CN104656302B - 一种液晶光阀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于液晶器件技术领域。为了提供一种分辨率高的液晶光阀及其制备方法，采用的技术方案包括相对设置的第一玻璃基片和第二玻璃基片，第一玻璃基片和第二玻璃基片相向的侧面分别设有第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层，第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层之间还依次设有光敏层、阻光层、介质反射镜、第一取向层、液晶层及第二取向层，所述光敏层为a‑Si:(CdTe):H复合材料形成的纳米结构光敏层，所述复合材料包括CdTe和a‑Si:H，其中CdTe的含量为7％。将少量CdTe掺入a‑Si:H薄膜形成a‑Si:(CdTe):H复合纳米材料，并将该材料作为液晶光阀的光敏层，提高光敏层半导体材料的迁移率，缩短响应时间，提高液晶光阀的分辨率及光敏性，拓宽响应光谱；适用于现有反射式液晶光阀。

Description

一种液晶光阀及其制备方法
技术领域
本发明属于液晶器件技术领域，涉及一种液晶空间光调制器及其制备方法，尤其是涉及一种光敏层为a-Si:(CdTe):H复合纳米结构的液晶光阀及其制备方法。
背景技术
液晶空间光调制器(SLM，Spatial light modulator)是用于对光波强度、相位和偏振态等进行调制的光电器件。由于其具有高双折射、宽带宽及工作电压较低的特性，液晶空间光调制器已被广泛用于显示和光子学领域，如可用于进行时间复用动态扫描3D电影显示、自适应光波前校正或是作为频谱滤波的衍射光学元件等。按照输入控制信号方式的不同能够将液晶空间光调制器分为光寻址的液晶空间光调制器和电寻址的液晶空间光调制器，其中光寻址的液晶空间光调制器也被称为液晶光阀(LCLV)。
液晶光阀的一个重要性能指标为分辨率，而决定液晶光阀分辨率的关键结构是光敏层。现有技术中液晶光阀的光敏层材料为单一光电半导体材料，如：CdS、c-Si、BSO、GaAs或者a-Si:H，然而上述光敏层材料由于响应时间长、迁移率不足等缺点而影响了液晶光阀的分辨率，从而难以满足高分辨液晶光阀光敏层的要求。因此亟需一种能够大大提高其分辨率的液晶光阀及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分辨率高的液晶光阀及制备该液晶光阀的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液晶光阀，包括相对设置的第一玻璃基片和第二玻璃基片，第一玻璃基片和第二玻璃基片相向的侧面分别设有第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层，第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层之间还依次设有光敏层、阻光层、介质反射镜、第一取向层、液晶层及第二取向层，所述光敏层为a-Si:(CdTe):H复合材料形成的纳米结构光敏层，所述复合材料包括CdTe和a-Si:H，其中CdTe的含量为7％。
具体的，所述光敏层的厚度为300nm～800nm。
具体的，所述阻光层的材质为碲化镉，其厚度为300nm，介质反射镜的透射率小于1％，第一取向层及第二取向层均为聚酰亚胺取向层。
进一步的，所述第一取向层及第二取向层之间均匀设置有直径4μm的间隔子。
进一步的，所述第一玻璃基片背离第一透明导电薄膜层的一侧设有增透膜层。
优选的，第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层的材质为ITO或AZO。
为了制备上述液晶光阀所采用的制备方法如下：液晶光阀的制备方法，包括以下步骤：
A.分别在第一玻璃基片和第二玻璃基片的一侧镀一层透明导电薄膜，形成第一导电玻璃和第二导电玻璃，清洗前述导电玻璃后取出；
B.吹干步骤A取出的第一导电玻璃后放入到真空室，通入氩气和氢气的混合气体，在第一导电玻璃的透明导电薄膜上溅射a-Si:(CdTe):H薄膜作为光敏层，所述a-Si:(CdTe):H薄膜包括a-Si:H和CdTe，其中CdTe的含量为7％；
C.将步骤B溅射光敏层后的第一导电玻璃取出，在光敏层表面蒸镀材质为碲化镉的阻光层，而后在阻光层上制备介质反射镜；
D.分别在步骤C中的第一导电玻璃的介质反射镜及步骤A中的第二导电玻璃的透明导电薄膜上旋涂聚酰亚胺溶液，烘烤后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细沟槽，分别形成取向层；
E.在取向层之间均匀放入间隔子后灌入液晶，并利用环氧树脂胶封，形成液晶光阀。
具体的，所述步骤A具体包括：
A1.分别在第一玻璃基片和第二玻璃基片的一侧镀一层透明导电薄膜形成第一导电玻璃和第二导电玻璃；
A2.将第一导电玻璃和第二导电玻璃放入洗涤剂中浸泡15min，再放入乙醇或丙酮溶液中进行超声处理；
A3.将步骤A2清洗得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放入混合溶液洗涤，所述混合溶液的组分为水:双氧水:氨水，其质量百分比为5:1:1；
A4.将步骤A3洗涤后得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放入到去离子水，超声洗涤10min后取出。
具体的，所述步骤B具体包括：
B1.用氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃，放入真空室，打开真空室的抽真空系统，在本地真空度达到8×10-4Pa时通入氩气和氢气的混合气体，其中氩气流量为80sccm，氢气流量为8sccm；
B2.将CdTe压制成直径5mm、厚度1mm的圆形薄板，将其放在单晶硅靶的溅射环位置，当第一导电玻璃温度达到300℃时开始溅射，溅射功率为250W，溅射时工作室的压强为0.56Pa，溅射时间为30min。
作为上述方案的优选方案，所述间隔子的直径为4μm。
本发明的有益效果是：本发明将少量CdTe掺入a-Si:H薄膜形成a-Si:(CdTe):H复合纳米材料，并将该材料作为液晶光阀的光敏层，从而大大提高光敏层半导体材料的迁移率，缩短响应时间，从而提高液晶光阀的分辨率及光敏性，此外还能够拓宽响应光谱；而其制备方法简单易行，操作方便，工艺过程易于控制。本发明适用于现有反射式液晶光阀。
附图说明
图1是本发明的液晶光阀的结构示意图流程示意图；
图2是本发明的液晶光阀的制备流程示意图；
其中，1是第一玻璃基片，2是第一透明导电薄膜层，3是纳米结构光敏层，4是阻光层，5是介质反射镜，6是第一取向层，7是液晶层，8是第二取向层，9是第二透明导电薄膜层，10是第二玻璃基片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种液晶光阀，包括相对设置的第一玻璃基片1和第二玻璃基片10，第一玻璃基片1和第二玻璃基片10相向的侧面分别设有第一透明导电薄膜层2和第二透明导电薄膜层9，第一透明导电薄膜层2和第二透明导电薄膜层9之间还依次设有光敏层、阻光层4、介质反射镜5、第一取向层6、液晶层7及第二取向层8，其特征在于，所述光敏层为a-Si:(CdTe):H复合材料形成的纳米结构光敏层3，所述复合材料包括CdTe和a-Si:H，其中CdTe的含量为7％。
图中液晶光阀的左侧为写入光，即控制液晶光阀上像素的光电信号；其右侧为读出光，即照明整个光阀并被调制的光波。
在实际操作中，一般使用射频磁控溅射的方法将少量的CdTe和a-Si:H按一定的质量比一同溅射到镀有第一透明导电薄膜层2(如ITO电极)的第一玻璃基片1上，CdTe在a-Si:H膜层中形成直径为20～30nm的颗粒，该颗粒被a-Si:H所包裹。由于CdTe薄膜是P型半导体，而a-Si:H是弱N型半导体，它们具有不同的禁带宽度和能带结构，因此在CdTe纳米颗粒与周围的a-Si:H之间形成类异质结结构，该结构中能带的偏移降低了活化能，在写入光的作用下，CdTe导带中的光生载流子通过量子隧穿越过界面势垒，提高了载流子的迁移率；而且CdTe纳米颗粒的存在引起了能带结构发生变化，从而导致光学带隙宽化，进而拓宽响应光谱。
光敏层的厚度对实现效果有一定影响，一般厚度在300nm～800nm均是可以的，其最优厚度为500nm。
现有的各类材质的阻光层、介质反射镜、取向层基本可以实现本发明所得到的效果。为了更好地实现本发明的技术效果，对阻光层的要求是吸收率高，电阻率尽可能高一些，因此阻光层的材质为碲化镉，厚度300nm，且介质反射镜要求透射率小于1％，所述第一取向层6及第二取向层8均为聚酰亚胺取向层，即选用聚酰亚胺PI取向剂。碲化镉对可见光有强烈吸收，并且其电阻率与a-Si:(CdTe):H光敏层能达到较好的匹配，因此采用碲化镉做阻光层。聚酰亚胺PI取向剂与玻璃、硅等基底有很好的粘附作用，将其涂敷在ITO玻璃的表面上，经适当的热固化以及摩擦处理后可形成具有耐高温、耐腐蚀的聚酰亚胺取向膜；对液晶分子具有优良的取向性能，稳定的预倾角，很高的电压保持率。
为了有效保持液晶宽度，在第一取向层6及第二取向层8之间均匀设置有直径4μm的间隔子。
为了有效提高光能利用率，增加接收到的入射光的光强，在所述第一玻璃基片1背离第一透明导电薄膜层2的一侧设有增透膜层。
基于成本考虑，第一玻璃基片1和第二玻璃基片10一般采用低成本的钠钙玻璃。
所述第一透明导电薄膜层2和第二透明导电薄膜层9的材质为ITO(锡掺杂三氧化铟)或AZO(铝掺杂氧化锌)等，它们的禁带宽度大，只吸收紫外光，不吸收可见光，因此称之为“透明”。基于效果考虑，常选用在玻璃基片上均匀沉积ITO膜。
为了制备上述液晶光阀，所采用的方法包括以下步骤：首先，分别在两块玻璃基片的一侧镀一层透明导电薄膜，形成第一导电玻璃和第二导电玻璃，清洗前述导电玻璃后取出；其次，吹干第一导电玻璃后放入到真空室，通入氩气和氢气的混合气体，在第一导电玻璃的透明导电薄膜上溅射a-Si:(CdTe):H薄膜作为光敏层，所述a-Si:(CdTe):H薄膜包括a-Si:H和CdTe，其中CdTe的含量为7％；再次，将第一导电玻璃取出，在光敏层表面蒸镀材质为碲化镉的阻光层，而后在阻光层上制备介质反射镜；进而，分别在介质反射镜上及第二导电玻璃的透明导电薄膜上旋涂聚酰亚胺溶液，烘烤后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细沟槽，分别形成取向层；最后，在两层取向层之间均匀放置间隔子后灌入液晶，并利用环氧树脂胶封，形成液晶光阀。
实施例
本例中，液晶光阀的制备方法，具体为：
1.分别在第一玻璃基片和第二玻璃基片的一侧镀ITO薄膜，形成第一导电玻璃和第二导电玻璃，而后对ITO表面进行湿法处理，即将第一导电玻璃和第二导电玻璃在洗涤剂中浸泡15min，再在乙醇或丙酮溶液进行超声处理15min，然后，过氧化氢处理ITO表面，即用水:双氧水:氨水＝5:1:1的混合溶液超声处理15min，以便去除第一导电玻璃和第二导电玻璃表面的油脂等有机物，消除某些悬挂键，增加亲水基团，提高基片的附着力，最后再放入到去离子水，超声洗涤10min后取出。
2.使用磁控溅射法在第一导电玻璃的ITO薄膜上镀a-Si:(CdTe):H光敏层。具体包括：将纯的CdTe压制成统一大小的圆形薄板，其直径5mm，厚度1mm，将压制好的CdTe圆形薄板放在单晶硅靶的溅射环位置，在溅射前后分别对CdTe圆形薄板和靶材用电子天平进行称量，通过质量差可计算出实验中CdTe的质量百分比。试验中衬底为镀有ITO电极的玻璃基片，氩气纯度为99.99％，氢气纯度99.99％，靶材与第一导电玻璃之间的距离为70mm；而后将洗好的第一导电玻璃用氮气吹干，放入真空室，打开抽真空系统，在本地真空度达到8×10-4Pa时通入氩气和氢气的混合气体，氩气流量为80sccm，氢气流量为8sccm，当基片温度达到300℃时开始溅射，溅射功率为250W，溅射时工作室的压强为0.56Pa，溅射时间为30min，完成的制备。
3.将步骤2的第一导电玻璃取出，使用热蒸发设备在光敏层表面蒸镀碲化镉阻光层，制备阻光层时温度控制在300℃，在此温度下形成的薄膜附着力高，均匀性好，然后在其上面制备介质反射镜，介质反射镜是一种高折射率材料和一种低折射率材料交替镀制，例如选用交替九层的氟化镁/硫化锌薄膜。
4.在介质反射镜上和第二导电玻璃的透明导电薄膜上旋涂聚酰亚胺溶液，在200℃的温度下进行烘烤后，利用丝绒摩擦，使其表面形成微细沟槽，从而在介质反射镜上和第二导电玻璃的透明导电薄膜上分别形成取向层。
5.在两层取向层之间均匀放入直径为4μm间隔子后灌入液晶，并利用环氧树脂胶封，避免液晶流出，从而制得具有a-Si:(CdTe):H复合材料纳米结构光敏层的液晶光阀。

Claims (10)

1.一种液晶光阀，包括相对设置的第一玻璃基片(1)和第二玻璃基片(10)，第一玻璃基片(1)和第二玻璃基片(10)相向的侧面分别设有第一透明导电薄膜层(2)和第二透明导电薄膜层(9)，第一透明导电薄膜层(2)和第二透明导电薄膜层(9)之间还依次设有光敏层、阻光层(4)、介质反射镜(5)、第一取向层(6)、液晶层(7)及第二取向层(8)，其特征在于，所述光敏层为a-Si:(CdTe):H复合材料形成的纳米结构光敏层(3)，所述复合材料包括CdTe和a-Si:H，其中CdTe的含量为7％。
2.如权利要求1所述的一种液晶光阀，其特征在于，所述光敏层的厚度为300nm～800nm。
3.如权利要求1所述的一种液晶光阀，其特征在于，所述阻光层的材质为碲化镉，其厚度为300nm，介质反射镜的透射率小于1％，所述第一取向层(6)及第二取向层(8)均为聚酰亚胺取向层。
4.如权利要求1或2或3所述的一种液晶光阀，其特征在于，所述第一取向层(6)及第二取向层(8)之间均匀设置有直径4μm的间隔子。
5.如权利要求1或2或3所述的一种液晶光阀，其特征在于，所述第一玻璃基片(1)背离第一透明导电薄膜层(2)的一侧设有增透膜层。
6.如权利要求1或2或3所述的一种液晶光阀，其特征在于，所述第一透明导电薄膜层(2)和第二透明导电薄膜层(9)的材质为ITO或AZO。
7.一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.分别在第一玻璃基片和第二玻璃基片的一侧镀一层透明导电薄膜，形成第一导电玻璃和第二导电玻璃，清洗前述导电玻璃后取出；
B.吹干步骤A取出的第一导电玻璃后放入到真空室，通入氩气和氢气的混合气体，在第一导电玻璃的透明导电薄膜上溅射a-Si:(CdTe):H薄膜作为光敏层，所述a-Si:(CdTe):H薄膜包括a-Si:H和CdTe，其中CdTe的含量为7％；
C.将步骤B溅射光敏层后的第一导电玻璃取出，在光敏层表面蒸镀材质为碲化镉的阻光层，而后在阻光层上制备介质反射镜；
D.分别在步骤C中的第一导电玻璃的介质反射镜及步骤A中的第二导电玻璃的透明导电薄膜上旋涂聚酰亚胺溶液，烘烤后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细沟槽，分别形成取向层；
E.在取向层之间均匀放入间隔子后灌入液晶，并利用环氧树脂胶封，形成液晶光阀。
8.如权利要求7所述的一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1.分别在第一玻璃基片和第二玻璃基片的一侧镀一层透明导电薄膜形成第一导电玻璃和第二导电玻璃；
A2.将第一导电玻璃和第二导电玻璃放入洗涤剂中浸泡15min，再放入乙醇或丙酮溶液中进行超声处理；
A3.将步骤A2清洗得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放入混合溶液洗涤，所述混合溶液的组分为水:双氧水:氨水，其质量百分比为5:1:1；
A4.将步骤A3洗涤后得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放入到去离子水，超声洗涤10min后取出。
9.如权利要求7所述的一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1.用氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃，放入真空室，打开真空室的抽真空系统，在本地真空度达到8×10-4Pa时通入氩气和氢气的混合气体，其中氩气流量为80sccm，氢气流量为8sccm；
B2.将CdTe压制成直径5mm、厚度1mm的圆形薄板，将其放在单晶硅靶的溅射环位置，当第一导电玻璃温度达到300℃时开始溅射，溅射功率为250W，溅射时工作室的压强为0.56Pa，溅射时间为30min。
10.如权利要求7所述的一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，所述间隔子的直径为4μm。
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