CN102077378B - 碳纳米芽分子的用途和包括碳纳米芽分子的器件 - Google Patents

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Abstract

具有至少一个共价键合到管状碳分子侧部的富勒烯部分的碳纳米芽分子(3、9、18、23、29、36)用于在器件内与电磁辐射相互作用，其中与电磁辐射相互作用是通过碳纳米芽分子的弛豫和/或激发发生的。

Description

碳纳米芽分子的用途和包括碳纳米芽分子的器件
发明领域
本发明涉及纳米技术。本发明尤其涉及基于使用光学激活纳米材料的光学器件和光电器件以及用于这些器件生产的方法。
发明背景
发现光学器件和光电器件在例如电信网络和计量学中有许多应用。前述领域内的器件可以包括诸如激光器、放大器和检测器的有源器件和诸如滤光器、偏光器和吸收器的无源器件。一般而言，这些器件的关键参数是功率消耗(对有源器件来说)、指示器件使用寿命的稳定性和与器件功能有关的各种参数；功能参数可以包括，例如电磁辐射的饱和吸收、电磁辐射的偏振相关吸收、内和/或外量子效率等。
包括例如纳米管、纳米线、富勒烯、量子点、纳米颗粒和纳米晶须的新颖的纳米材料提出一种在光学和光电器件内定制关键参数的新方法。例如，通过在器件结构内的合适位置处使用这些纳米材料可以将非线性光学效应引入到器件内并在器件内得到增强。虽然新的纳米材料和纳米结构在改善光学和光电器件的关键参数方面显示出是有前景的，但是这些材料同时对这些器件的制造提出新的挑战。
用于合成纳米结构的方法强有力地依赖于结构本身。一些纳米结构，例如量子点可以用诸如MOCVD工具的常规的薄膜沉积工具被合成，而包括例如纳米线的纤维网络结构可能需要专门为合成和/或沉积这些高长径比分子(HARM)设计的工具。包括新纳米材料的器件的制造通常需要以分子分解来处理材料。这在包括HARM的光学器件内是尤其重要的，其中具有高长径比的分子的具体方位可以显著影响器件的光学特性。这种器件的示例是偏光器(偏振滤光器)，其光透射系数取决于入射光的偏振。
另外，光学应用中最重要的是纳米材料的纯度和均匀性。为了在器件内加入HARM，分子被从例如气流中过滤和/或分散在溶液中。这些操作冒向光学器件内加入杂质的风险，且HARM分散在溶液中通常不足以导致均匀的材料。而且，分散通常需要使用苛刻的处理，诸如声处理(sonification)和/或使用表面激活剂和功能化材料，这对器件的操作可能是有害的。
许多目前已知的基于纳米结构的光学和光电器件的性能存在难以制造以及功能化纳米材料的性质的不足。例如，公布WO2008/025966A1公开一种包括光学耦合凝胶或光学粘合剂中的纳米材料的组合物。公布WO2008/025966A1所公开的发明存在纳米材料，例如纳米点不均匀地分散在光学凝胶或粘合剂中的缺陷。此外，可能难以由该公布所公开的纳米材料获得用于光学或光电器件的足够纯度的纳米材料。
为了改善现状，且为了开发新的光学和光电器件，重要的是发现具有改善的功能性、纯度、通用性和均匀性的新的纳米材料。同等重要的是开发新的制造方法，该方法不会导致这些器件内所使用的材料的降解且不会不利地改变这些器件内所使用的材料的关键性质。
发明目的
本发明的目的是通过基于使用富勒烯官能化的且共价键合的富勒烯官能化的管状碳分子来提供新类型的光学和光电器件，来减少现有技术的前述技术问题。
发明概述
根据本发明，具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分的碳纳米芽分子(carbon nanobud molecule)用于在器件内与电磁辐射相互作用，其中与电磁辐射相互作用是通过碳纳米芽分子的弛豫和/或激发发生的。
根据本发明的器件包括具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分的碳纳米芽分子。该器件包括一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子和一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子，使得一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子与一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子电接触，以使能辐射性的电子-空穴重组。
根据本发明的器件包括具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分的碳纳米芽分子，且发色团连接到碳纳米芽分子，以影响器件的光谱特征并且增强对于分子来说电磁辐射的吸收特征的非线性。
在此上下文中，碳纳米芽分子与电磁辐射的相互作用应该理解为包括涉及引起电磁辐射的吸收或发射的纳米芽分子的激发或弛豫的所有过程。器件内一个或多个碳纳米芽分子可以用于进行与发射、吸收和/或与电磁辐射的其他相互作用有关的功能，这样的器件的示例包括例如发射器、显示器、激光器、放大器、滤波器、偏光器、光检测器、检测器阵列(例如，照相机的)、生化传感器、用于在光谱或与荧光相关的应用中使用的标志器、信号再生器、波形整形器、分散补偿器、波长转换器、光学动力的致动器(如，激光驱动的纳米发动机)、光学开关、用于光刻过程的结构化增强的材料、具有优良的化学、机械或辐射抵抗性的防反射(AR)涂层或选择性反射涂层、用于增大信息存储密度的感光材料或全息材料、以及相位或振幅调制器。这些器件中的一个或多个碳纳米芽分子可以取如网络、沉积物或膜的形式或者它们可以被结合在诸如玻璃、石英、晶体材料、聚合物、光学凝胶或光学粘合剂的基质材料中。
包括根据本发明用于与电磁辐射相互作用的碳纳米芽分子的部件尤其适合于各种光学器件或光电器件。为此的原因在于碳纳米芽分子的合成过程能够比例如常规的碳纳米管的合成过程生产纯度更高的、结晶度更高的和更均匀的材料。这是由于纳米芽分子的特定的几何结构，使得合成过程无需额外的、可能造成损坏的纯化步骤。此生产方法产生满足许多光学应用的高纯度、高质量和高均匀性需求的材料。此外，碳纳米芽分子在稳定的且坚固的结构中兼具管状碳分子和富勒烯分子的功能特征，其可以被官能化以改变结合碳纳米芽分子的材料的性能和行为。这在起到诸如可饱和吸收、反向可饱和吸收、光放大和偏振的作用的非线性光学应用中是尤其有用的。另外，碳纳米芽分子的富勒烯部分提供用于通过简单的几何结构考虑或通过富勒烯部分的官能化，使纳米芽分子的管状部分与其邻近物分离的方法，以便避免或以其他方式控制管-管相互作用，这可以改变包括碳纳米芽分子的材料的光学特征。应注意，碳纳米芽分子的富勒烯部分可以是富勒烯分子或可能包括富勒烯分子的其他类富勒烯结构。
此外，键合到碳纳米芽分子的管状部分的富勒烯部分或类富勒烯结构可以用于改变包括碳纳米芽分子的材料的带隙(导电率或半导电率)。这允许材料内的吸收、发射或其他电磁相互作用随波长、温度、化学环境或其他局部条件的变化被调整。键合到碳纳米芽分子的管状部分的类富勒烯结构可以另外用作两个纳米芽分子之间的桥接分子，或者直接地或者经由诸如酯基的另一个桥接分子。例如，这可以被用于增强纳米芽分子内载流子的驰豫和/或减少包括碳纳米芽分子的材料的恢复时间和/或增加沉积物或膜的机械坚固性。
在本发明的一个实施方案中，将发色团连接到碳纳米芽分子，以增强对于纳米芽分子来说电磁辐射的吸收特征的非线性。
在本发明的另一个实施方案中，将发色团连接到碳纳米芽分子的富勒烯部分，以增强对于纳米芽分子来说电磁辐射的吸收特征的非线性。
通过将发色团连接到管状部分或富勒烯部分内的碳纳米芽分子内的反应位置，可以实现非线性光学材料。此类型的材料因碳纳米芽分子的稳定性呈现出与现有技术的非线性光学材料相比改进的稳定性。在此上下文中，发色团可以被理解为当与电磁辐射相互作用时产生期望的光学效应的任何分子结构。导致碳纳米芽分子内的非线性光学效应的发色团的示例包括有机分子，诸如聚合物、低聚物、单体和二聚物。具体而言，染料分子，例如酚藏花红(PSF)引起碳纳米芽分子强烈的非线性吸收特征。发色团还可以用作上述提及的桥接分子。
碳纳米芽分子可以被沉积到器件结构上，例如直接由气相沉积，而不采用从液体溶液分散纳米芽分子，以改善碳纳米芽分子的光学质量。其他生产方法也是可能的，诸如在基质材料中旋涂或分散。与将纳米材料分散在基质材料中的方法相比，根据详细描述在WO2007/057501A1中的方法，将碳纳米芽分子直接由气相沉积在诸如光学部件结构的基底上使实现分子更均匀的分布。只要碳纳米芽分子与气体中的其他分子或颗粒有效地分离，那么直接由气相沉积另外降低由于杂质的污染的风险和因中间处理步骤而改变性能的风险。用提及的方法直接由气相沉积碳纳米芽分子的附加益处是改善单个碳纳米芽分子的光学性能，例如结晶度和缺陷密度。此外，纳米芽分子可以在过程中被表面化和去束化，这促进它们分散在液体内或分散在固体基底上。为了使碳纳米芽分子受到污染的风险最小，用于沉积碳纳米芽分子的基底可以不同于最终的基底。采用专利申请FI 20075482中描述的方法，可以将包括碳纳米芽分子的网络从预备基底转移到可以是例如光学部件的一部分的最终的基底上。
在本发明的一个实施方案中，器件包括两个或更多个碳纳米芽分子，其中两个或更多个碳纳米芽分子彼此分离，以增大单个碳纳米芽分子的光俘获截面。
通过确保器件内的分子彼此分离可以增大器件内的碳纳米芽分子的平均光俘获截面，这与碳纳米芽分子在器件内彼此停留靠近或甚至彼此接触的情形不同。在后一种情形中，碳纳米芽分子可能彼此阻挡，因此减小它们的平均光俘获截面。增强碳纳米芽分子的分离的一种方式是使它们与已经处于沉积阶段的这些分子的束分离。这可以通过，例如利用成束的碳纳米芽分子与单个碳纳米芽分子之间的电荷差来实现。增大的光俘获截面导致包括碳纳米芽分子的材料中的光学过程的增强。增强分离的另一种方式是通过使纳米芽分子的富勒烯部分或类富勒烯部分借助于例如桥接分子连在一起而使单个的纳米芽分子结合在一起，使得碳纳米芽分子在处理过程中成束或再成束的可能性较低。增强分离的又一种方式是通过例如经由诸如聚合物的合适的基质分子使纳米芽分子的富勒烯部分或类富勒烯部分连接到基质材料而将单个的纳米芽分子结合到基质材料或表面材料，使得碳纳米芽分子成束的可能性较低。
在本发明的一个实施方案中，碳纳米芽分子用于饱和吸收电磁辐射。
在本发明的另一个实施方案中，碳纳米芽分子用于反向饱和吸收电磁辐射。
在本发明的另一个实施方案中，管状碳分子用于饱和吸收电磁辐射，而共价键合到管状碳分子的富勒烯部分用于反向饱和吸收电磁辐射。
在本发明的又一个实施方案中，两个或更多相互对准的碳纳米芽分子用于使能在器件内的电磁辐射的各向异性的吸收。
由于碳纳米芽分子的不对称形状，这些分子可以通过将它们置于例如电场或磁场内而被静电地或以其他方式任意极化和对准。准确地对准吸收分子的可能性实现包括碳纳米芽分子的材料的各向异性吸收或调制图案。此特征连同碳纳米芽分子的可饱和吸收特征和反向可饱和吸收特征呈现用于例如波形整形应用的令人感兴趣的机会，波形整形应用可以在光学电信网络中用于脉冲再生。
在本发明的一个实施方案中，碳纳米芽分子用于偏振光发射。
在本发明的一个实施方案中，器件包括与一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子电接触的第一电极、与一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子电接触的第二电极、栅电极、以及栅电极与碳纳米芽分子之间的使栅电极与碳纳米芽分子电绝缘的绝缘层。
在上文描述的本发明的实施方案可以按彼此之间的任意组合来使用。若干实施方案可以组合在一起以形成本发明的另外的实施方案。本发明所涉及的用途或器件可以包括在上文所描述的本发明的至少一个实施方案。
附图说明
在下文中，将更详细地描述本发明。将关于附图作出参考，其中：
图1(现有技术)呈现碳纳米芽分子的5个不同的分子模型，其中至少一个富勒烯分子或类富勒烯分子结构共价键合到管状碳分子，
图2示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的发光二极管，
图3示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的激光器，
图4示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的发光FET结构，
图5示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的器件装置，
图6示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的另一个器件装置，
图7a示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的半导体激光器的纵向截面图，
图7b示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的半导体激光器的横向截面图，
图8示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的光纤激光器的截面图，
图9示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的环形激光器结构，
图10示意性地呈现根据本发明的一个实施方案的另一个器件装置，
图11示意性地呈现可饱和吸收函数，
图12示意性地呈现反向可饱和吸收函数，
图13示意性地呈现组合的可饱和吸收与反向可饱和吸收函数，
图14a呈现可饱和吸收函数、反向可饱和吸收函数以及组合的可饱和与反向可饱和吸收函数对光脉冲流的影响，
图14b呈现光脉冲流中较窄的脉冲如何实现增大的脉冲速率，
图14c呈现在用基于碳纳米芽的可饱和及反向可饱和吸收器重整之前的光脉冲序列，以及
图14d呈现在用基于碳纳米芽的可饱和及反向可饱和吸收器重整之后的光脉冲序列。
发明详述
在图1中示意性地阐释的碳纳米芽分子可以使用诸如二茂铁的催化剂前体、或由热线发生器产生的催化剂，诸如金属颗粒和添加剂，其除了促进纳米芽分子的生长外还增大产物纯度，来由例如碳源(如，一氧化碳)合成。合成过程的细节可以见于公布2007/057501A1，其作为参考文献增添在本文中。
图2中呈现基于由碳纳米芽分子发射光的光发射器结构。此结构包括n型Si区域1和p型Si区域2。在这些区域之间存在绝缘区域，该绝缘区域包括具有直接带隙的半导电的碳纳米芽分子3，其植入诸如非掺杂Si或二氧化硅(SiO2)薄(厚度5-10nm)层的绝缘基质4材料中。在操作下，将负电压-V/2施加到该结构的n型Si 1侧上的电接触5，且将正电压V/2施加到该结构的p型Si 2侧上的电接触6。这朝向绝缘区域注入来自n型Si1侧的电子和来自p型Si 2侧的空穴。当在绝缘区域内部空穴和电子碰到碳纳米芽分子3时，它们将经受重组，其以有限概率将是放射的。
通过调节用于合成这些分子的过程，可以定制碳纳米芽分子的带隙。通过用额外的原子官能化分子或通过调节手性，可以例如改变碳纳米芽分子的带隙。具有比周围的绝缘基质(matrix)4小的带隙的碳纳米芽分子3可以像将在绝缘区域内形成沟道的电荷载流子的量子点限制到碳纳米芽分子3那样操作，以增强光发射器的内量子效率。
在本发明的一个实施方案中，可以改变图2的结构以起到激光器的作用。图3中呈现改变的结构。该改变的结构包括在图2中所呈现的结构的两侧上的布喇格反射器。布喇格反射器限制一法布里-珀罗微腔，其中激活介质包括作为发光材料的碳纳米芽分子。布喇格反射器可以包括例如形成高反射的干涉结构的Si 7和SiO2 8的交替层。当以足够高的速率将电子和空穴注入到激活介质中以实现激活介质中的粒子数反转时，开始产生激光。图3的结构中产生激光的波长由法布里-珀罗腔的长度与光发射器，即碳纳米芽分子3的基本带隙之间的相互作用控制。应该调节布喇格反射器内的Si 7和SiO2 8层的厚度，使得对于产生激光的波长实现足够高的反射率。为了获得电荷注入到激活介质中的高能级，高掺杂n型Si区域1和p型Si区域2可能是有益的。
可以存在图2和图3的发光结构的许多变化，它们根据相应的原理操作。n型Si区域1和p型Si区域2区域可以例如可选择地由分别形成结构的p型和/或n型侧的p型和/或n型碳纳米芽分子的网络形成。另外，在图3的激光器结构中，布喇格反射器可以包括反射器结构内的碳纳米芽分子，或者Si 7或SiO2 8层可以被包括碳纳米芽分子的层替换。
可以通过由CVD或PECVD将SiO2和Si沉积在硅基底上，和通过使用合适的用于n型或p型掺杂的退火工艺，来制造发光结构(图2的LED和图3的激光器)。可选择地，如果使用纳米芽，那么可以沉积适当掺杂的n型或p型纳米芽分子。通过用Si或诸如SiO2的绝缘材料的合适的薄层使碳纳米芽分子3过生长，将碳纳米芽分子3植入到发光器件的激活区域内。
根据本发明一个实施方案的器件是偏振光源。该器件示意性地呈现在图4中。该器件结构类似于场效应晶体管(FET)，并且其包括在源电极10与漏电极11之间的碳纳米芽分子9、栅电极12、栅介质13以及在漏电极11和源电极10之上的覆盖层14。通过向栅电极12施加电压，使得栅极的电势处于源极的电势与漏极的电势之间，同时实现电子和空穴注入碳纳米芽分子9内。这样，在单个碳纳米芽分子9内产生p-n结。当电子和空穴在所呈现的器件内的碳纳米芽分子9中重组时，令人惊奇地观察到偏振光的发射。
图4中的器件(双极FET)的操作依赖于在源极10接触与漏极11接触的边界处碳纳米芽分子9的每一端处的薄肖特基势垒的产生。当器件如上所述地被合适地偏置时，电子和空穴都能够穿过肖特基势垒形成沟道到碳纳米芽分子9中，这导致偏振光发射。
可以例如通过将SiO2沉积到p+-Si基底晶片上并将碳纳米芽分子分散在绝缘SiO2栅介质13上来制造图4的器件。Ti漏电极11和源电极10可以例如使用PVD被沉积，并且然后通过光刻法(lithography)形成图案，以在基底上的合适位置处产生接触区域。在此阶段，在例如900℃的Ar气中进行退火可以用于改善碳纳米芽分子9与Ti漏极11接触和Ti源极10接触之间的电接触。该结构可以被覆盖有薄SiO2覆盖层14。在图4的器件中，碳纳米芽分子可以被两个或更多个碳纳米芽分子替换，以形成本发明的另外的实施方案。
除了前述基于碳纳米芽分子的电致发光的器件之外，这些分子可以另外或排他地被光激发以执行各种功能。随后将描述本发明的执行这些功能的实施方案。
在本发明的一个实施方案中，一个或多个碳纳米芽分子可以被使用在示意性地且一般性地在图5中所阐释的器件装置中。此装置包括输入光源15、电磁辐射的输入束16、包括一个或多个碳纳米芽分子18的透明或半透明材料17的板(slab)17、两个电磁辐射的输出束(透射束19和发射束20)以及检测器件21。在此上下文中，透明度应该被理解为图5中所呈现的电磁辐射束的波长处的透射度。输入光源15可以是例如激光或宽带光源且其可以被调制。检测器件21可以是例如能够检测两个输出束19、20的波长处的辐射的光电二极管或其他光敏器件。
图5中的透射束19是透射穿过包括碳纳米芽分子18的板17的输入束16的一部分，而基本上不与板17相互作用。发射束20是自板17射出的电磁辐射束，其作为输入束16与板17内的碳纳米芽分子18相互作用的结果。
植入到板17内的碳纳米芽分子18可以吸收在输入束16的波长或若干波长处的电磁辐射。此吸收可以依赖许多参数变化，这些参数诸如输入束16的方向、偏振、强度以及波长或波长的光谱特征。这些依赖性使板17能够执行不同的功能，这些功能可以用在例如通信和测量技术中。应注意，图5的板17可以采用任何几何形状。
当电磁辐射被吸收在碳纳米芽分子18内时，随着在分子内电子移动至更高的能态，这些分子受到激发。当相同的分子的驰豫发生时，在分子内电子移动回到较低的能态，且能量可以以碳纳米芽分子18的一个或多个波长特征被发出。令人惊奇地观察到，碳纳米芽分子18呈现出非线性光致发光，该非线性光致发光可以用于例如在光域内完全地执行逻辑操作、光开关和调制。
由于非线性光致发光，所以由图5的板17发出的发光体(luminescentlight)20的强度作为用于激发板17内的碳纳米芽分子18的电磁辐射的强度的非线性函数而变化，电磁辐射的强度即输入束16的强度。因此，在图5的装置中，发射束20的输出强度可以按照输入束16的强度来动态控制。因此，信号处理和调制可以在纯光学部件内进行，这与更常规的电光调制器不同。这使实现纯光学互连、信号处理以及最终具有高开关速度与光信号处理有关的逻辑操作。
当输入束16的强度增加到某一阈值之上时，可以从板17观察到光发射的突增。因此，所使用的开关控制参数是输入束16的相关光谱分量的功率Pin。通过例如电光调制输入光源15可以实现此功率的控制。所得到的发射束20的强度遵照关系式P0＝σPin。
通过例如前述在WO2007/057501A1中公开的合成方法，可以合成呈现上述非线性光致发光特征的一个或多个碳纳米芽分子18。为了制造图5的板17，将一个或多个碳纳米芽分子18沉积在透明的或半透明的基底上，基底由例如石英、硼硅酸盐或软玻璃组成。此透明的基底可以被插入到合成碳纳米芽分子18的反应器内，或安放在该反应器之后，以便将碳纳米芽分子18直接由气相沉积到基底上。可选择地，碳纳米芽分子可以先被沉积在预备基底(preliminary substrate)上，然后可以使用专利申请FI20075482中描述的方法将包括碳纳米芽分子的网络从预备基底转移到最终的基底上，该最终的基底可以是例如前述的透明的或半透明的基底。
非线性放大的阈值取决于合成碳纳米芽分子中所采用的处理参数。影响阈值的最重要的参数是合成温度和附加的试剂的浓度，该合成温度可以是例如900℃且该附加的试剂诸如H2O和CO2。纳米芽分子的管状部分中的碳原子应该通过形成六角形环的sp*2键连接彼此。透明的基底上的沉积的碳纳米芽分子或碳纳米芽分子18的层可以被植入到透明的结构(诸如，板17)内部，这通过例如由透明的或半透明的膜涂覆一个或多个碳纳米芽分子18。
称为饱和吸收的另一非线性函数可以使用图5的简化装置来实现。利用该函数，例如透射束19的波形可以被成形或调制，例如在光学电信网络的脉冲再生中或在产生短激光脉冲的激光成分中，这可以是有用的。当板17内的碳纳米芽分子18表现为可饱和吸收器时，它们随输入束16的强度的变化吸收输入束16的电磁辐射。当输入束16的强度低于饱和阈值时，吸收是高的且输入束16的强度的非常少的比例被透射穿过板17。当强度超过阈值时，碳纳米芽分子18不再能够吸收输入束16的辐射且超过饱和阈值(还称为漂白阈值)的强度部分透射穿过板17。图11中阐释可饱和吸收函数。
在碳纳米芽分子的管状部分的端部上或富勒烯(或类富勒烯)部分上，可以直接由碳纳米芽分子实现可饱和吸收，或可以通过例如将发色团连接至管状部分上的反应位置，改变或增强可饱和吸收。非线性光学器件中的这些发色团的激活基于它们的超极化率。酚藏花红(PSF)尤其是能够用于在包括碳纳米芽分子的光学激活材料中产生偶极子的分子。这些偶极子的产生极大地增强光学激活材料的非线性特征。当碳纳米芽分子是物理和化学上非常稳定的分子时，通过用发色团官能化碳纳米芽所获得的非线性光学材料允许使用强的光场，而不会有降解光学材料的风险。
基于碳纳米芽分子的可饱和吸收作用利用可饱和吸收器器件的应用是可饱和吸收器镜。这些镜包括在板(诸如板17)后面的反射面或起到可饱和吸收作用的层。可饱和吸收镜可以用在例如激光器中，作为用于超短脉冲产生的腔镜。基于碳纳米芽分子的可饱和吸收器镜可以通过，例如直接由气相沉积、从初级基底转移沉积、或在反射面上的合适的透明基质材料(如，聚合物)内旋涂合成的碳纳米芽分子来制造。
碳纳米芽分子甚至在其自身上呈现非线性可饱和吸收特征，而没有发色团附属物(attachment)来增强这些非线性特征。带有或没有发色团附属物的非线性吸收碳纳米芽分子可以被引入凝胶内或光学粘合剂内，以形成纳米复合材料。可以选择此复合材料中的基质材料(即，凝胶或粘合剂)以具有某些特定应用光学特性。例如，可以选择基质材料的折射率以光学匹配光纤的两个截面。在此情形中，图5的板17对应于能够呈任何几何形状的纳米复合材料件。此件可以将输入束16在其内传播的介质与透射束19和发射束20在其内传播的介质连接在一起。碳纳米芽分子可以可选择地仅沉积在如图6中示意性呈现的介质的切口或裂口内的一个或多个表面上。切口可以是部分的(如图6中所示)或完整的。在此图中，将包括碳纳米芽分子18的纳米复合材料件17沉积在固体介质28内的通孔中。固体介质可以是例如激光器或光纤中的增益介质。
上述光学纳米复合材料可以通过，例如在基质材料中采用合成的碳纳米芽分子来制造。然后，例如经声波处理溶液以在基质材料中产生碳纳米芽悬浮液，基质材料可以是例如液体光学耦合凝胶或光学粘合剂。接着，通过例如超离心法来混合悬浮液。可选择地，可以通过例如申请FI20075482的方法来生产纳米复合材料，在该方法中，先将纳米芽沉积在初级基底上，然后转移并注入(impregnate)到二级基底中。
基于碳纳米芽分子的可饱和吸收膜也可以用于在例如脉冲光纤激光器、脉冲波导激光器或脉冲环形激光器中的被动锁模。在这些器件中，基于碳纳米芽的可饱和吸收器用于激光腔内部的被动调制激光模式，以产生超短激光脉冲。可以将可饱和吸收器置于光腔内部，以按照传输模式运行，或置于光腔外部以通过与激光模式的渐逝波相互作用运行。在后一种情形中，可以通过例如用包括碳纳米芽分子的膜涂覆锥形的或非锥形的光纤激光器，或将包括碳纳米芽分子的层沉积在半导体激光器的通道上或平面波导上，来实现与渐逝波的相互作用。前述脉冲激光器器件利用碳纳米芽分子的快速恢复率和良好的稳定性来产生超短激光脉冲，例如在飞秒范围内且具有大的可靠性。
通过图7a的纵向截面图和图7b的横向截面图，呈现基于与碳纳米芽分子相互作用的渐逝波、利用可饱和吸收器的被动锁膜激光二极管结构的示意性实施例。该结构包括沉积在常规的半导体激光器的激活区域30外部的平面波导上的碳纳米芽分子29。该器件还包括n型基底31(如，n-GaAs)，包括激活区域30的半导体膜沉积到该n型基底31上。激活区域30可以通常由在例如MOCVD反应器内的例如掺杂的HI-V半导体，诸如n型和p型GaAs和AlGaAs来制造，且器件的激活区域30(增益介质)可以包括多个量子阱。n型电接触32和p型电接触33也在图7a和图7b中是可见的。激光腔由激光器芯片的劈裂面34限定在纵向方向上，劈裂面34可用作腔镜。在横向方向上，通过合适地掺杂激活区域30可以限制载流子注入以制造绝缘载流子引导区域35。
当在图7a和图7b的器件的激活区域30内产生激光模式时，该模式在由劈裂面34限定的光腔内传播，且聚集到模式中的光功率分布的一部分，渐逝波，与碳纳米芽分子29交叠。碳纳米芽分子29的可饱和吸收被动地调制激光模式的光功率，导致激光器的锁模。
图8示意性地呈现碳纳米芽分子36如何可以被置于锁模光纤激光器的腔37内部，以作为处于传输模式的可饱和吸收器。在图8中，碳纳米芽分子36被置于腔37的一端处，靠近限定激光腔37的长度的光纤布拉格光栅38中的一个。在此几何结构中，当被引导在激光腔37中的光学模穿过包括碳纳米芽分子36的区域时，其通过可饱和吸收被调制。在本发明的一个实施方案中，碳纳米芽分子还可以被植入作为激光器中的腔镜的一部分，以进行可饱和吸收作用来用于锁模。
图9示意性地呈现碳纳米芽分子如何可以用在环形激光器结构的可饱和吸收器中，以实现锁模。此结构包括可饱和吸收元件，诸如包括碳纳米芽分子18的板17，其用例如光耦合器被适当地连接至在板的输入侧和输出侧的光纤环39。该结构还包括50∶50的耦合器40、第一光隔离器41、第二光隔离器42和掺铒光纤放大器(EDFA)43。用泵浦激光器(未显示)光学泵浦EDFA 43。
在图9的锁模环形激光器结构中，EDFA 43可用作增益介质，第一光隔离器41防止光在环39内的反向(逆时针)传播且第二光隔离器42防止光在输出路径44内的反向传播。50∶50的耦合器将在环39内传播的光的一半强度耦合到输出路径44且将另一半耦合回到EDFA43。由图9的环形激光器支持的激光模式的波长由围绕环39的这些模式的传播路径的光学长度确定。所支持的波长必须是对于围绕光纤环39传播的每一个波实现光的相长干涉的那些。这使实现光到EDFA 43中的相应模式内的受激发射。当包括可饱和吸收的碳纳米芽分子18的板17被置于环形腔内时，如图9所呈现的，由板17所执行的饱和吸收作用调制激光模式，这导致环形激光器的被动锁模。
可以用WO2007/057501A1中公开的方法来合成具有可饱和吸收特征的碳纳米芽分子。为了将发色团例如PSF连接到这些分子，可以先在酸中，例如在H2SO4/HNO3中处理碳纳米芽分子，以在碳纳米芽分子的管状和/或富勒烯部分上形成羧基。PSF分子然后可以通过将羧基化的碳纳米芽放入包含PSF的去离子水中被连接到这些羧基。
图10中呈现根据本发明的一个实施方案的另一器件装置。此装置包括层22，层22包括在两个镜，后镜24与前镜25之间的非线性吸收的碳纳米芽分子23。干涉测量结构可以用于增强输入光26与碳纳米芽分子23的相互作用。纳米芽层后面的镜(正如从入射光26的侧面看到的)，后镜24，具有非常高的反射率，使得入射光26不能够从后侧漏出结构。当光撞击结构时，光穿透反射性较弱的前镜25，并在从前镜25的侧面漏出结构之前在两个镜24、25之间经历多次反射。在每次穿过包括碳纳米芽分子23的层22时，一部分入射光26与纳米芽层22相互作用，这增加总的相互作用量。此外，此类型的干涉仪呈现出光谱选择性，这是因为两个镜24、25之间的光腔仅支持取决于腔长的某些波长。图10的器件装置还包括电接触27，使得可以将电压V施加在包括碳纳米芽分子23的层22上。此电压V可以用于例如电调制层22的光学特性。
为了使图5的板17或图10的层22有效地用作非线性光学部件，应该使板17或层22的光吸收量最大化。为此，应该使每碳纳米芽分子的碳纳米芽分子的平均光俘获截面最大化。通过确保板17内或层22内的分子彼此分离，可以增大平均光俘获截面。增强碳纳米芽分子的分离的一种方式是在沉积阶段已经将它们从这些分子的束中分离出。这可以通过，例如利用成束的碳纳米芽与单独的碳纳米芽分子之间的电荷差异来实现。增大的光俘获截面导致包括碳纳米芽分子的材料中的光学过程的增强。
在本发明的一个实施方案中，器件利用碳纳米芽分子的反向可饱和吸收作用。在如图5的情形中，反向可饱和吸收意指输入束16的吸收随输入束16的强度的变化增加。因此，碳纳米芽分子18或包括碳纳米芽分子的材料件，诸如图5中的板17，可以被用作保护器件中的光限制器。这些器件可以获得在例如光学传感器和眼保护设备上的应用。图12中阐释反向可饱和吸收作用。令人惊奇地观察到，碳纳米芽分子的富勒烯部分有效地用作反向可饱和吸收器。尤其观察到，类富勒烯结构或富勒烯，例如巴克敏斯特富勒烯(buckminsterfullerene)C60，在碳纳米芽分子中是有效的反向可饱和吸收器。另外，当碳纳米芽分子的管状部分本身或经由发色团的官能化呈现出如上所述的可饱和吸收特征时，碳纳米芽分子为各向异性地起作用的光学或光电器件提供特殊的平台。
另外，可以与可饱和吸收作用结合使用纳米芽分子的富勒烯部分的反向可饱和吸收作用，以在本发明的前述实施方案中的任一个内限制通过包括碳纳米芽分子的区域透射的电磁辐射的强度。通过控制纳米芽内的富勒烯部分的浓度，可以控制反向可饱和吸收效果。此作用可以用于，例如限制器件的输出强度或保护器件的各部分免受因过量的电磁能造成的损坏。
由于碳纳米芽分子呈现出可饱和吸收(纳米芽分子的管状部分)特性和反向可饱和吸收(纳米芽分子的富勒烯部分)特征，所以这些分子可以容易地用于产生根据图13的输入-输出关系，其结合可饱和吸收作用与反向可饱和吸收作用。此关系可以在例如图5的器件装置中的输入束16与透射束19之间被观察到。此类型的通用输入-输出函数可以有效地用在例如光信号处理、脉冲再生、波形整形和光学开关应用中。
如图14a中所示，与可饱和吸收作用结合的反向可饱和吸收作用允许电磁脉冲被整形。图14a根据本发明的一个实施方案阐释原始脉冲序列45如何单独被可饱和吸收作用46、单独被反向可饱和吸收作用47以及被结合的可饱和吸收作用与反向可饱和吸收作用48改变，以例如从具有较长的上升和下降时间的宽的、形状不佳的原始脉冲序列45产生具有较短的上升和下降时间的更似方形的脉冲。这种改进的脉冲是较窄的且易于被检测器件隔离，因而允许例如光纤中的光信息流的带宽和脉冲速率的增加。图14c和图14d显示对于在用所述方法重整之前(图14c)和之后(图14d)的脉冲的改善的脉冲分离。图14b阐释以不同虚线表示的四个不同的脉冲序列，从图14b明显看出因较窄的脉冲导致的脉冲速率增加的能力。在这些脉冲序列中独立的脉冲可以被容易地隔离。
例如，碳纳米芽分子中富勒烯部分的浓度的调节、基质材料中纳米芽分子的浓度的调节、纳米芽分子的直径的调节、以及例如用发色团的纳米芽分子的官能化的量和类型的调节，可以用于确定加在电磁辐射上面的碳纳米芽的调制作用，且因而确定所得到的脉冲形状和强度。
通过利用由碳纳米芽分子的不对称形状产生的偏振，碳纳米芽分子可以通过被暴露于外部电场而在指定的方向上对准。由于此对准规定碳纳米芽分子的反向可饱和吸收富勒烯部分与可饱和吸收管状部分的相对方位，所以可能设计器件，在器件中电磁辐射的输入束(例如，图5的输入束16)受到可饱和吸收或反向可饱和吸收，这取决于具有碳纳米芽分子的输入束的入射角。
正如本领域的技术人员所清楚的，本发明不限于上述实施例，相反，各实施方案可以在权利要求的范围内随意变化。

Claims (13)

1.一种碳纳米芽分子(3、9、18、23、29、36)的用途，该碳纳米芽分子具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分以在器件内与电磁辐射相互作用，其中所述与电磁辐射相互作用是通过所述碳纳米芽分子的弛豫和/或激发发生的。
2.如权利要求1所述的用途，其特征在于所述碳纳米芽分子用于饱和吸收电磁辐射。
3.如权利要求1所述的用途，其特征在于所述碳纳米芽分子用于反向饱和吸收电磁辐射。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用途，其特征在于所述管状碳分子用于饱和吸收电磁辐射，且共价键合到所述管状碳分子的所述富勒烯部分用于反向饱和吸收电磁辐射。
5.如权利要求1-3中任一项所述的用途，其特征在于两个或多个相互对准的碳纳米芽分子用于在所述器件内使能电磁辐射的各向异性吸收。
6.如权利要求1-3中任一项所述的用途，其特征在于所述碳纳米芽分子用于偏振光发射。
7.如权利要求1-3中任一项所述的用途，其特征在于发色团连接到所述碳纳米芽分子，以对于所述纳米芽分子增强电磁辐射的吸收特征的非线性。
8.如权利要求7所述的用途，其特征在于所述发色团连接到所述碳纳米芽分子的所述富勒烯部分，以对于所述纳米芽分子增强电磁辐射的吸收特征的非线性。
9.如权利要求1-3中任一项所述的用途，其特征在于所述器件包括两个或多个碳纳米芽分子，其中所述两个或多个碳纳米芽分子彼此分离，以增大单个碳纳米芽分子的光俘获截面。
10.一种包括碳纳米芽分子(3、9、18、23、29、36)的器件，所述碳纳米芽分子具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分，其特征在于该器件包括一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子和一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子，使得所述一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子与所述一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子电接触，以使能辐射性的电子-空穴重组。
11.如权利要求10所述的器件，其特征在于所述器件包括与所述一个或多个至少部分n型导电的碳纳米芽分子(9)电接触的第一电极(10)、与所述一个或多个至少部分p型导电的碳纳米芽分子(9)电接触的第二电极(11)、栅电极(12)、以及所述栅电极(12)与所述碳纳米芽分子(9)之间的使所述栅电极(12)与所述碳纳米芽分子(9)电绝缘的绝缘层(13)。
12.一种包括碳纳米芽分子(3、9、18、23、29、36)的器件，所述碳纳米芽分子具有共价键合到管状碳分子侧部的至少一个富勒烯部分，其特征在于发色团连接到所述碳纳米芽分子，以影响所述器件的光谱特征并对于所述分子增强电磁辐射的吸收特征的非线性。
13.如权利要求12所述的器件，其特征在于所述发色团连接到所述碳纳米芽分子的所述富勒烯部分，以影响所述器件的所述光谱特征并对于所述分子增强电磁辐射的吸收特征的非线性。
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