FI121156B - Hiilinanonuppumolekyylin käyttö sähkömagneettisen säteilyn kanssa vuorovaikuttamiseksi laitteessa - Google Patents

Description

HIILINANONUPPUMOLEKYYLIN KÄYTTÖ SÄHKÖMAGNEETTISEN SÄTEILYN KANSSA VUOROVAIKUTTAMISEKSI LAITTEESSA

KEKSINNÖN ALA

Esillä oleva keksintö koskee nanoteknologiaa.

5 Erityisesti esillä oleva keksintö koskee optisesti aktiivisen nanomateriaalin käyttöä optisissa laitteissa ja optoelektroniikkalaitteissa.

KEKSINNÖN TAUSTA

10 Optisia laitteita ja optoelektroniikkalait- teita käytetään monissa sovelluksissa esim. tiedonsiirtoverkoissa ja metrologiassa. Edellä mainituilla aloilla laitteet voivat käsittää sekä aktiivilaitteita kuten esimerkiksi lasereita, vahvistimia ja ilmaisimia 15 että passiivilaitteita kuten esimerkiksi suodattimia, polarisaattoreita ja absorboijia. Yleisesti ottaen näiden laitteiden tärkeimpiä parametreja ovat tehonkulutus (aktiivilaitteiden osalta), stabiilisuus, joka määrää laitteen käyttöiän, ja erilaiset laitteen funk-20 tioon liittyvät parametrit; funktionaalisia parametre ja voivat olla esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn kyllästyvä absorptio tai polarisaatiosta riippuva absorptio ja/tai sisäinen taikka ulkoinen kvantti-hyötysuhde jne.

25 Uudenlaiset nanomateriaalit, joita ovat esim.

nanoputket, nanolangat, fullereenit, kvanttipisteet, nanopartikkelit ja nanokarvat (engl. nanowhisker) tarjoavat uusia tapoja räätälöidä optisten laitteiden ja optoelektroniikkalaitteiden tärkeimpiä parametreja. 30 Esimerkiksi käyttämällä nanomateriaaleja sopivassa paikassa laitteen rakenteessa laitteessa voidaan saada aikaan epälineaarisia optisia efektejä tai näitä efektejä voidaan voimistaa. Vaikka uudet nanomateriaalit ja nanorakenteet vaikuttavat lupaavilta optisten lait-35 teiden ja optoelektroniikkalaitteiden tärkeimpien pa- 2 rametrien parantamisen kannalta, niiden valmistukseen liittyy toisaalta uudenlaisia haasteita.

Nanorakenteiden syntetisointimenetelmä on vahvasti riippuvainen siitä, millainen rakenne sinänsä 5 on. Jotkin nanorakenteet, esim. kvanttitäplät, voidaan syntetisoida tavanomaisten ohutkalvojen valmistuslait-teistojen kuten esimerkiksi MOCVD-laitteistojen avulla, kun taas esim. nanolankoja käsittävien kuituverk-korakenteiden valmistuksessa voidaan tarvita laitteis-10 toa, joka on erityisesti suunniteltu tällaisten sivusuhteeltaan suurten molekyylien (engl. High Aspect Ratio Molecule, HARM) syntetisointiin ja/tai kerros-tukseen. Uusia nanomateriaaleja käsittävien laitteiden valmistuksessa tarvitaan usein materiaalin manipuloin-15 tia molekyylien tarkkuudella. Tämä on erityisen tärkeää sellaisissa optisissa laitteissa, jotka käsittävät HARM:eja, joissa tällaisen sivusuhteeltaan suuren molekyylin tietty asento voi vaikuttaa merkittävästi laitteen optisiin ominaisuuksiin. Esimerkki tällaises-20 ta laitteesta on polarisaattori (tai polarisoin-tisuodatin), jonka optinen transmissio riippuu tulevan valon polarisaatiosta.

Lisäksi optisissa sovelluksissa nanomateriaa-lin puhtaus ja homogeenisuus ovat erittäin tärkeitä. 25 HARM:ien sisällyttämiseksi laitteeseen molekyylit voidaan esimerkiksi suodattaa kaasuvirrasta ja/tai dis-persoida liuokseen. Näissä operaatioissa vaarana on epäpuhtauksien syntyminen optiseen laitteeseen, ja HARM:ien dispersointi liuokseen ei usein riitä homo-30 geenisen materiaalin aikaansaamiseksi. Lisäksi disper-sointiin tarvitaan usein karkeiden käsittelymenetelmien kuten sonifikaation käyttämistä ja/tai pinta-aktiivisten aineiden ja funktionalisoitujen materiaalien käyttöä, mikä voi haitata laitteen toimintaa.

35 Monien nanorakenteisiin perustuvien nykyisin tunnettujen optisten laitteiden ja optoelektroniikka-laitteiden suorituskyky kärsii laitteiden valmistuk- 3 seen liittyvistä vaikeuksista ja funktionaalisen nano-materiaalin ominaisuuksista. Esimerkiksi julkaisussa WO2008/025966 AI on esitetty koostumus, joka käsittää optisessa liitosgeelissä tai optisessa liimassa olevaa 5 nanomateriaalia. Julkaisussa W02008/025966 Ai esitetyn keksinnön ongelmana on nanomateriaalin esim. nanopis-teiden epähomogeeninen dispersoituminen optiseen geeliin tai liimaan. Lisäksi edellä mainitussa julkaisussa esitetyistä nanomateriaaleista voi olla vaikea saa-10 da aikaan riittävän puhtaita nanomateriaaleja optisia tai optoelektroniikkalaitteita varten.

Nykyisten optisten laitteiden ja optoelektro-niikkalaitteiden parantamiseksi ja uusien kehittämiseksi on tärkeää kehittää uusia nanomateriaaleja, jot-15 ka ovat funktionaalisuudeltaan, puhtaudeltaan, monipuolisuudeltaan ja homogeenisuudeltaan entistä parempia. Yhtä tärkeää on kehittää uusia valmistusmenetelmiä, jotka eivät johda degradaatioon eivätkä muuta haitallisella tavalla laitteissa käytettyjen materiaa-20 lien tärkeimpiä ominaisuuksia.

KEKSINNÖN TAVOITE

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on vähentää tunnettuun tekniikkaan liittyviä edellä mainittuja 25 teknisiä ongelmia aikaansaamalla uudentyyppisiä fulle-reenilla funktionalisoitujen putkimaisten hiilimolekyylien ja kovalenttisesti sitoutuneiden fullereenilla funktionalisoitujen putkimaisten hiilimolekyylien käyttöön perustuvia optisia laitteita ja optoelektro-30 niikkalaitteita sekä näiden laitteiden valmistusmenetelmiä .

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Esillä olevan keksinnön mukaiselle käytölle 35 on ominaista se, mikä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1.

4

Esillä olevan keksinnön mukaisesti laitteessa käytetään yhtä tai useampaa hiilinanonuppumolekyyliä, joissa yksi- tai moniseinämäisen putkimaisen hiilimolekyylin sivuun on kovalenttisesti sitoutunut vähin-5 tään yksi fullereeniosa. Laite toimii emittoimalla tai absorboimalla sähkömagneettista säteilyä tai olemalla muulla tavoin vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn kanssa, jolloin emissio, absorptio tai muu vuorovaikutus tapahtuu kaikkien hiilinanonuppumolekyylien 10 tai osan niistä relaksaation tai eksitaation avulla.

Esimerkkejä laitteista, joissa voidaan käyttää yhtä tai useampaa hiilinanonuppumolekyyliä suorittamaan sähkömagneettisen säteilyn emissioon, absorptioon ja/tai muuhun sähkömagneettisen säteilyn kanssa 15 tapahtuvaan vuorovaikutukseen liittyviä funktioita ovat esim. emitterit, näyttöpäätteet, laserit, vahvistimet, suodattimet, polarisaattorit, valoilmaisimet, (esim. kameroihin tarkoitetut) ilmaisinryhmät, biokemialliset anturit, spektroskooppisiin tai fluoresens-20 siin liittyviin sovelluksiin tarkoitetut merkitsimet, signaaliregeneraattorit, aaltomuotomuokkaimet, disper-sionkompensaattorit, aallonpituusmuuntimet, optiikka-käyttöiset toimilaitteet (esim. laserkäyttöinen nano-moottori), optiset kytkimet, litografisiin prosessei-25 hin tarkoitetut rakenteistumista edistävät materiaa lit, heijastuksenestopinnoitteet (AR-pinnoitteet) tai valikoivasti heijastavat pinnoitteet, joilla on erinomainen kemiallinen, mekaaninen tai säteilyn kestävyys, tiedontallennuskyvyltään suuret valokuvaus- tai 30 holografiamateriaalit ja vaihe- tai amplitudimodulaat- torit. Näissä laitteissa oleva yksi tai useampi hii-linanonuppumolekyyli voi olla muodoltaan esim. verkko, kerroste tai kalvo tai ne voidaan sisällyttää mat-riisimateriaaliin, kuten esimerkiksi lasiin, kvart-35 siin, kiteiseen materiaaliin, polymeeriin, optiseen geeliin tai optiseen liimaan.

5

Esillä olevan keksinnön mukaiset hii-linanonuppumolekyylejä käsittävät komponentit soveltuvat erityisesti erilaisiin optisiin tai optoelektro-niikkalaitteisiin. Eräänä syynä on se, että hii-5 linanonuppumolekyylien syntetisointiprosessien avulla voidaan tuottaa puhtaampaa, kiteisempää ja homogeeni-sempää materiaalia kuin esim. hiilinanoputkien tavanomaisten syntetisointiprosessien avulla. Tämä johtuu nanonuppumolekyylin sellaiset syntetisointiprosessit 10 mahdollistavasta ominaisgeometriasta, jonka ansiosta mahdollisesti haitallisia lisäpuhdistusvaiheita ei tarvita. Näiden tuotantomenetelmien avulla saadaan aikaan materiaalia, joka täyttää monien optisten sovellusten korkeat puhtaus-, laatu- ja homogeenisuusvaati-15 mukset. Lisäksi hiilinanonuppumolekyyleissä putkimais ten hiilimolekyylien ja fullereenimolekyylien funktionaaliset ominaisuudet yhdistyvät vakaaseen ja vankkaan rakenteeseen, joka voidaan funktionalisoida nanonuppu-molekyylit sisältävän materiaalin ominaisuuksien ja 20 käyttäytymisen muuttamiseksi. Tämä voi olla erityisen käyttökelpoista epälineaarisissa optisissa sovelluksissa, joissa suoritetaan sellaisia funktioita kuten kyllästyvä absorptio, käänteisesti kyllästyvä absorptio, valonvahvistus ja polarisaatio. Lisäksi hii-25 linanonuppumolekyylin fullereeniosa tarjoaa välineet nanonuppumolekyylin putkiosan erottamiseksi naapureistaan joko yksinkertaisesti geometriansa kautta tai funktionalisoimalla fullereeniosa, jotta voidaan välttää tai muutoin hallita putkien välistä vuorovaikutus-30 ta, joka voi muuttaa hiilinanonuppumolekyylejä käsit tävän materiaalin optisia ominaisuuksia. On huomattava, että hiilinanonuppumolekyylin fullereeniosa voi olla fullereenimolekyyli tai muu, mahdollisesti fulle-reenimolekyylin käsittävä fullereenimainen rakenne.

35 Lisäksi fullereeniosan tai hiilinanonuppumo lekyylin putkiosaan sitoutuneen fullereenimaisen rakenteen avulla voidaan muuttaa hiilinanonuppumolekyy- 6 lit käsittävän materiaalin energiaväliä (johtavuutta tai puolijohtavuutta). Tämä mahdollistaa materiaalissa tapahtuvan absorption, emission tai muun sähkömagneettisen vuorovaikutuksen säätämisen aallonpituuden, läm-5 pötilan, kemiallisen ympäristön tai muiden paikallisten olosuhteiden funktiona. Hiilinanonuppumolekyylin putkiosaan sitoutunutta fullereenimaista rakennetta voidaan lisäksi käyttää kahden nanonuppumolekyylin välisenä siltamolekyylinä joko suoraan tai jonkin toisen 10 siltamolekyylin kuten esteriryhmän välityksellä. Tätä voidaan käyttää esimerkiksi varauksenkuljettäjien relaksaation parantamiseen nanonuppumolekyyleissä ja/tai hiilinanonuppumolekyylejä käsittävän materiaalin elpy-misajan lyhentämiseen ja/tai kerrosteen tai kalvon me-15 kaanisen vankkuuden lisäämiseen.

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti hiilinanonuppumolekyyliin on kiinnitetty kromofori, jotta voidaan vaikuttaa laitteen spektrio-minaisuuksiin ja lisätä sähkömagneettista säteilyä ab-20 sorboivan laitteen absorptio-ominaisuuksien epälineaarisuutta .

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti hiilinanonuppumolekyylin fullereeniosaan on kiinnitetty kromofori, jotta voidaan vaikuttaa lait-25 teen spektriominaisuuksiin ja lisätä sähkömagneettista säteilyä absorboivan laitteen absorptio-ominaisuuksien epälineaarisuutta.

Kiinnittämällä kromofori hiilinanonuppumolekyylin putkiosassa tai fullereeniosassa olevaan reak-30 tiiviseen kohtaan voidaan saada aikaan epälineaarinen optinen materiaali. Tämäntyyppinen materiaali on hii-linanonuppumolekyylien vakauden takia vakaampaa kuin tunnetun tekniikan mukaiset epälineaariset optiset materiaalit. Tässä yhteydessä kromoforilla tarkoitetaan 35 mitä tahansa molekyylirakennetta, jolla saadaan aikaan haluttu optinen vaikutus vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn kanssa. Esimerkkejä hiilinanonuppu- 7 molekyyleihin epälineaarisia optisia vaikutuksia indusoivista kromoforeista ovat orgaaniset molekyylit kuten esimerkiksi polymeerit, oligomeerit, monomeerit ja dimeerit. Erityisesti värimolekyylit esim. fenosa-5 franiini (PSF) indusoivat hiilinanonuppumolekyyleihin voimakkaita epälineaarisia absorptio-ominaisuuksia. Kromofori voi myös toimia siltamolekyylinä johon edellä on viitattu.

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon 10 mukaisesti laite tuotetaan menetelmällä, joka käsittää vaiheen, jossa hiilinanonuppumolekyylit kerrostetaan hiilinanonuppumolekyylien optisen laadun parantamiseksi laiterakenteeseen suoraan kaasufaasista käyttämättä nanonuppumolekyylien dispersointia nesteliuoksesta. 15 Muut tuotantomenetelmät kuten spin-pinnoitus (engl.

spin-coating) tai dispersointi matriisimateriaaliin ovat mahdollisia.

Hiilinanonuppumolekyylien kerrostaminen suoraan kaasufaasista substraatille kuten optiselle kom-20 ponenttirakenteelle julkaisussa W02007/057501 AI yksi tyiskohtaisesti kuvatun menetelmän mukaisesti mahdollistaa molekyylien tasaisemman jakautumisen verrattuna menetelmiin, joissa nanomateriaali dispersoidaan matriisimateriaaliin. Suoraan kaasufaasista kerrostaminen 25 lisäksi vähentää epäpuhtauksilla saastumisen riskiä ja välikäsittelyvaiheista aiheutuvaa ominaisuuksien muuttumisen riskiä, kunhan hiilinanonuppumolekyylit erotetaan tehokkaasti muista kaasussa olevista molekyyleistä tai hiukkasista. Viitatun menetelmän mukaisen hii-30 linanonuppumolekyylien suoraan kaasufaasista kerrosta misen lisäetuna on se, että yksittäisen hiilinanonup-pumolekyylin optiset ominaisuudet, esim. kiteisyys ja virhetiheys, paranevat. Lisäksi prosessin aikana na-nonuppumolekyylit voidaan pinta-aktivoida ja nanonup-35 puniput voidaan purkaa, mikä edistää niiden disper sointia nesteisiin tai kiinteille substraateille. Epä-puhtausriskin minimoimiseksi hiilinanonuppumolekyy- 8 leissä hiilinanonuppumolekyylien kerrostamiseen käytetty substraatti voi olla eri kuin lopullinen substraatti. Hiilinanonuppumolekyylejä käsittävä verkko voidaan siirtää esisubstraatista lopulliseen sub-5 straattiin, joka voi olla osa optista komponenttia, patenttihakemuksessa FI 20075482 kuvatulla menetelmällä .

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti laite käsittää kaksi tai useampia hii-10 linanonuppumolekyylejä, jolloin kyseiset hiilinanonup- pumolekyylit on erotettu toisistaan yksittäisen hii-linanonuppumolekyylin valonsieppauspinta-alan lisäämiseksi ja/tai nanonuppumolekyylien välisen vuorovaikutuksen vähentämiseksi.

15 Laitteessa olevien hiilinanonuppumolekyylien keskimääräistä valonsieppauspinta-alaa voidaan lisätä varmistamalla, että laitteessa olevat molekyylit on erotettu toisistaan sen sijaan, että hiilinanonuppumo-lekyylit olisivat lähekkäin tai jopa kontaktissa toi-20 siinsa. Jälkimmäisessä tilanteessa hiilinanonuppumole-kyylit voivat varjostaa toisiaan siten, että niiden keskimääräinen valonsieppauspinta-ala pienenee. Eräs tapa parantaa hiilinanonuppumolekyylien erottamista on erottaa ne molekyylinipuista jo kerrostamisvaiheessa. 25 Tämä voidaan saada aikaan esim. hyödyntämällä hii- linanonuppunippujen ja yksittäisten hiilinanonuppumolekyylien välistä varauseroa. Suuremman valonsieppauspinta-alan avulla voidaan parantaa optisia prosesseja hiilinanonuppumolekyyleja käsittävässä materiaalissa. 30 Eräs toinen tapa parantaa erottamista on sitoa yksittäiset nanonuppumolekyylit yhteen liittämällä nanonup-pumolekyylin fullereeniosat tai fullereenimaiset osat toisiinsa esimerkiksi siltamolekyylien avulla, jolloin hiilinanonuppumolekyylien nippuuntuminen tai uudel-35 leennippuuntuminen ei ole yhtä todennäköisiä. Vielä eräs tapa parantaa erottamista on yksittäisten nanonuppumolekyylien sitominen matriisimateriaaliin tai 9 pintamateriaaliin liittämällä nanonuppumolekyylin ful-lereeniosat tai fullereenimaiset osat matriisimateri- aaliin esimerkiksi asianmukaisten matriisimolekyylien kuten esimerkiksi polymeerien avulla siten, että hii-5 linanonuppumolekyylien nippuuntuminen ei ole yhtä todennäköistä .

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti laitteessa hyödynnetään hiilinanonuppumole-kyylin kyllästyvää absorptiofunktiota.

10 Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti laitteessa hyödynnetään hiilinanonuppumole-kyylin käänteisesti kyllästyvää absorptiofunktiota.

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti laitteessa hyödynnetään putkimaisen hiili-15 molekyylin kyllästyvää absorptiofunktiota ja putkimaiseen hiilimolekyyliin kovalenttisesti sitoutuneen ful-lereeniosan käänteisesti kyllästyvää absorptiofunktiota .

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon 20 mukaisesti laite käsittää kaksi tai useampia toisiinsa nähden yhdensuuntaistettuja hiilinanonuppumolekyylejä, jotka mahdollistavat sähkömagneettisen säteilyn aniso-trooppisen absorption laitteeseen.

Hiilinanonuppumolekyylien asymmetrisen muodon 25 vuoksi nämä molekyylit voidaan helposti elektrostaat-tisesti tai muulla tavoin polarisoida ja kohdistaa halutulla tavalla sijoittamalla ne esim. sähkö- tai magneettikenttään. Mahdollisuus absorboivien molekyylien tarkkaan kohdistukseen mahdollistaa anisotrooppiset 30 absorptio- tai modulaatiokuviot hiilinanonuppumolekyy-lejä käsittävissä materiaaleissa. Tämä ominaisuus yhdessä hiilinanonuppumolekyylien kyllästyvien ja käänteisesti kyllästyvien absorptio-ominaisuuksien kanssa tarjoaa kiinnostavia mahdollisuuksia esim. aaltomuodon 35 muokkaussovelluksissa, joita voidaan käyttää pulssire-generaatioon optisissa tiedonsiirtoverkoissa.

10

Erään suoritusmuodon mukaisesti laitteessa hyödynnetään hiilinanonuppumolekyylien polarisaatio-funktiota .

Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon 5 mukaisesti laite käsittää yhden tai useamman vähintään osittain p-tyyppisen sähköä johtavan hiilinanonuppumo-lekyylin ja yhden tai useamman vähintään osittain n-tyyppisen sähköä johtavan hiilinanonuppumolekyylin siten, että yksi tai useampi vähintään osittain p-10 tyyppinen sähköä johtava hiilinanonuppumolekyyli on sähköisessä kontaktissa yhden tai useamman vähintään osittain n-tyyppisen sähköä johtavan hiilinanonuppumolekyylin kanssa säteilevän elektroni-aukko- rekombinaation mahdollistamiseksi.

15 Esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti laite käsittää ensimmäisen elektrodin, joka on sähköisessä kontaktissa yhden tai useamman vähintään osittain n-tyyppisen sähköä johtavan hii linanonuppumolekyylin kanssa, toisen elektrodin, joka 20 on sähköisessä kontaktissa yhden tai useamman vähintään osittain p-tyyppisen sähköä johtavan hii linanonuppumolekyylin kanssa, hilaelektrodin sekä hi-laelektrodin ja hiilinanonuppumolekyylien välissä sijaitsevan eristyskerroksen hilan eristämiseksi sähköi-25 sesti hiilinanonuppumolekyyleistä.

Keksinnön edellä kuvattuja suoritusmuotoja voidaan käyttää millaisena tahansa yhdistelmänä. Useita suoritusmuotoja voidaan yhdistää toisiinsa keksinnön lisäsuoritusmuodon muodostamiseksi. Käyttö, jota 30 keksintö koskee, voi käsittää vähintään yhden edellä kuvatun keksinnön suoritusmuodon.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Esillä olevaa keksintöä kuvataan seuraavassa 35 yksityiskohtaisesti. Kuvauksessa viitataan oheisiin kuviin, joissa 11 kuvassa 1 (tunnettua tekniikkaa) on esitetty viisi erilaista hiilinanonuppumolekyylin molekyylimal-lia, joissa putkimaiseen hiilimolekyyliin on kovalent-tisesti sitoutunut vähintään yksi fullereenimolekyyli 5 tai fullereenimainen molekyylirakenne, kuvassa 2 on esitetty kaavamaisesti esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen valo-diodi, kuvassa 3 on esitetty kaavamaisesti esillä 10 olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen laser, kuvassa 4 on esitetty kaavamaisesti esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen valoa emittoiva FET-rakenne, kuvassa 5 on esitetty kaavamaisesti esillä 15 olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen laite-j ärj estely, kuvassa 6 on esitetty kaavamaisesti eräs toinen esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen laitejärjestely, 20 kuvassa 7a on esitetty kaavamaisesti pitkit täisleikkaus esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesta puolijohdelaserista, kuvassa 7b on esitetty kaavamaisesti poikit-taisleikkaus esillä olevan keksinnön erään suoritus-25 muodon mukaisesta puolijohdelaserista, kuvassa 8 on esitetty kaavamaisesti poikkileikkaus esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesta kuitulaserista, kuvassa 9 on esitetty kaavamaisesti esillä 30 olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen rengas-laser konfiguraatio, kuvassa 10 on esitetty kaavamaisesti eräs toinen esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukainen laitejärjestely, 35 kuvassa 11 on esitetty kaavamaisesti kylläs tyvä absorptiofunktio, 12 kuvassa 12 on esitetty kaavamaisesti käänteisesti kyllästyvä absorptiofunktio, kuvassa 13 on esitetty kaavamaisesti kyllästyvän absorption ja käänteisesti kyllästyvän absorpti-5 on yhdistelmäfunktio, kuvassa 14a on esitetty kyllästyvän absorp-tiofunktion, käänteisesti kyllästyvän absorptiofunkti-on ja kyllästyvän ja käänteisesti kyllästyvän absorption yhdistelmäfunktion vaikutus optiseen pulssivir-10 taan, kuvassa 14b on esitetty, kuinka optisessa pulssivirrassa olevat kapeammat pulssit mahdollistavat suuremman pulssitiheyden, kuvassa 14c on esitetty optinen pulssise- 15 kvenssi ennen sen uudelleenmuodostamista hiilinanonup-puihin perustuvan kyllästyvän ja käänteisesti kyllästyvän absorboijan avulla ja kuvassa 14d on esitetty optinen pulssise- kvenssi hiilinanonuppuihin perustuvan kyllästyvän ja 20 käänteisesti kyllästyvän absorboijan avulla suoritetun uudelleenmuodostamisen jälkeen.

Kuvassa 1 kaavamaisesti havainnollistetut hiilinanonuppumolekyylit voidaan syntetisoida esimerkiksi hiililähteestä esim. hiilimonoksidista käyttäen 25 katalyyttiprekursoreita kuten ferroseeniä tai kuuma-lankageneraattorista muodostettuja katalyyttejä kuten esimerkiksi metallihiukkasia ja lisäaineita, jotka na-nonuppumolekyylien kasvun edistämisen lisäksi lisäävät tuotteen puhtautta. Syntetisointiprosessin yksityis-30 kohdat on esitetty julkaisussa W02007/057501 AI.

Kuvassa 2 on esitetty hiilinanonuppumolekyy-leistä tapahtuvaan valon emissioon perustuva valoemit-terirakenne. Tämä rakenne käsittää n-tyyppisen Si-alueen 1 ja p-tyyppisen Si-alueen 2. Näiden alueiden 35 välissä on eristävä alue, joka käsittää puolijohtavia hiilinanonuppumolekyylejä 3, joilla on suora energia-väli, upotettuina eristävään matriisimateriaaliin 4 13 kuten seostamattomaan Si:hin tai ohueen (paksuus 5-10 nm) piioksidikerrokseen (SiCb) · Toiminnan aikana rakenteen n-tyypin Si-puolella 1 olevaan sähköiseen kontaktiin 5 syötetään negatiivinen jännite -V/2 ja ra-5 kenteen p-tyypin Si-puolella 2 olevaan sähköiseen kontaktiin 6 syötetään positiivinen jännite V/2. Tämän avulla injektoidaan n-tyypin Si-puolelta 1 elektroneja ja p-tyypin Si -puolelta 2 aukkoja kohti eristävää aluetta. Kun aukko ja elektroni kohtaavat eristävällä 10 alueella olevan hiilinanonuppumolekyylin 3, syntyy rekombinaatio, joka tietyllä todennäköisyydellä on säteilevä .

Hiilinanonuppumolekyylin energiaväli voidaan räätälöidä säätämällä näiden molekyylien syntetisoin-15 tiin käytettyä prosessia. Hiilinanonuppumolekyylien energiaväliä voidaan esim. muuttaa funktionalisoimalla molekyylit lisäatomien avulla tai säätämällä kiraali-suutta. Hiilinanonuppumolekyyli 3, jonka energiaväli on pienempi kuin ympäröivän eristävän matriisimateri-20 aalin 4 energiaväli, voi toimia kuten kvanttipiste rajoittamalla eristävään alueeseen tunneloidut varauk-senkuljettäjat hiilinanonuppumolekyyleihin 3 valoemit-terin sisäisen kvanttihyötysuhteen parantamiseksi.

Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuo-25 dossa kuvassa 2 esitettyä rakennetta voidaan muuttaa siten, että se toimii laserina. Muutettu rakenne on esitetty kuvassa 3. Se käsittää Bragg-heijastimia kuvassa 2 esitetyn rakenteen kummallakin puolella. Bragg-heijastimet rajaavat väliinsä Fabry-Perot-30 mikroresonaattorin, jossa aktiivinen väliaine käsittää hiilinanonuppumolekyylejä valoa emittoivana materiaalina. Bragg-heijastimet voivat käsittää esim. vuorotte-levia Si- 7 ja SiC>2- 8 kerroksia, jotka muodostavat erittäin heijastavan interferenssirakenteen. Kun 35 elektronit ja aukot injektoidaan aktiiviseen väliai neeseen riittävän suurella nopeudella populaatioinver-sion aikaansaamiseksi aktiivisessa väliaineessa, la- 14 serointi alkaa. Laseroinnin aallonpituus kuvassa 3 esitetyssä rakenteessa määräytyy Fabry-Perot-resonaattorin pituuden ja valoemitterin eli hii-linanonuppumolekyylien 3 energia-aukon vuorovaikutuk-5 sen kautta. Bragg-heijastimissa olevien Si- 7 ja S1O2-8 kerrosten paksuutta on säädettävä siten, että saavutetaan riittävän suuri heijastus laserointiaallonpi-tuudella. Jotta saavutettaisiin suuri varausten injektio aktiiviseen väliaineeseen, vahvasti seostetut n-10 tyyppiset Si- 1 ja p-tyyppiset Si- 2 alueet voivat olla hyödyllisiä.

Kuvissa 2 ja 3 esitetyistä valoa emittoivista rakenteista on useita muunnelmia, jotka toimivat vastaavan periaatteen mukaisesti, n-tyypin Si- 1 ja p-15 tyypin Si- 2 alueet voidaan esim. vaihtoehtoisesti muodostaa p- ja/tai n-tyyppisten hiilinanonuppumole-kyylien verkosta, joka vastaavasti muodostaa rakenteen p- ja/tai n-tyyppisen puolen. Lisäksi kuvassa 3 esitetyssä laserrakenteessa Bragg-heijastimet voivat käsit-20 tää heijastinrakenteessa olevia hiilinanonuppumolekyy-lejä, tai Si- 7 tai S1O2- 8 kerros voidaan korvata hiilinanonuppumolekyylejä käsittävällä kerroksella.

Valoa emittoivat rakenteet (kuvassa 2 esitetty LED ja kuvassa 3 esitetty laser) voidaan valmistaa 25 kerrostamalla SiC^rta ja Si:tä CVD:n tai PECVD:n avulla piisubstraatille ja käyttämällä sopivaa lämpökäsit-telyprosessia n- tai p-tyyppiseen seostamiseen. Vaihtoehtoisesti käytettäessä nanonuppuja voidaan kerrostaa sopivasti seostettuja n- tai p-tyyppisiä nanonup-30 pumolekyyleja. Hiilinanonuppumolekyylit 3 on upotettu valoa emittoivan laitteen aktiiviseen alueeseen valmistamalla niiden päälle Si:tä tai sopivan ohut kerros eristävää materiaalia kuten esimerkiksi SiC^ita.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti 35 laite on polarisoitu valolähde. Laite on esitetty kaavamaisesti kuvassa 4. Laiterakenne muistuttaa kenttä-vaikutustransistoria (FET), ja se käsittää lähde- 10 15 ja nielu- 11 elektrodin välissä olevan hiilinanonuppu-molekyylin 9, hilaelektrodin 12, hilaeristeen 13 ja nielu- 11 ja lähde- 10 elektrodien päällä olevan kate-kerroksen 14. Syöttämällä jännite hilaelektrodiin 12 5 siten, että hilan potentiaali on lähteen ja nielun po tentiaalien välissä, saadaan aikaan samanaikainen elektronien ja aukkojen injektio hiilinanonuppumole-kyyliin 9. Tällä tavoin yksittäiseen hiilinanonuppumo-lekyyliin 9 muodostuu p-n-liitos. Kun esitetyssä lait-10 teessä olevassa hiilinanonuppumolekyylissä 9 tapahtuu elektroni-aukko-rekombinaatio, on yllättävästi havaittu polarisoituneen valon emissiota.

Kuvassa 4 esitetyn laitteen, ambipolaarisen FET:n, toiminta perustuu ohuiden Schottky-liitosten 15 muodostumiseen hiilinanonuppumolekyylin 9 kumpaankin päähän lähteen- 10 ja nielun- 11 kontaktien rajalla. Kun laite on sopivasti biasoitu edellä kuvatulla tavalla, sekä elektronit että aukot voivat tunneloitua Schottky-liitosten läpi hiilinanonuppumolekyyliin 9, 20 mistä seuraa polarisoituneen valon emissio.

Kuvassa 4 esitetty laite voidaan valmistaa esim. kerrostamalla Si02 : ta p+-Si-substraattilevylle ja dispersoimalla hiilinanonuppumolekyylejä SiCk- hilaeristeeseen 13. Ti-nielu- 11 ja lähde- 10 elektro-25 dit voidaan esim. kerrostaa PVD:n avulla ja sitten ku vioida litografisesti kontaktialueiden tuottamiseksi sopiviin paikkoihin substraatissa. Tässä vaiheessa voidaan käyttää lämpökäsittelyä Ar-atmosfäärissä esim. 900 °C:ssa hiilinanonuppumolekyylin 9 ja Ti-nielu- 11 30 ja Ti-lähde- 10 kontaktien välisen sähköisen kontaktin parantamiseksi. Rakenne voidaan kattaa ohuella SiCk-katekerroksella 14. Hiilinanonuppumolekyyli voidaan korvata kahdella tai useammalla hiilinanonuppumolekyy-lillä kuvassa 4 esitetyssä laitteessa esillä olevan 35 keksinnön lisäsuoritusmuodon muodostamiseksi.

Edellä mainittujen, hiilinanonuppumolekyylien elektroluminesenssiin perustuvien laitteiden lisäksi 16 näihin molekyyleihin voidaan lisäksi tai yksinomaan kohdistaa optinen eksitaatio erilaisten funktioiden suorittamiseksi. Seuraavaksi kuvataan näitä funktioita suorittavia keksinnön suoritusmuotoja.

5 Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuo dossa yhtä tai useampaa hiilinanonuppumolekyyliä voidaan käyttää kuvassa 5 kaavamaisesti ja geneerisesti havainnollistetussa laitejärjestelyssä. Tämä järjestely käsittää tulovalolähteen 15, sähkömagneettisen tu-10 losäteilykeilan 16, läpinäkyvästä tai puoliläpinäky- västä materiaalista 17 valmistetun, yhden tai useamman hiilinanonuppumolekyylin 18 käsittävän laatan 17, kaksi sähkömagneettisen säteilyn lähtökeilaa (läpäisykei-lan 19 ja emissiokeilan 20) sekä ilmaisinlaitteen 21. 15 Tässä yhteydessä läpinäkyvyydellä tarkoitetaan lä pinäkyvyyttä kuvassa 5 esitettyjen sähkömagneettisen säteilyn keilojen aallonpituuksilla. Tulovalolähde 15 voi olla esim. laser- tai laajakaistavalolähde, ja se voidaan moduloida. Ilmaisinlaite 21 voi olla esim. va-20 lodiodi tai muu valoherkkä laite, joka kykenee ilmaisemaan säteilyn kahden lähtökeilan 19, 20 aallonpituudella .

Kuvassa 5 esitetty läpäisykeila 19 on se osa tulokeilaa 16, joka läpäisee hiilinanonuppumolekyylit 25 18 käsittävän laatan 17 olennaisesti ilman vuorovaiku tusta laatan 17 kanssa. Emissiokeila 20 on sähkömagneettinen säteilykeila, joka lähtee laatasta 17 sen seurauksena, että tulokeila 16 on vuorovaikutuksessa laatassa 17 olevien hiilinanonuppumolekyylien 18 kans-30 sa.

Laattaan 17 upotetut hiilinanonuppumolekyylit 18 voivat absorboida sähkömagneettista säteilyä tulo-keilan 16 aallonpituudella tai sen usealla aallonpituudella. Tämä absorptio voi vaihdella riippuen useis-35 ta parametreistä, kuten tulokeilan 16 suunnasta, polarisaatiosta, intensiteetistä ja aallonpituudesta tai aallonpituudella olevista spektriominaisuuksista. Näi- 17 den riippuvuussuhteiden avulla laatta 17 voi suorittaa erilaisia funktioita, joita voidaan hyödyntää esim. tiedonsiirto- ja mittausteknologiassa. On huomattava, että kuvassa 5 esitetty laatta 17 voi olla geometri-5 seita muodoltaan minkälainen tahansa.

Kun sähkömagneettinen säteily absorboituu hiilinanonuppumolekyyliin tai -molekyyleihin 18, nämä molekyyli eksitoituvat, kun molekyylin elektronit siirtyvät ylempiin energiatiloihin. Kun samassa mole-10 kyylissa tapahtuu relaksaatio, elektronit siirtyvät takaisin alempiin energiatiloihin, ja energia voidaan emittoida hiilinanonuppumolekyyleille 18 ominaisella yhdellä tai useammalla aallonpituudella. On yllättävästi havaittu, että hiilinanonuppumolekyyleissä 18 15 esiintyy epälineaarista fotoluminesenssia, jonka avul la voidaan suorittaa esimerkiksi loogisia operaatioita, optisia kytkentöjä ja modulointia kokonaan optisella alueella.

Epälineaarisen fotoluminesenssin seurauksena 20 kuvassa 5 esitetystä laatasta 17 emittoidun luminoivan valon intensiteetti vaihtelee laatassa 17 olevien hii-linanonuppumolekyylien 18 eksitointiin käytetyn sähkömagneettisen säteilyn eli tulokeilan 16 intensiteetin epälineaarisena funktiona. Siten kuvassa 5 esitetyssä 25 järjestelyssä emissiosäteen 20 lähtöintensiteettiä voidaan dynaamisesti ohjata tulokeilan 16 intensiteetin funktiona. Signaalin käsittely ja modulointi voidaan siten suorittaa puhtaasti optisessa komponentissa tavanomaisemman sähköoptisen modulaattorin sijasta. 30 Tämä mahdollistaa puhtaasti optisen kytkennän, signaa linkäsittelyn ja lopulta loogiset operaatiot optiseen signaalinkäsittelyyn liittyvillä suurilla kytkentäno-peuksilla.

Valoemissiossa laatasta 17 voidaan havaita 35 äkillinen kasvu, kun tulokeilan 16 intensiteetti kas vaa tietyn kynnysarvon yläpuolelle. Siten kytkentäoh-jausparametrina käytetään tulokeilan 16 relevanttien 18 spektrikomponenttien tehoa Pj_n. Tämän tehon ohjaus voidaan toteuttaa esim. moduloimalla tulovalolähdettä 15 sähköoptisesti. Lopullinen emissiokeilan 20 intensiteetti on yhtälön Ρ0=σΡιη mukainen.

5 Yksi tai useampi hiilinanonuppumolekyyli 18, jossa edellä kuvatut epälineaariset fotoluminesens-siominaisuudet esiintyvät voidaan syntetisoida esimerkiksi edellä mainituilla, julkaisussa W02007/057501 AI esitetyillä menetelmillä. Kuvassa 5 esitetyn laatan 17 10 valmistamiseksi kyseiset yksi tai useampi hii linanonuppumolekyyli 18 kerrostetaan läpinäkyvälle tai puoliläpinäkyvälle substraatille, joka koostuu esim. kvartsista, borosilikaatista tai pehmeästä lasista. Tämä läpinäkyvä substraatti voidaan sijoittaa sen re-15 aktorin sisään tai jälkeen, jossa hiilinanonuppumole- kyylit 18 on syntetisoitu, hiilinanonuppumolekyylien 18 kerrostamiseksi substraatille suoraan kaasufaasis-ta. Vaihtoehtoisesti hiilinanonuppumolekyylit voidaan ensin kerrostaa esisubstraatille ja hiilinanonuppumo-20 lekyylejä käsittävä verkko voidaan sitten siirtää esi- substraatilta lopulliselle substraatille, joka voi olla esim. edellä mainittu läpinäkyvä tai puoliläpinäky-vä substraatti, patenttihakemuksessa FI 20075482 kuvatun menetelmän avulla.

25 Epälineaarisen vahvistuksen kynnysarvo riip puu hiilinanonuppumolekyylien syntetisointiin käytetyistä käsittelyparametreista. Kriittisimpiä kynnysarvoon vaikuttavia parametreja ovat syntetisointilämpö-tila, joka voi olla esim. 900 °C, ja lisäreagenttien 30 kuten esimerkiksi Η2<3:η ja CC>2:n pitoisuus. Nanonuppu- molekyylin putkiosassa olevat hiiliatomit pitäisi liittää toisiinsa sp*2-sidoksilla heksagonaalisten renkaiden muodostamiseksi. Läpinäkyvään substraattiin kerrostettu hiilinanonuppumolekyyli tai hiilinanonup-35 pumolekyylien 18 kerros voidaan upottaa läpinäkyvän rakenteen sisään (kuten esimerkiksi laattaan 17) esim. pinnoittamalla kyseiset yksi tai useampia hii- 19 linanonuppumolekyylejä 18 läpinäkyvällä tai puolilä-pinäkyvällä kalvolla.

Toinen epälineaarinen funktio, josta käytetään nimitystä kyllästyvä absorptio, voidaan toteuttaa 5 kuvassa 5 esitetyn yksinkertaisen järjestelyn avulla. Tämän funktion avulla voidaan esim. muokata tai moduloida läpäisykeilan 19 aaltomuotoa, mikä voi olla käyttökelpoista esim. optisissa tiedonsiirtoverkoissa tapahtuvassa pulssiregeneraatiossa tai laserkomponen-10 teissä lyhyiden laserpulssien muodostamisessa. Kun laatassa 17 olevat hiilinanonuppumolekyylit 18 toimivat kyllästyvinä absorboijina, ne absorboivat tulokei-lan 16 sähkömagneettista säteilyä tulokeilan 16 intensiteetin funktiona. Kun tulokeilan 16 intensiteetti on 15 kyllästymiskynnyksen alapuolella, absorptio on suurta ja erittäin pieni osa tulosädekeilan 16 intensiteetistä läpäisee laatan 17. Kun intensiteetti on kynnysarvoa suurempi, hiilinanonuppumolekyylit 18 eivät enää kykene absorboimaan tulokeilan säteilyä ja se osa in-20 tensiteetistä, joka on kyllästymiskynnystä (jota kut sutaan myös valkaisukynnykseksi) suurempi läpäisee laatan 17. Kyllästyvää absorptiofunktiota on havainnollistettu kuvassa 11.

Kyllästyvä absorptio voidaan toteuttaa hii-25 linanonuppumolekyylien avulla suoraan tai sitä voidaan muuttaa tai parantaa esim. kiinnittämällä kromoforeja putkiosassa olevaa reaktiiviseen kohtaan, putkiosan päihin tai hiilinanonuppumolekyylin fullereeniosaan (tai fullereenimaiseen osaan). Näiden kromoforien ak-30 tiivisuus epälineaarisessa optiikassa perustuu niiden hyperpolarisoitavuuteen. Erityisesti fenosafraniini (PSF) on molekyyli, jonka avulla voidaan muodostaa di-poleja hiilinanonuppumolekyylejä käsittävään optisesti aktiiviseen materiaaliin. Näiden dipolien muodostami-35 nen parantaa merkittävästi optisesti aktiivisen mate riaalin epälineaarisia ominaisuuksia. Koska hiilinanonuppumolekyylit ovat fyysisesti ja kemiallisesti 20 erittäin vakaita molekyylejä, epälineaariset optiset materiaalit, jotka saadaan funktionalisoimalla hii-linanonuput kromoforien avulla, mahdollistavat voimakkaiden optisten kenttien käytön aiheuttamatta optisen 5 materiaalin degradaation riskiä.

Eräs sovellus, jossa käytetään hiilinanonup-pumolekyylien kyllästyvään absorptiofunktioon perustuvaa kyllästyvää absorbointilaitetta, on kyllästyvä absorboi japeili. Tällaiset peilit käsittävät kyllästyvän 10 absorptiofunktion suorittavan laatan (kuten esimerkiksi laatan 17) tai kerroksen takana olevan heijastavan pinnan. Kyllästyviä absorboijapeilejä voidaan hyödyntää esim. lasereissa kaviteettipeileinä ultralyhyiden pulssien muodostamiseksi. Hiilinanonuppumolekyyleihin 15 perustuva kyllästyvä absorboijapeili voidaan valmistaa esim. kerrostamalla suoraan kaasufaasista, siirtoker-rostamalla esisubstraatilta tai spin-pinnoittamalla syntetisoidut hiilinanonuppumolekyylit matriisimateri-aalissa (esim. polymeerissä) heijastavalle pinnalle.

20 Hiilinanonuppumolekyyleissä esiintyy epäline aarisia kyllästyviä absorptio-ominaisuuksia myös yksinään ilman näitä epälineaarisuuksia edistäviä kromofo-riliitännäisiä. Epälineaarisesti absorboivat hiilinanonuppumolekyylit, joissa joko on tai ei ole kro-25 moforiliitännäisiä, voidaan sisällyttää geeliin tai optiseen liimaan nanokomposiittimateriaalin muodostamiseksi. Tässä komposiitissa oleva matriisimateriaali (eli geeli tai liima) voidaan valita siten, että sillä on tiettyjä sovelluskohtaisia optisia ominaisuuksia. 30 Esim. matriisin taitekerroin voidaan valita siten, et tä se sovittaa optisesti yhteen optisen kuidun kaksi osaa. Tässä tapauksessa kuvassa 5 esitetty laatta 17 vastaa nanokomposiittikappaletta, joka voi olla geometriselta muodoltaan minkälainen tahansa. Tämä kappa-35 le voi liittää yhteen väliaineen, jossa tulokeila 16 etenee, ja väliaineen, jossa läpäisykeila 19 ja emis-siokeila 20 etenevät. Vaihtoehtoisesti hiilinanonuppu- 21 molekyylit voidaan yksinkertaisesti kerrostaa yhteen tai useampaan väliaineessa olevaan loveen tai katkoon, kuten kuvassa 6 on kaavamaisesti esitetty. Lovi voi olla osittainen (kuvassa 6 esitetyllä tavalla) tai 5 täydellinen. Kuvassa 6 hiilinanonuppumolekyylejä 18 käsittävä nanokomposiittikappale 17 on kerrostettu kiinteässä väliaineessa 28 olevaan koloon. Kiinteä väliaine voi olla esimerkiksi laserissa tai optisessa kuidussa oleva vahvistava väliaine.

10 Edellä kuvattu optinen nanokomposiitti voi daan valmistaa esim. sulkemalla syntetisoituja hiilinanonuppumolekyyle j ä matriisin sisään. Sitten liuos esim. sonikoidaan hiilinanonuppususpension muodostamiseksi matriisiin, joka voi olla esim. nestemäinen op-15 tinen liitosgeeli tai optinen liima. Sitten suspensio sekoitetaan esim. ultrasentrifugoinnin avulla. Vaihtoehtoisesti nanokomposiitti voidaan tuottaa esimerkiksi patenttihakemuksessa FI 20075482 kuvatulla menetelmällä, jossa nanonuput kerrostetaan ensin esisubstraatil-20 le ja sitten siirretään ja impregnoidaan toisiosubst- raattiin.

Hiilinanonuppumolekyyleihin perustuvia kyl-lästyvästi absorboivia kalvoja voidaan myös käyttää passiiviseen moodilukitukseen esim. pulssitetuissa 25 kuitulasereissa, pulssitetuissa aaltojohdelasereissa tai pulssitetuissa rengaslasereissa. Näissä laitteissa hiilinanonuppuihin perustuvia kyllästyviä absorboijia käytetään laserointimoodien passiiviseen modulointiin laserkaviteetin sisällä ultralyhyiden laserpulssien 30 muodostamiseksi. Kyllästyvä absorboija voidaan sijoit taa optisen kaviteetin sisään, jolloin se toimii lä-päisymoodissa, tai optisen kaviteetin ulkopuolelle, jolloin se toimii laserointimoodien katoavan aallon kanssa vuorovaikutuksessa. Jälkimmäisessä tapauksessa 35 vuorovaikutus katoavan aallon kanssa voidaan saada ai kaan esim. pinnoittamalla viistetty tai ei-viistetty kuitulaser hiilinanonuppumolekyylejä käsittävällä kai- 22 volla tai kerrostamalla hiilinanonuppumolekyylejä käsittävä kerros kanavan tai puolijohdelaserin tasomaisen aaltojohteen päälle. Edellä mainituissa pulssi-laserlaitteissa käytetään hyväksi hiilinanonuppumole-5 kyylien nopeaa elpymisaikaa ja erittäin suurta vakautta ultralyhyiden laserpulssien muodostamiseksi esim. femtosekuntialueella erittäin luotettavasti.

Kuvassa 7a esitetty pitkittäisleikkaus ja kuvassa 7b esitetty poikittaisleikkaus antavat kaavamai-10 sen esimerkin passiivisesti moodilukitusta laserdiodi-rakenteesta, joka perustuu kyllästyvään absorboijaan, jossa hiilinanonuppumolekyylit vuorovaikuttavat katoavan aallon kanssa. Rakenne käsittää hiilinanonuppumo-lekyylejä 29, jotka on kerrostettu tasomaisen aalto-15 johteen päälle tavanomaisen puolijohdelaserin aktiivisen alueen 30 ulkopuolelle. Laite käsittää lisäksi n-tyyppisen substraatin 31 (esim. n-GaAs) , johon aktiivisen alueen 30 käsittävät puolijohdekalvot on kerrostettu. Aktiivinen alue 30 voidaan tavanomaisesti val-20 mistaa esim. seostetuista III-V-puolijohteista kuten esimerkiksi n- ja p-tyyppisestä GaAs:sta ja AlGaAs:sta esim. MOCVD-reaktorissa ja laitteen aktiivinen alue 30 (vahvistusväliaine) voi käsittää useita kvanttikaivo-ja. n-tyyppiset 32 ja p-tyyppiset 33 sähköiset kontak-25 tit ovat myös näkyvissä kuvissa 7a ja 7b. Laserkavi-teetin määrittävät pitkittäissuunnassa lasersirun lohkaistut fasetit 34, jotka toimivat kaviteettipeileinä. Poikittaissuunnassa varauksenkuljettäjien injektiota voidaan rajoittaa seostamalla aktiivinen alue 30 sopi-30 valla tavalla eristävien varauksenkuljettäjia ohjaavien alueiden 35 valmistamiseksi.

Kun kuvissa 7a ja 7b esitetyn laitteen aktiivisilla alueilla 30 laserointimoodit ovat syntyneet, moodit etenevät lohkaistujen fasettien 34 rajaamassa 35 optisessa kaviteetissa ja osa moodeihin konsentroitu-neesta optisesta tehojakaumasta, katoava aalto, peittää hiilinanonuppumolekyylit 29. Hiilinanonuppumole- 23 kyylien kyllästyvä absorptio 29 moduloi passiivisesti lasermoodien optista tehoa, mikä johtaa laserin moodi-lukit tumi seen .

Kuvassa 8 on esitetty kaavamaisesti, kuinka 5 hiilinanonuppumolekyylit 36 voidaan sijoittaa moodilu-kitun kuitulaserin kaviteetin 37 sisään, jolloin ne toimivat kyllästyvänä absorboijana läpäisymoodissa. Kuvassa 8 esitetyt hiilinanonuppumolekyylit 36 on sijoitettu kaviteetin 37 päähän lähelle yhtä laserkavi-10 teetin 37 pituuden määrittävistä Bragg-hiloista. Tässä geometriassa laserkaviteetissa ohjattavat optiset moodit moduloidaan kyllästyvän absorption avulla niiden kulkiessa hiilinanonuppumolekyylejä 36 käsittävän alueen läpi. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa hii-15 linanonuppumolekyylit voidaan myös upottaa osaksi laserissa olevaa kaviteettipeiliä kyllästyvän absorp-tiofunktion suorittamiseksi moodilukitusta varten.

Kuvassa 9 on esitetty kaavamaisesti, kuinka hiilinanonuppumolekyylejä voidaan hyödyntää rengas-20 laserkonfiguraatiossa olevassa kyllästyvässä absorboi-jassa moodilukituksen aikaansaamiseksi. Konfiguraatio käsittää kyllästyvästä absorboivan elementin kuten hiilinanonuppumolekyylejä 18 käsittävän laatan 17, joka on sopivalla tavalla liitetty optiseen kuiturenkaa-25 seen 39 laatan tulo- ja lähtöpuolella esimerkiksi optisten haaroittimien avulla. Lisäksi konfiguraatio käsittää 50:50-yhdistimen 40, ensimmäisen optisen erottimen 41, toisen optisen erottimen 42 ja erbiumseoste-tun kuituvahvistimen (EDFA) 43. EDFA:ta 43 pumpataan 30 optisesti pumppulaserin (ei esitetty) avulla.

Kuvassa 9 esitetyssä moodilukitussa rengas-laserrakenteessa EDFA 43 toimii vahvistusväliaineena, ensimmäinen optinen erotin 41 estää valon etenemisen takaisinpäin (vastapäivään) renkaassa 39 ja toinen op-35 tinen erotin 42 estää valon takaisinpäin etenemisen lähtötiellä 44. 50:50-yhdistin yhdistää puolet ren kaassa 39 etenevän valon intensiteetistä lähtötielle 24 44 ja toisen puolen takaisin EDFA:han 43. Kuvassa 9 esitetyn rengaslaserin tukemien laserointimoodien aallonpituudet määräytyvät näiden moodien renkaassa 39 kulkevan etenemistien optisen pituuden mukaisesti. Tu-5 ettujen aallonpituuksien on oltava sellaisia, että saadaan aikaan valon konstruktiivinen interferenssi kullakin kuiturenkaan 39 ympäri etenevällä aallolla. Tämä mahdollistaa valon stimuloidun emission vastaaviin moodeihin EDFA:ssa 43. Kun kyllästyvästä absor-10 boivia hiilinanonuppumolekyylejä 18 käsittävä laatta 17 sijoitetaan rengaskaviteetin sisään kuvassa 9 esitetyllä tavalla, laatan 17 suorittama kyllästyvä absorptio moduloi laserointimoodeja, mikä johtaa rengas-laserin passiiviseen moodilukitukseen.

15 Hiilinanonuppumolekyylit, joilla on kyllästy vät absorptio-ominaisuudet, voidaan syntetisoida julkaisussa W02007/057501 AI esitetyillä menetelmillä. Kromoforien, esim. PSF:ien kiinnittämiseksi näihin mo-lekyyleihin hiilinanonuppumolekyylit voidaan happokä-20 sitellä esim. H2SO4/HNO3:11a karboksyyliryhmien muodos tamiseksi hiilinanonuppumolekyylien putki- ja/tai ful-lereeniosaan. Sitten PSF-molekyylejä voidaan kiinnittää näihin karboksyyliryhmiin asettamalla karboksy-loidut hiilinanonuput PSF:ää sisältävään deionisoituun 25 veteen.

Erään toisen suoritusmuodon mukainen laite-järjestely on esitetty kuvassa 10. Tämä järjestely käsittää epälineaarisesti absorboivia hiilinanonuppumolekyyle jä 23 käsittävän kerroksen 22 kahden peilin, 30 takapeilin 24 ja etupeilin 25, välissä. Interferomet- risen rakenteen avulla voidaan voimistaa tulovalon 26 vuorovaikutusta hiilinanonuppumolekyylien 23 kanssa. Nanonuppukerroksen takana (tulevan valon 26 puolelta katsottuna) olevan peilin, takapeilin 24, heijastavuus 35 on erittäin suuri siten, että tuleva valo 26 ei pääse pakenemaan rakenteesta sen takapuolelta. Kun valo törmää rakenteeseen, se tunkeutuu vähemmän heijastavan 25 etupeilin 25 läpi ja heijastuu useita kertoja kahden peilin 24, 25 välissä, ennen kuin se poistuu raken teesta etupeilin 25 puolelta. Hiilinanonuppumolekyyle-jä 23 käsittävän kerroksen 22 kunkin läpikulun aikana 5 osa tulevasta valosta 26 on vuorovaikutuksessa na-nonuppukerroksen 22 kanssa, mikä lisää vuorovaikutuksen kokonaisvolyymiä. Tämäntyyppisessä interferomet-rissä esiintyy lisäksi spektrivalikoivuutta, koska kahden peilin 24, 25 välinen laserkaviteetti tukee 10 vain tiettyjä aallonpituuksia kaviteetin pituuden mukaisesti. Kuvassa 10 esitetty laitejärjestely käsittää lisäksi sähköisiä kontakteja 27 siten, että jännite V voidaan syöttää hiilinanonuppumolekyylejä 23 käsittävän kerroksen 22 yli. Tämän jännitteen V avulla voi-15 daan esim. sähköisesti moduloida kerroksen 22 optisia ominaisuuksia.

Jotta kuvassa 5 esitetty laatta 17 tai kuvassa 10 esitetty kerros 22 voisi tehokkaasti toimia epälineaarisena optisena komponenttina, laatan 17 tai 20 kerroksen 22 valoa absorboiva tilavuus tulisi maksimoida. Tätä varten hiilinanonuppumolekyylien keskimääräinen valonsieppauspinta-ala yhtä hiilinanonuppumole-kyyliä kohti tulisi maksimoida. Keskimääräistä valon-sieppauspinta-alaa voidaan lisätä varmistamalla, että 25 laatassa 17 tai kerroksessa 22 olevat molekyylit on erotettu toisistaan. Eräs tapa parantaa hiilinanonuppumolekyylien erottamista on erottaa ne molekyy-linipuista jo kerrostamisvaiheessa. Tämä voidaan saada aikaan esim. hyödyntämällä hiilinanonuppunippujen ja 30 yksittäisten hiilinanonuppumolekyylien välistä va- rauseroa. Suuremman valonsieppauspinta-alan ansiosta voidaan optisia prosesseja tehostaa hiilinanonuppumo-lekyylejä käsittävässä materiaalissa.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti 35 laitteessa hyödynnetään hiilinanonuppumolekyylin kään teisesti kyllästyvää absorptiofunktiota. Esim. kuvassa 5 esitetyssä tapauksessa käänteisesti kyllästyvä ab- 26 sorptio tarkoittaa, että tulokeilan 16 absorptio kasvaa tulokeilan 16 intensiteetin funktiona. Siten hii-linanonuppumolekyylejä 18 tai hiilinanonuppumolekyyle-jä käsittävää materiaalikappaletta kuten esimerkiksi 5 kuvassa 5 esitettyä laattaa 17 voidaan käyttää optise na rajoittimena suojalaitteissa. Näitä laitteita voidaan soveltaa optisissa antureissa ja silmiensuoja-laitteistoissa. Käänteisesti kyllästyvää absorp-tiofunktiota on havainnollistettu kuvassa 12. On yl-10 lättäen havaittu, että hiilinanonuppumolekyylin fulle- reeniosa toimii käänteisesti kyllästyvänä absorboija-na. Erityisesti on havaittu, että fullereenimainen rakenne tai fullereeni, esim. buckminsterfullereeni Ceo, on tehokas käänteisesti kyllästyvä absorboija hii-15 linanonuppumolekyylissä. Lisäksi, koska hiilinanonup pumolekyylin putkiosassa itsessään tai kromoforeilla suoritettavan funktionalisoinnin avulla esiintyy edellä kuvattuja kyllästyviä absorptio-ominaispiirteitä, hiilinanonuppumolekyylit tarjoavat poikkeuksellisen 20 alustan anisotrooppisesti toimiville optisille lait teille tai optoelektroniikkalaitteille.

Lisäksi nanonuppumolekyylin fullereeniosien käänteisesti kyllästyvää absorptiofunktiota voidaan käyttää yhdessä kyllästyvän absorptiofunktion kanssa 25 rajoittamaan hiilinanonuppumolekyylejä käsittävän alu een läpäisevän sähkömagneettisen säteilyn intensiteettiä missä tahansa edellä mainituissa keksinnön suoritusmuodoissa. Säätämällä fullereeniosien pitoisuutta nanonupuissa voidaan säätää kääntäen kyllästyvää ab-30 sorptiovaikutusta. Tämän funktion avulla voidaan esi merkiksi rajoittaa laitteen lähtöintensiteettiä tai suojata osia laitteesta vahingoittumiselta liiallisen sähkömagneettisen energian takia.

Koska hiilinanonuppumolekyyleissä esiintyy 35 sekä kyllästyvän absorption (nanonuppumolekyylin put- kiosa) että käänteisesti kyllästyvän absorption (nanonuppumolekyylin fullereeniosa) ominaisuuksia, näiden 27 molekyylien avulla voidaan helposti muodostaa kuvassa 13 esitetty otto-antosuhde, jossa yhdistyvät kyllästyvä absorptiofunktio ja käänteisesti kyllästyvä absorp-tiofunktio. Tämä suhde voidaan havaita esim. kuvassa 5 5 esitetyssä laitejärjestelyssä tulokeilan 16 ja lä-päisykeilan 19 välillä. Tämäntyyppistä monipuolista tulo-lähtöfunktiota voidaan käyttää tehokkaasti esim. optisissa signaalinkäsittely-, pulssiregeneraatio-, aaltomuodon muokkaus- ja optisissa kytkentäsovelluk-10 sissa.

Kuten kuvassa 14a on esitetty, käänteisesti kyllästyvä absorptiofunktio yhdistettynä kyllästyvään absorptiofunktioon mahdollistaa sähkömagneettisen pulssin muokkauksen. Kuva 14a havainnollistaa, kuinka 15 alkuperäistä pulssisekvenssiä 45 muutetaan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti yksinomaan kyllästyvän absorptiofunktion avulla 46, yksinomaan käänteisesti kyllästyvän absorptiofunktion avulla 47 ja kyllästyvän ja käänteisesti kyllästyvän absorption yhdistelmäfunk-20 tion avulla 48 esimerkiksi sellaisen sakara- aaltomaisemman pulssin tuottamiseksi, jolla on lyhyemmät nousu- ja laskuajät, leveistä, huonosti muodostuneista alkuperäisistä pulssisekvensseistä 45, joilla on pidemmät nousu- ja laskuajät. Tällainen muokattu 25 pulssi on kapeampi ja on helpompi eristää ilmaisin- laitteessa, jolloin voidaan lisätä pulssitiheyttä ja optisen tietovirran kaistanleveyttä esimerkiksi optisessa kuidussa. Parannettu pulssierottelu on esitetty kuvissa 14c ja 14d pulsseina ennen kuvatulla menetel-30 mällä suoritettua uudelleenmuodostusta (kuva 14c) ja sen jälkeen (Kuva 14d). Kyky lisätä pulssitiheyttä kapeampien pulssien takia on ilmeinen kuvan 14b perusteella; kuvassa havainnollistetaan neljää erilaista pulssisekvenssiä erilaisin katkoviivoin. Näissä puls-35 sisekvensseissä erilliset pulssit voidaan eristää hel posti.

28 Säätelemällä esimerkiksi hiilinanonuppumole-kyylien fullereeniosien pitoisuutta, nanonuppumolekyy-lin halkaisijaa sekä matriisissa olevien nanonuppumo-lekyylien funktionalisoinnin tyyppiä ja määrää esim.

5 kromoforien avulla voidaan määrittää hiilinanonuppujen sähkömagneettiseen säteilyyn superponoima modulointi ja määrittää siten tulokseksi saatava pulssin muoto ja intensiteetti.

Hiilinanonuppumolekyylien asymmetrisestä muo-10 dosta johtuvan polarisaation avulla hiilinanonuppumo- lekyylit voidaan kohdistaa tiettyyn suuntaan kohdistamalla niihin ulkoinen sähkökenttä. Koska tämä kohdistus määrää hiilinanonuppumolekyylin käänteisesti kyllästyvästä absorboivan fullereeniosan ja kyllästyvästi 15 absorboivan putkiosan suhteellisen orientoitumisen, on mahdollista suunnitella laitteita, joissa tulokeilan (esim. kuvassa 5 esitetyn tulokeilan 16) aiheuttamaan sähkömagneettiseen säteilyyn kohdistuu kyllästyvää tai käänteisesti kyllästyvää absorptiota sen mukaisesti, 20 missä kulmassa tulokeila osuu hiilinanonuppumolekyy- leihin.

Alan ammattilaiselle on selvää, ettei keksintöä ole rajoitettu edellä kuvattuihin esimerkkeihin vaan suoritusmuodot voivat vaihdella vapaasti patent-25 tivaatimusten asettamissa rajoissa.

Claims (9)

1. Hiilinanonuppumolekyylin (3, 9, 18, 23, 29, 36), jossa yksi- tai moniseinämäisen putkimaisen hiilimolekyylin sivuun on kovalenttisesti sitoutunut 5 vähintään yksi fullereeniosa, käyttö sähkömagneettisen säteilyn kanssa vuorovaikuttamiseksi laitteessa, joka vuorovaikutus sähkömagneettisen säteilyn kanssa tapahtuu hiilinanonuppumolekyylin relaksaation ja/tai eksi-taation avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö tunnettu siitä, että hiilinanonuppumolekyyliin on kiinnitetty kromofori sähkömagneettisen säteilyn absorption epälineaarisuuden lisäämiseksi nanonuppumo-lekyyliin.

3. Jonkin patenttivaatimuksista 1-2 mukai nen käyttö tunnettu siitä, että hiilinanonuppumolekyylin fullereeniosaan on kiinnitetty kromofori sähkömagneettisen säteilyn absorption epälineaarisuuden lisäämiseksi nanonuppumolekyyliin.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai nen käyttö tunnettu siitä, että laite käsittää kaksi tai useampia hiilinanonuppumolekyylejä, jolloin kyseiset hiilinanonuppumolekyylit on erotettu toisistaan yksittäisen hiilinanonuppumolekyylin valonsiep- 25 pauspinta-alan lisäämiseksi.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen käyttö tunnettu siitä, että hiilinanonup-pumolekyyliä käytetään sähkömagneettisen säteilyn ab-sorboimiseksi kyllästyvästä.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai nen käyttö tunnettu siitä, että hiilinanonup-pumolekyyliä käytetään sähkömagneettisen säteilyn ab-sorboimiseksi kääntäen kyllästyvästä.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai- 35 nen käyttö tunnettu siitä, että putkimaista hiilimolekyyliä käytetään absorboimaan sähkömagneettista säteilyä kyllästyvästä ja putkimaiseen hiilimo lekyyliin kovalenttisesti sitoutunutta fullereeniosaa käytetään absorboimaan sähkömagneettista säteilyä kääntäen kyllästyvästä.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukai-5 nen käyttö tunnettu siitä, että kaksi tai useampia toisiinsa nähden yhdensuuntaistettuja hii-linanonuppumolekyylejä käytetään anisotrooppisesti absorboimaan sähkömagneettista säteilyä laitteessa.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukai-10 nen käyttö tunnettu siitä, että hiilinanonup- pumolekyyliä käytetään polarisoituun optiseen emissioon .