CN103823310B - 一种高效率红外热光调制器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高效率红外热光调制器的制备方法，由上、下两片硒化锌基片、四个石墨烯电极和钨掺杂二氧化钒薄膜层封装而成；其特点是：在每个硒化锌基片上先制备两个石墨烯电极，再在硒化锌基片和石墨烯电极上制备一层钨掺杂二氧化钒薄膜层，最后将上述两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成高效率红外热光调制器。本发明可实现红外波段热光的调制；具有加热效率极高、调制速度可达飞秒级、耗能低、插入损耗小、制作工艺简单等优点。

Description

一种高效率红外热光调制器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高效率红外热光调制器的制备方法，属于现代光学技术领域。

背景技术

光波作为信息载体具有特别显著的优点：首先，光的传播速度是最快的，符合高速发展的信息时代的要求；其次，光的频率可达10¹⁴Hz以上，允许信号有很宽的带宽；最后，光的传播具有独立性，光在空间传播互不干扰，使得光调制器的研究成为热点问题。公开号为：CN102472900A的专利，公开了一种光调制器，利用了由具有电光效应的材料构成的移相器的MZI型光调制器，具备能够使上述光调制器的两臂产生相同方向的相位变化的移相器，该光调制器结构复杂，效率不高。公开号为：CN1319175C的专利，公开了一种基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，该发明体积较大，制作工艺繁琐，效率不高。

石墨烯材料作为新型的二维晶体材料，具有许多优异的物理化学性质，与其他的导电薄膜相比，具有更好的力学强度，更好的透光性以及更稳定的化学性质，石墨烯的电子迁移率比硅半导体高100倍；钨掺杂二氧化钒薄膜相变速度高达飞秒级，相变可逆，以此制得的红外热光调制器其灵敏度极高，质量稳定可靠，制造成本很低等，具有实际的应用意义。

发明内容

本发明公开了一种高效率红外热光调制器的制备方法，可以有效克服现有技术制备的光调制器结构复杂，效率不高,或体积较大，制作工艺繁琐等弊端。本发明最大的特点是设置了四个石墨烯电极，温度加热速度极快，四个石墨烯电极使得该热光调制器质量稳定可靠；在硒化锌基片和石墨烯电极上，制备一层钨掺杂二氧化钒薄膜层；钨掺杂二氧化钒薄膜的相变温度可接近40℃，对红外的热光调制速度达到了飞秒(fs)级，满足高速、高精度光调制器件的参数要求，相比与量子阱光调制器结构更加简单、制作更方便。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高效率红外热光调制器的制备方法，由上、下两片硒化锌基片、四个石墨烯电极和钨掺杂二氧化钒薄膜层封装而成；其特点是：在每个硒化锌基片上先制备两个石墨烯电极，再在硒化锌基片和石墨烯电极上制备一层钨掺杂二氧化钒薄膜层，最后将上述两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成高效率红外热光调制器；具体制备方法如下：

A)石墨烯电极的制备：取碳含量>97％的石墨粉15g、KNO₃7.5g和浓硫酸300mL均匀混合，加入KMnO₄45g，经过35℃水浴加热45min，之后加入去离子水，95℃持续反应时间60min；进一步加去离子水稀释，使用35％H₂O₂溶液中和未反应的高锰酸钾；趁热离心过滤并反复洗涤，45℃真空条件下干燥制得氧化石墨；

B)将氧化石墨研碎，配制质量浓度约为5mg/mL的悬浮液300mL，超声处理45min，悬浮液离心处理30min，得到氧化石墨烯胶状悬浮液；

C)用掩膜法涂覆于硒化锌基片上，将基片放入KBH₄的乙醇溶液中还原制得石墨烯电极的硒化锌基片。

D)制备钨掺杂二氧化钒薄膜层采用直流磁控溅射和中温退火氧化；

在以上涂覆了纯净石墨烯导电薄膜的硒化锌基片上，利用直流磁控溅射镀上钨掺杂的钒金属薄膜，直流磁控溅射电流为2A，电压40V，工作气体为纯度99.999％的高纯氩气，溅射时间为2.5min，退火氧化过程中以50sccm和50sccm的流量同时通入纯度为99.9％的氮气和纯度为99.99％的氧气，退火温度为450℃，退火时间为5h，随后在相同温度下，以30sccm的流量通入纯度为99.9％的氢气进行氢化处理，时间为30min；

E)最后将两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成红外热光调制器。

本发明具有以下优点：

1.石墨烯的强度达130GPa，是钢的100多倍，该强度是已知测试材料中最高的，化学性质也很稳定。

2.石墨烯电极的电子迁移率极高，比硅半导体高100倍，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍。

3.采用钨掺杂二氧化钒材料代替纯净的二氧化钒材料，工作温度可降低到40℃左右，实现对红外光的热光调制。

4.钨掺杂二氧化钒调制速度极快，可达飞秒(fs)量级，在光调制方面的应用比起传统的微机械光调制速度(ms)提高了9个数量级。

相对于量子阱光调制器结构简单，易于制作；相对机械类光调制器，本发明效率更高，速度更快，质量更稳定可靠。

附图说明

图1为本发明中高效率红外光调制器的结构示意图。

1、上层硒化锌基片，2、石墨烯电极，3、钨掺杂二氧化钒薄膜，5、下层硒化锌基片。

具体实施方式

为了使本发明技术方案能更清楚地被理解，现结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明设计的高效率红外光调制器由上层硒化锌基片1，四个石墨烯电极2，钨掺杂二氧化钒薄膜3，和下层硒化锌基片5封装而成。

本发明中红外光调制器的制备方法，其步骤如下：

硒化锌基片清洗：利用超声波清洗器清洗，超声波频率为60-80KHz，依次通过去离子水、无水乙醇、丙酮、无水乙醇清洗3-5min，再用去离子水清洗两次，每次5min。然后将基片取出，用洗耳球将表面水滴吹干后放入电热恒温干燥箱中，设定温度80℃，干燥45min后待基片温度降到室温的时候再取出来。

石墨烯电极制备：将15g石墨粉(碳含量>97％)和7.5gKNO₃与300mL的浓硫酸均匀混合，搅拌中缓慢地加入45gKMnO₄。将其转移至35℃水浴加热，反应45min，之后逐步加入去离子水，温度升高至95℃继续反应60min。进一步加去离子水稀释，逐渐加入35％H₂O₂溶液中和未反应的高锰酸钾。趁热离心过滤并反复洗涤，45℃真空条件下干燥制得氧化石墨。将氧化石墨研碎，配制浓度约为5mg/mL的悬浮液300mL，超声处理45min后，悬浮液离心处理30min，除去悬浮液中杂质，得到氧化石墨烯胶状悬浮液。用掩膜法将其分别涂覆于两个硒化锌基片上，将基片放入KBH₄的乙醇溶液中还原制得石墨烯电极的硒化锌基片。

钨掺杂二氧化钒薄膜制备：在以上涂覆了纯净石墨烯导电薄膜的硒化锌基片上利用直流磁控溅射镀上钨掺杂的钒金属薄膜，直流磁控溅射电流为2A，电压40V，溅射金属钒使用的高纯氩气纯度为99.999％，溅射2.5min。退火氧化过程中以50sccm和50sccm的流量同时通入纯度为99.9％的氮气和纯度为99.99％的氧气，退火温度为450℃，退火时间为5h。随后在相同温度下，以30sccm的流量通入纯度为99.9％的氢气进行氢化处理，时间为30min，最后将两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成红外热光调制器。

利用扫描电子显微镜、红外分光光度计等对上述实施方式所制备的热光调制器进行测试、分析，并且与传统的光调制器相比较。结果表明本发明中的热光调制器具有效率高、插入损耗低、速度快、功耗低、结构简单、可靠性高、易于制作、制作成本低等显著优势，能够用于各种光电子领域。

Claims (1)

1.一种高效率红外热光调制器的制备方法，由上、下两片硒化锌基片、四个石墨烯电极和钨掺杂二氧化钒薄膜层封装而成；其特征在于：在每个硒化锌基片上先制备两个石墨烯电极，再在硒化锌基片和石墨烯电极上制备一层钨掺杂二氧化钒薄膜层，最后将上述两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成高效率红外热光调制器；具体制备方法如下：

A)石墨烯电极的制备：取碳含量>97％的石墨粉15g、KNO₃7.5g和浓硫酸300mL均匀混合，加入KMnO₄45g，经过35℃水浴加热45min，之后加入去离子水，95℃持续反应时间60min；进一步加去离子水稀释，使用35％H₂O₂溶液中和未反应的高锰酸钾；趁热离心过滤并反复洗涤，45℃真空条件下干燥制得氧化石墨；

B)将氧化石墨研碎，配制质量浓度约为5mg/mL的悬浮液300mL，超声处理45min，悬浮液离心处理30min，得到氧化石墨烯胶状悬浮液；

C)用掩膜法涂覆于硒化锌基片上，将基片放入KBH₄的乙醇溶液中还原制得石墨烯电极的硒化锌基片；

D)制备钨掺杂二氧化钒薄膜层采用直流磁控溅射和中温退火氧化；

在以上涂覆了纯净石墨烯导电薄膜的硒化锌基片上，利用直流磁控溅射镀上钨掺杂的钒金属薄膜，直流磁控溅射电流为2A，电压40V，工作气体为纯度99.999％的高纯氩气，溅射时间为2.5min，退火氧化过程中以50sccm和50sccm的流量同时通入纯度为99.9％的氮气和纯度为99.99％的氧气，退火温度为450℃，退火时间为5h，随后在相同温度下，以30sccm的流量通入纯度为99.9％的氢气进行氢化处理，时间为30min；

E)最后将两个硒化锌基片的钨掺杂二氧化钒薄膜层贴合，封装成红外热光调制器。