CN104749808B - 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领域。为了提供一种高分辨率及高灵敏度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间依次设有光敏层、阻光层、介质镜、第一取向层、液晶层及第二取向层，光敏层为光学带隙渐变的a‑Si:H/nc‑Si:H薄膜，其带隙范围为1.5eV～2.2eV。从能带角度出发，利用a‑Si:H/nc‑Si:H的带隙与光吸收系数、光电转化效率及电导率的关系，通过逐步渐变薄膜制备过程中气体成份，设计出光学带隙渐变的a‑Si:H/nc‑Si:H光敏层，拓宽光谱，提高光吸收系数、光电转化效率及电导率，提高灵敏度和分辨率；适用于现有液晶光阀。

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光学带隙渐变的氢化纳米/非晶硅(a-Si:H/nc-Si:H)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。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(Liquid Crystal Light Valve，LCLV)。液晶光阀具有高分辨率性，能够直接接收低强度、小屏幕的图像，并用来自另一光源的光实时地将它转换成高强度、大屏幕的图像。可应用于实时大屏幕投影显示、光学信息处理、光学计算机、光学通讯图象增强等领域。
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。提高光敏层光吸收系数、光电转化效率和电导率是改善液晶光阀响应速度和分辨率的重要途径。公开号为CN1751320Y的中国专利为本发明最接近的现有技术，其公开了中液晶光阀的光敏层为单一带隙氢化非晶硅(a-Si:H)光敏层，然而该光敏层由于响应时间长、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率、高灵敏度的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及灵敏度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高分辨率及高灵敏度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、介质镜、第一取向层、液晶层及第二取向层，所述光敏层为光学带隙渐变的a-Si:H/nc-Si:H薄膜，其带隙范围为1.5eV～2.2eV。
具体的，所述光敏层的厚度为2μm～3μm。
具体的，所述阻光层的材质为碲化镉，其厚度范围为1～1.5μm，介质镜的透射率小于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。
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和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到真空室中，使用射频等离子体化学气相沉积法在第一导电玻璃的透明导电薄膜上制备nc-Si:H/a-Si:H渐变过渡型薄膜作为光敏层，所述薄膜的厚度为其厚度范围为2～3μm；
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镜；
D.分别在步骤C中的第一导电玻璃的介质镜及步骤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，并甩胶使其均匀，烘烤固化后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细取向沟槽，分别形成取向层，且两个取向层的微细取向沟槽相互重直；
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.利用洗涤剂对第一导电玻璃和第二导电玻璃的表面进行清洁；
A3.将步骤A2清洗得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放在基片架上，放入盛有丙酮或乙醇溶液的烧杯中进行超声处理5min，然后静置2min；
A4.将步骤A3洗涤后得到的第一导电玻璃、第二导电玻璃及基片架放入盛有饱和NaOH超纯水的烧杯中，超声处理5min后静置2min；
A5.将步骤A4洗涤后得到的第一导电玻璃、第二导电玻璃及基片架放入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min后静置2min后取出。
具体的，所述步骤B具体包括：
B1.用高纯氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到放入真空室，打开真空室的抽真空系统，本地真空度达到6×10-4Pa时通入氩气进行预洗，而后使用氢气进行预溅射；
B2.在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行溅射沉积反应，所述反应气体为氩气和硅烷的混合气体，所述溅射顺序如下：通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；
B3.在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行溅射沉积反应，所述反应气体为氩气和硅烷的混合气体，所述溅射顺序如下：通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min。
进一步的，所述步骤B1具体包括：
B11.用高纯氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到放入真空室，打开真空室的抽真空系统，使得本地真空度达到6×10-4Pa；
B12.通入氩气进行预洗，氩气流量为40sccm，压强为60Pa，预洗5min后停止通入；而后通入流量为40sccm的氢气，在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行预溅射，预溅射时间为2min。
作为上述方案的优选方案，所述氩气为高纯氩气，所述氢气为高纯氢气，所述硅烷为高纯硅烷。
本发明的有益效果是：本发明从能带角度出发，利用a-Si:H/nc-Si:H(氢化纳米/非晶硅)的带隙与光吸收系数、光电转化效率及电导率的关系，通过逐步渐变薄膜制备过程中气体成份，设计出光学带隙渐变的氢化纳米/非晶硅光敏层，从而拓宽光谱，提高光吸收系数、光电转化效率及电导率，达到提高灵敏度和分辨率的目的。本发明适用于现有液晶光阀。
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是光敏层，4是阻光层，5是介质镜，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、介质镜5、第一取向层6、液晶层7及第二取向层8，所述光敏层(3)为光学带隙渐变的a-Si:H/nc-Si:H薄膜，其带隙范围为1.5eV～2.2eV。所述a-Si:H/nc-Si:H薄膜即氢化纳米/非晶硅薄膜。
由于nc-Si:H(氢化纳米硅)的带隙宽度在1.7eV～2.2eV之间，高于a-Si:H(氢化非晶硅)的带隙宽度1.4eV～1.7eV，因此对光的透过率更好，而且氢化纳米硅的电导率一般比非晶硅要高出2～3个数量级。在本技术方案中，将光敏层制备成nc-Si:H/a-Si:H/nc-Si:H的结构形式，并通过制备成多层膜的形式，使nc-Si:H的带隙在1.7eV～2.2eV之间调节，且使a-Si:H带隙在1.5eV～1.7eV之间调节，最终使整个薄膜的带隙呈现2.2eV-1.5eV-2.2eV渐变的形式，这种结构比单一带隙氢化非晶硅的光谱响应范围广、光吸收系数及电导率高；同时，由于氢化纳米硅以及晶化程度更好的非晶硅(相应的带隙更高)，其光热稳定性更好，即长时间光照不会引起较大的性能衰退，因此，本技术方案所提出的结构可以提高液晶光阀的灵敏度和分辨率。
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。
光敏层的厚度对实现效果有一定影响，一般厚度在2μm～3μm均是可以的，其最优厚度为2.5μm。
现有的各类材质的阻光层、介质镜、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，厚度范围为1～1.5μnm，且介质镜要求透射率小于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。
如图2，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，吹干前述导电玻璃，并将第一导电玻璃后放入到真空室，使用射频等离子体化学气相沉积法(RF-PECVD)在第一导电玻璃的透明导电薄膜上制备nc-Si:H/a-Si:H渐变过渡型薄膜作为光敏层，从而达到光学带隙渐变的目的，其厚度范围为2～3μm；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镜；进而，分别在介质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，并甩胶使其均匀，烘烤固化后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细取向沟槽，分别形成取向层，且两个取向层的微细取向沟槽相互重直；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，而后利用洗涤剂对第一导电玻璃和第二导电玻璃的表面进行清洁，而后将其放在基片架上，并一同放入盛有丙酮或乙醇溶液的烧杯中进行超声处理5min，然后静置2min。之后将导电玻璃连同基片架一同放入盛有饱和NaOH超纯水的烧杯中，超声处理5min后静置2min。饱和NaOH超纯水是将纯度达到“分析纯”纯度级别的NaOH放入去离子水中溶解，达到饱和状态，即NaOH不能再溶入去离子水中状态为止的液体。此步骤能够有效溶解第一导电玻璃和第二导电玻璃表面可能存在的杂质，起到清洁作用。最后将上述元件一同放入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min后静置2min后取出。
2.在超净室中用高纯氮气吹干步骤1中取出的第一导电玻璃和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到放入RF-PECVD真空室，打开真空室的抽真空系统，在本地真空度达到6×10-4Pa时通入氩气进行预洗，氩气流量为40sccm，压强为60Pa，预洗5min后停止通入；而后通入流量为40sccm的氢气，在工作室的压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行预溅射，预溅射时间为2min，预溅射的目的是对第一导电玻璃和第二导电玻璃表面进行薄膜沉积前清洁。
本发明中所使用的氩气为高纯(99.99％)氩气，氢气为高纯(99.99％)氢气。
3.在溅射时工作室的压强为60Pa，依次通入氩气和硅烷的混合气体作为反应气体进行溅射，所述溅射顺序如下：通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；而后，再依次按上述相反的顺序反沉积一次，具体为，通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min。并控制上述各个反应功率密度均为150mW/cm2。至此方完成光敏层的制备。
所使用的硅烷为高纯(99.99％)硅烷。
4.将步骤3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镜，介质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。
5.在介质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，并甩胶使其均匀，在200℃的温度下进行烘烤固化后，利用丝绒摩擦，使其表面形成微细沟槽，且使得介质镜上的聚酰亚胺表面和第二导电玻璃的聚酰亚胺表面的微细取向沟槽相互重直，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，即两个取向层的微细取向沟槽相互重直。
6.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，从而制得具有渐变带隙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(3)、阻光层(4)、介质镜(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(3)为光学带隙渐变的a-Si:H/nc-Si:H薄膜，其带隙范围为1.5eV～2.2eV。
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2μm～3μm。
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，其厚度范围为1～1.5μm，介质镜的透射率小于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。
6.一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和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到真空室中，使用射频等离子体化学气相沉积法在第一导电玻璃的透明导电薄膜上制备nc-Si:H/a-Si:H渐变过渡型薄膜作为光敏层，其厚度范围为2～3μm；
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镜；
D.分别在步骤C中的第一导电玻璃的介质镜及步骤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，并甩胶使其均匀，烘烤固化后利用丝绒摩擦，使其表面形成微细取向沟槽，分别形成取向层，且两个取向层的微细取向沟槽相互重直；
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。
7.如权利要求6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.利用洗涤剂对第一导电玻璃和第二导电玻璃的表面进行清洁；
A3.将步骤A2清洗得到的第一导电玻璃和第二导电玻璃放在基片架上，放入盛有丙酮或乙醇溶液的烧杯中进行超声处理5min，然后静置2min；
A4.将步骤A3洗涤后得到的第一导电玻璃、第二导电玻璃及基片架放入盛有饱和NaOH超纯水的烧杯中，超声处理5min后静置2min；
A5.将步骤A4洗涤后得到的第一导电玻璃、第二导电玻璃及基片架放入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min后静置2min后取出。
8.如权利要求6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.用高纯氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到放入真空室，打开真空室的抽真空系统，本地真空度达到6×10-4Pa时通入氩气进行预洗，而后使用氢气进行预溅射；
B2.在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行溅射沉积反应，所述反应气体为氩气和硅烷的混合气体，所述溅射顺序如下：通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；
B3.在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行溅射沉积反应，所述反应气体为氩气和硅烷的混合气体，所述溅射顺序如下：通入反应气体，其中氩气的流量为50sccm，硅烷的流量为30sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为60sccm，硅烷的流量为25sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为80sccm，硅烷的流量为20sccm，溅射时间为15min；通入反应气体，其中氩气的流量为100sccm，硅烷的流量为15sccm，溅射时间为20min；通入反应气体，其中氩气的流量为120sccm，硅烷的流量为100sccm，溅射时间为30min。
9.如权利要求8所述的一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，所述步骤B1具体包括：
B11.用高纯氮气吹干步骤A取出的第一导电玻璃和第二导电玻璃，并将第一导电玻璃放入到放入真空室，打开真空室的抽真空系统，使得本地真空度达到6×10-4Pa；
B12.通入氩气进行预洗，氩气流量为40sccm，压强为60Pa，预洗5min后停止通入；而后通入流量为40sccm的氢气，在压强为60Pa，功率密度为150mW/cm2的条件下进行预溅射，预溅射时间为2min。
10.如权利要求8所述的一种液晶光阀的制备方法，其特征在于，所述氩气为高纯氩气，所述氢气为高纯氢气，所述硅烷为高纯硅烷。
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