CN1295798C - 制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法是以石英玻璃或硅单晶为衬底，浸入含有单分散的球径相同的二氧化硅小球溶液中，用提拉沉积法在衬底上沉积得蛋白石薄膜，将蛋白石薄膜热处理后，再次浸入到含有与前次球径不同的二氧化硅小球溶液中，沉积另一层蛋白石薄膜并进行热处理，再放入化学气相沉积装置或化学溶液中，在二氧化硅小球空隙中填入具有高介电率的IV族或II-VI族复合半导体材料。或者在得到第一层蛋白石薄膜后就填充具有高介电率的材料，然后再在其上用提拉法沉积第二层蛋白石结构的二氧化硅薄膜层，之后再次进行填充。最后，将薄膜放入稀释的氢氟酸中溶解掉二氧化硅球。本发明工艺简单，而且带隙可调，制得的光子晶体异质结薄膜，可在光电子器件和全光集成中得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法。
背景技术
光子晶体是由不同介电常数材料构成的周期性结构，对于电磁波具有传导禁带，电磁波在其内部无法传播或产生。而作为“光半导体”的光子晶体由于其对光子传播的可控制性将使得光电子器件超小型化得以实现，并且使得光子计算机等全光集成得以实现。因而现今人们对光子晶体的制备和应用极其关注。但是由于种种困难，制备三维光子晶体的手段和方法都受到现有工艺条件和制备方法的限制，无法得到大面积的完整的具有完全光子带隙的材料，使得光子晶体的研究和应用受到限制。
而使用提拉法制备蛋白石薄膜由于其方法简单，薄膜厚度和均匀性可控等特点使得制备蛋白石结构的光子晶体异质结成为可能。然而，蛋白石光子晶体不具备完全的光子带隙，使得蛋白石光子晶体异质结无法体现出光子晶体本身以及异质结所应具有特性。因而，如果能够将构成蛋白石的二氧化硅球使用其它具有高介电率的材料代替，则能够得到完全的和较宽的光子带隙。目前，这方面的工作尚未见到报导。
发明内容
本发明的目的是给出制备具有光子带隙可调的反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法。
本发明的提供的制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法，具有两种技术方案。
方案1：
制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法，包括以下步骤：
1)室温下，以石英或硅单晶作为衬底，浸入含有单分散的单一球径二氧化硅小球和酒精的溶液中，采用提拉沉积法获得由二氧化硅小球构成的蛋白石薄膜，然后将薄膜在300～600℃温度下进行热处理；
2)将热处理好的蛋白石薄膜再次浸入到含有与前次小球不同大小、球径单一的二氧化硅小球溶液中，再沉积一层蛋白石薄膜，并在300～600℃温度下进行热处理，得蛋白石光子晶体异质结；
3)将得到的蛋白石光子晶体异质结放入化学气相沉积装置中，在650℃～1000℃，50帕真空以下通入硅烷或锗烷气体，利用硅烷或锗烷的热分解将硅或锗填充入构成蛋白石光子晶体异质结的各个小球间的空隙中；或者，室温下将得到的蛋白石光子晶体异质结浸入到含有II-VI族复合半导体材料的化学溶液中，在构成蛋白石光子晶体异质结的各个小球间的空隙中填充这些半导体材料。
4)室温下，用稀释的氢氟酸溶解掉二氧化硅球，得到反蛋白石光子晶体异质结薄膜。
方案2：
制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法，包括以下步骤：
1)室温下，以石英或硅单晶作为衬底，浸入含有单分散的单一球径二氧化硅小球和酒精的溶液中，采用提拉沉积法获得由二氧化硅小球构成的蛋白石薄膜，然后将薄膜在300～600℃温度下进行热处理；
2)将得到的蛋白石薄膜放入化学气相沉积装置中，在650℃～1000℃，50帕真空以下通入硅烷或锗烷气体，利用硅烷或锗烷的热分解将硅或锗填充入构成薄膜的各个小球间的空隙中；或者，室温下将得到的薄膜浸入到含有II-VI族复合半导体构成的化学溶液中，在构成薄膜的各个小球间的空隙中填充这些半导体材料。
3)将填充好的薄膜浸入与构成第一层薄膜的二氧化硅小球不同大小、球径单一的二氧化硅小球溶液中，再次沉积一层薄膜，并在300～600℃温度下进行热处理；
4)按照步骤2)所说的化学气相沉积法或化学溶液法，在构成的第二层二氧化硅薄膜各小球的空隙间填充入锗、硅等IV族半导体材料或II-VI族复合半导体材料；
5)室温下，用稀释的氢氟酸溶解掉二氧化硅球，得到反蛋白石光子晶体异质结薄膜。
本发明两方案中，所用的稀释氢氟酸溶液的浓度一般为1％～10％，化学气相沉积法中通入气体的速率可在10～100毫升每分之间。
所说的单分散性的二氧化硅小球可市售，或按照常规的司托布(Stober)法用提纯的正硅酸乙酯制备而成，其粒径为50纳米至1200纳米。
所说的IV族半导体材料包括IV族的任一种半导体材料，所说的II-VI族复合半导体材料包括II-VI族的任一种复合半导体材料。
本发明制备反蛋白石光子晶体异质结薄膜的方法，不仅具有工艺简单、结构完整的特点，还可以根据需要通过改变二氧化硅小球的直径来对最终获得的光子晶体异质结薄膜的光子带隙进行调整。由于最终构成反蛋白石异质结的是具有高介电率的IV族或II-VI族复合半导体材料，故制得的光子晶体异质结薄膜具有较宽范围的完全的光子带隙，可望在今后的光电子器件和全光集成中得到广泛的应用。
附图说明
图1是直径300纳米的单分散二氧化硅球颗粒透射电镜照片；
图2是二氧化硅球构成的蛋白石光子晶体异质结薄膜示意图，其中，(a)直径240纳米，(b)直径300纳米；
图3是反蛋白石硅光子晶体异质结薄膜示意图(图中黑色部分为硅，白色部分为二氧化硅被腐蚀后留下的空隙)。
具体实施方式
实施例1
按照常规的司托布(Stober)法使用提纯的正硅酸乙酯，制备粒径240纳米和300纳米的单分散的二氧化硅球(图1所示为颗粒直径300纳米的单分散二氧化硅球颗粒的透射电镜照片)。先将30毫克240纳米粒径的二氧化硅球溶于100毫升酒精中，室温下，利用提拉沉积法在石英衬底上提拉出由二氧化硅球构成的薄膜层(如图2中的a)，并在热处理炉中500℃热处理以增加其机械强度；再将得到的第一层薄膜置于含有30毫克的300纳米球径的二氧化硅球和酒精溶液中沉积第二层薄膜(如图2中的b)并在500℃热处理。
将得到的二氧化硅异质结放入化学气相沉积装置，在750℃、20帕真空下以15毫升每分的速率通入硅烷，在二氧化硅球之间的空隙中沉积硅。最后，在10％的稀释氢氟酸溶液中腐蚀掉二氧化硅，就得到反蛋白石硅光子晶体异质结薄膜(如图3)。
实施例2
按照常规的司托布(Stober)法使用提纯的正硅酸乙酯，制备粒径240纳米和300纳米的单分散的二氧化硅球。先将30毫克240纳米粒径的二氧化硅球溶于100毫升酒精中，室温下，利用提拉沉积法在石英衬底上提拉出由二氧化硅球构成的薄膜层，并在热处理炉中500℃热处理以增加其机械强度；将得到的二氧化硅薄膜放入硫化镉溶液中，在二氧化硅球之间的空隙中填充入硫化镉材料；
待填充好的薄膜干燥后，再将其置于含有30毫克的300纳米球径的二氧化硅球和酒精溶液中沉积第二层薄膜并在500℃热处理；然后，将得到的薄膜再次放入硫化镉溶液中，室温下在第二层二氧化硅球的空隙之间填充入硫化镉材料；最后，将经硫化镉填充的双层二氧化硅薄膜在2％的稀释氢氟酸溶液中腐蚀掉二氧化硅，就得到反蛋白石硫化镉光子晶体异质结薄膜。
Claims (6)
1.反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)室温下，以石英或硅单晶作为衬底，浸入含有单分散的单一球径二氧化硅小球和酒精的溶液中，采用提拉沉积法获得由二氧化硅小球构成的蛋白石薄膜，然后将薄膜在300～600℃温度下进行热处理；
2)将热处理好的蛋白石薄膜再次浸入到含有与前次小球不同大小、球径单一的二氧化硅小球溶液中，再沉积一层蛋白石薄膜，并在300～600℃温度下进行热处理，得蛋白石光子晶体异质结；
3)将得到的蛋白石光子晶体异质结放入化学气相沉积装置中，在650℃～1000℃，50帕真空以下通入硅烷或锗烷气体，利用硅烷或锗烷的热分解将硅或锗填充入构成蛋白石光子晶体异质结的各个小球间的空隙中；或者，室温下将得到的蛋白石光子晶体异质结浸入到含有II-VI族复合半导体材料的化学溶液中，在构成蛋白石光子晶体异质结的各个小球间的空隙中填充这些半导体材料。
4)室温下，用稀释的氢氟酸溶解掉二氧化硅球，得到反蛋白石光子晶体异质结薄膜。
2.根据权利要求1所述的反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，其特征是所说的单分散性的二氧化硅小球的粒径为50纳米至1200纳米。
3.根据权利要求1所述的反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，其特征是化学气相沉积法通入气体的速率在10～100毫升每分之间。
4.反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)室温下，以石英或硅单晶作为衬底，浸入含有单分散的单一球径二氧化硅小球和酒精的溶液中，采用提拉沉积法获得由二氧化硅小球构成的蛋白石薄膜，然后将薄膜在300～600℃温度下进行热处理；
2)将得到的蛋白石薄膜放入化学气相沉积装置中，在650℃～1000℃，50帕真空以下通入硅烷或锗烷气体，利用硅烷或锗烷的热分解将硅或锗填充入构成薄膜的各个小球间的空隙中；或者，室温下将得到的薄膜浸入到含有II-VI族复合半导体材料构成的化学溶液中，在构成薄膜的各个小球间的空隙中填充这些半导体材料。
3)将填充好的薄膜浸入与构成第一层薄膜的二氧化硅小球不同大小、球径单一的二氧化硅小球溶液中，再次沉积一层薄膜，并在300～600℃温度下进行热处理；
4)按照步骤2)所说的化学气相沉积法或化学溶液法，在构成的第二层二氧化硅薄膜各小球的空隙间填充入锗、硅IV族半导体材料或II-VI族复合半导体材料；
5)室温下，用稀释的氢氟酸溶解掉二氧化硅球，得到反蛋白石光子晶体异质结薄膜。
5.根据权利要求1所述的反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，其特征是所说的单分散性的二氧化硅小球的粒径为50纳米至1000纳米。
6.根据权利要求1所述的反蛋白石光子晶体异质结薄膜的制备方法，其特征是化学气相沉积法通入气体的速率在10～100毫升每分之间。
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