透明溶胶体系采用提拉法制成的碲基薄膜，得到的薄膜组成就不稳定(如与空气中的水反应)，而且厚度不易控制均匀，最终影响薄膜的质量；同时，仅用提拉法不能根据需要改变溶胶成膜后的组成，也就无法从根本上改变膜的性质。
因此，需要一种溶胶制膜的方法，成膜过程中能根据需要改变溶胶成膜后的组成，从而在根本上改变膜的性质，同时，得到的薄膜组成稳定，厚度均匀，能够保证薄膜的质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜及其制备，成膜过程中能根据需要改变溶胶成膜后的组成，从而在根本上改变膜的性质，同时，得到的薄膜组成稳定，厚度均匀，能够保证薄膜的质量。
本发明的三阶非线性光学性碲基复合薄膜，为SiO2颗粒之间嵌有TeO2和/或Te形成的Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构。
本发明还公开了一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
d.将TeO2-SiO2透明复合溶胶以电化学的方式在工作电极上生成复合薄膜，通过控电位、控电流方法或调控循环伏安方法中的起止电位调整复合薄膜中Te/TeO2的组成、结构及其和SiO2的比例；
c.将附着有Te/TeO2-SiO2复合薄膜的工作电极在室温下自然晾干。
进一步，步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成；
进一步，步骤b中，工作电极为导电玻璃ITO，Pt为辅助电极，在-0.1V下进行恒电位电化学诱导，时间10-50s。
本发明还公开了另一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
d.将透明复合溶胶干燥直至成为凝胶后磨成粉末，将粉末进行热处理，从室温升到50℃保温30min，以每升高50℃保温30min的方式升温至350-500℃，保温30-60min，得到Te/TeO2-SiO2粉体材料后自然冷却至室温；通过控制热处理温度来调整粉末中Te/TeO2的组成、结构及其和SiO2的比例；
c.将步骤b得到的粉体，采用真空镀膜的方法得到薄膜材料。
进一步，步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成；
进一步，步骤b将透明复合溶胶放在60℃干燥箱干燥直至成为凝胶后在150℃下保温2h后进行热处理；
进一步，步骤c中，以Te/TeO2-SiO2粉体压制成的坯做为靶材，利用射频磁控溅射，得到Te/TeO2-SiO2复合薄膜。
本发明的有益效果是：本发明的三阶非线性光学性碲基复合薄膜，采用SiO2中嵌有TeO2和/或Te，形成的Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构，具有良好的非线特性，三阶非线性光学极化率χ(3)达到10-8esu量级以上；通过TeO2-SiO2透明复合溶胶采用电化学方法制备Te/TeO2-SiO2复合薄膜，利用电化学诱导从溶胶中析出Te/TeO2，与SiO2形成膜，达到形成Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构的目的，工艺简单；通过TeO2-SiO2透明复合溶胶-凝胶采用真空镀膜的方法制备Te/TeO2-SiO2复合薄膜，利用热处理的温度控制，调控凝胶粉末中Te/TeO2的组成和结构，达到形成Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构的目的，工艺简单可靠可靠，膜层厚度均匀。
具体实施方式
实施例一
本发明的三阶非线性光学性碲基复合薄膜，为SiO2颗粒之间嵌有TeO2和/或Te形成的Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构。
本实施例的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
d.将TeO2-SiO2透明复合溶胶以电解的方式在工作电极上生成复合薄膜；通过控电位、控电流方法或调控循环伏安方法中的起止电位调整复合薄膜中Te/TeO2的组成和形态以及和SiO2的比例；通过调整，可以使TeO2和Te之间形成各种数值的比例，还可以调整Te/TeO2与SiO2之间的比例，以达到不同的使用目的。
c.将附着有凝胶膜的工作电极缓慢移出电解池，在基底边缘用滤纸将多余的溶胶吸掉，薄膜在室温下干燥48h，在室温下自然晾干。
本实施例中，步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成；步骤b中，工作电极为ITO，大面积Pt片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极；
本实施例中，透明复合溶胶中TeO2和SiO2的摩尔比为1∶9，是指二者的相对含量；复合溶胶为电解液，在普通三室电解池中，在-0.1V下进行恒电位电化学诱导溶胶，时间10-50s，本实施例中为10s；时间过长会使复合薄膜失去性能。
实施例二
本发明还公开了另一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
b.将透明复合溶胶干燥直至成为凝胶后磨成粉末，将粉末进行热处理，从室温升到50℃保温30min，以每升高50℃保温30min的方式升温至350-500℃，本实施例中采用500℃；保温30-60min，本实施例中，保温30min，得到Te/TeO2-SiO2粉体材料后自然冷却至室温；通过控制热处理温度来调整粉末Te/TeO2的组成、结构及其与SiO2的比例；
c.将步骤b得到的粉体，采用真空镀膜的方法得到薄膜材料；以Te/TeO2-SiO2粉体压制成的坯做为靶材，放入装载室，利用射频磁控溅射，得到Te/TeO2-SiO2薄膜；本实施例中，具体工艺参数为本底真空，溅射功率150W，溅射电压2kV，溅射时间100min，溅射压1.0Pa左右。
本实施例中，步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成；本实施例中，透明复合溶胶中TeO2和SiO2的摩尔比为3∶2；
本实施例中，步骤b将透明复合溶胶放在60℃干燥箱干燥直至成为凝胶后在150℃下保温2h后进行热处理。
以上两实施例中，透明复合溶胶中TeO2的摩尔浓度和SiO2的摩尔浓度均可以在达到透明并形成溶胶的情况下变化，都能够实现发明目的；实践中，溶胶中TeO2的摩尔百分比可以为2％～80％，SiO2的摩尔百分比可以为20％～98％，都能达到发明目的。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种三阶非线性光学性碲基复合薄膜，其特征在于：为SiO2颗粒之间嵌有TeO2和/或Te形成的Te/TeO2-SiO2复合薄膜结构。
2.一种权利要求1所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
d.将TeO2-SiO2透明复合溶胶以电化学的方式在工作电极上生成复合薄膜，通过控电位、控电流方法或调控循环伏安方法中的起止电位调整复合薄膜中Te/TeO2的组成、结构及其和SiO2的比例；
c.将附着有Te/TeO2-SiO2复合薄膜的工作电极在室温下自然晾干。
3.根据权利要求2所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成。
4.根据权利要求3所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：步骤b中，工作电极为导电玻璃ITO，Pt为辅助电极，在-0.1V下进行恒电位电化学诱导，时间10-50s。
5.一种权利要求1所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.制备TeO2-SiO2透明复合溶胶；
d.将透明复合溶胶干燥直至成为凝胶后磨成粉末，将粉末进行热处理，从室温升到50℃保温30min，以每升高50℃保温30min的方式升温至350-500℃，保温30-60min，得到Te/TeO2-SiO2粉体材料后自然冷却至室温；通过控制热处理温度来调整粉末中Te/TeO2的组成、结构及其和SiO2的比例；
c.将步骤b得到的粉体，采用真空镀膜的方法得到薄膜材料。
6.根据权利要求4所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：步骤a中，TeO2-SiO2透明复合溶胶由异丙醇碲、正硅酸乙酯、异丙醇、乙醇、水、盐酸和乙二醇混合配制而成。
7.根据权利要求5所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：步骤b将透明复合溶胶放在60℃干燥箱干燥直至成为凝胶后在150℃下保温2h后进行热处理。
8.根据权利要求6所述的三阶非线性光学性碲基复合薄膜的制备方法，其特征在于：步骤c中，以Te/TeO2-SiO2粉体压制成的坯做为靶材，利用射频磁控溅射，得到Te/TeO2-SiO2复合薄膜。
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