一种纳米半导体光折变薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米半导体光折变薄膜材料及其制备方法，纳米半导体光折变薄膜材料，包括金属薄膜和铅的硫属化合物薄膜，所述金属薄膜的一面与铅的硫属化合物薄膜的一面接触，其中，所述金属薄膜的金属的功函数大于等于所述铅的硫属化合物薄膜半导体的电子亲合能，或所述金属薄膜与所述铅的硫属化合物薄膜的接触界面形成肖特基结。制备方法，在衬底上生长一层透明的金属薄膜，然后在所述金属薄膜上生长一层铅的硫属化合物薄膜半导体材料。本发明专利技术采用金属薄膜与铅的硫属化合物薄膜接合，并在用金属薄膜与铅的硫属化合物薄膜的界面形成肖特基结，从而在薄膜内形成内建电场，对光生载流子移动和再分布，不需外加电场，完全达到光折变材料应用目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米半导体光折变薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
光折变效应(photorefractiveeffect)是指一种特殊的光感生折射率变化现象。入射光将束缚在某些晶体或有机物里的杂质或缺陷形成的浅阱中的载流子(电子或空穴)激发出来，如果光强是不均匀的，光激发载流子将通过扩散等过程进行迁移，结果是在介质里出现光感生电场。光感生电场再通过介质的电光效应产生折射率变化。但折射率变化不是即时发生，而需要一定的建立时间；即使是弱光，只要照射时间足够长也可产生明显的光折变效应；只有在介质里空间分布不均匀的光场中才能产生光折变效应，而一旦出现光折变，可在黑暗里保持很长时间。具有光折变效应的材料为光折变材料，由于其具有在光照射下具有光致折射率改变的性质，因而可以用于全息记录、相位调制、集成光学等领域。目前的光折变材料主要为晶体材料和有机薄膜材料。晶体包括无机晶体，如钛矿结构的钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾(KNbO3)和钽铌酸钾(KTN)等。钨青铜结构光折变晶体有铌酸钡钠(BNN)、铌酸锶钡(SBN)和钾钠铌酸锶钡(KNSBN)等；半导体晶体，如GaAs:EL2、InP:Fe、CdTe:V等；有机晶体和薄膜，如PVK、COANP:TCNQ等。但是，现有光折变材料存在的缺点有：一、晶体生长周期慢、工艺复杂，应用尺寸大、加工麻烦、耗费材料多；二、需要外加电场对光生载流子进行再分布，从而使折射率发生改变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米半导体光折变薄膜材料及其制备方法，以克服现有技术的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：铅的硫属化合物薄膜在光折变材料中的应用。本专利技术通过研究首次发现铅的硫属化合物薄膜具有微弱的光折变效应。本专利技术中所述的铅的硫属化合物为硫系元素与铅元素的化合物，其化学式为PbA，其中，A为硫系元素，如硫、硒、碲等。优选的，所述铅的硫属化合物薄膜为窄带隙半导体薄膜。本专利技术中所述的带隙为导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。带隙超过3eV的被认为是宽带隙半导体，例如GaN、SiN和ZnO，带隙小于3eV的就是窄带隙。优选的，所述铅的硫属化合物薄膜的厚度为100-300nm。优选的，所述铅的硫属化合物为硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)或碲化铅(PbTe)。一种纳米半导体光折变薄膜材料，包括金属薄膜和铅的硫属化合物薄膜，所述金属薄膜的一面与铅的硫属化合物薄膜的一面接触，其中，所述金属薄膜的金属的功函数大于等于所述铅的硫属化合物薄膜半导体的电子亲合能。一种纳米半导体光折变薄膜材料，包括金属薄膜和铅的硫属化合物薄膜，所述金属薄膜的一面与铅的硫属化合物薄膜的一面接触，其中，所述金属薄膜与所述铅的硫属化合物薄膜的接触界面形成肖特基结。本专利技术通过铅的硫属化合物薄膜与金属薄膜结合在接触界面形成肖特基结，能增强光折变效应。铅的硫属化合物薄膜为n型半导体材料，当金属的功函数大于等于n型半导体的亲合能时，在两者界面形成肖特基结，即内建电场。用符合这种要求的金属薄膜和半导体薄膜制备的复合结构，在光照下由半导体薄膜材料吸收光子能量产生电子空穴，这些光生载流子在内建电场作用下重新分布，从而带来半导体薄膜材料折射率的改变。优选的，还包括衬底，所述金属薄膜的另一面与衬底接触。进一步优选的，所述衬底为BaF2衬底。BaF2衬底对光吸收少，透光波长范围宽。透光波长范围0.2-25微米，透光率92％以上。优选的，所述铅的硫属化合物薄膜为窄带隙半导体薄膜。优选的，所述铅的硫属化合物薄膜的厚度为100-300nm。优选的，所述铅的硫属化合物为硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)或碲化铅(PbTe)。优选的，所述金属薄膜的厚度为10-30nm。优选的，所述金属薄膜的材质为金、银、铜、铁、铝、钴、镍、锌、铬、钼、钛、钨、钒、锡、铍。一种上述纳米半导体光折变薄膜材料的制备方法，在衬底上生长一层透明的金属薄膜，然后在所述金属薄膜上生长一层铅的硫属化合物薄膜半导体材料。本专利技术中在衬底上生长一层透明的金属薄膜是在衬底的一面制备金属薄膜，其制备方法可以为真空蒸发、磁控溅射、激光溅射或分子束外延等。本专利技术中在金属薄膜上生长一层铅的硫属化合物薄膜半导体材料是在金属薄膜的一面制备铅的硫属化合物薄膜半导体材料，其制备方法也可以为真空蒸发、磁控溅射、激光溅射或分子束外延等。所述真空蒸发为在真空状态下，将金属加热熔融至蒸发，金属原子凝结在衬底表面形成极薄金属薄膜的方法。所述磁控溅射为将镀膜材料作为靶阴极，利用氩离子轰击靶材，产生阴极溅射，把靶材原子溅射到工件上形成沉积层的一种镀膜技术。所述激光溅射为将高功率脉冲激光聚焦作用于靶材(镀膜材料)表面，是靶材表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体(T>104K)，这种等离子体定向局域本质，在工件上沉积形成薄膜。所述分子束外延为一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。优选的，在衬底上生长一层透明的金属薄膜的方法为磁控溅射法。进一步优选的，所述磁控溅射方法的步骤具体为：无水乙醇清洗BaF2衬底，采用99.99％的金属靶，溅射室抽真空到5×10-4Pa，充氩气，溅射室工作压力0.45Pa，溅射电压340V，电流80mA，溅射速率0.08-0.19nm/s，溅射时间60-125s。优选的，在所述金属薄膜上生长一层铅的硫属化合物薄膜半导体材料的方法为磁控溅射法。进一步优选的，所述磁控溅射方法的步骤具体为：在金属薄膜上溅射铅的硫属化合物薄膜，采用99.99％的铅的硫属化合物靶材，溅射室抽真空到5×10-4Pa，充氩气，溅射室工作压力0.45Pa，溅射功率20W，溅射速率0.09-0.12nm/s，溅射时间835-1100s。上述纳米半导体光折变薄膜材料在全息记录、相位调制或集成光学中的应用。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术采用铅的硫属化合物薄膜作为光折变材料，制备工艺简便容易、制备时间短。2.本专利技术采用金属薄膜与铅的硫属化合物薄膜接合，并在用金属薄膜与铅的硫属化合物薄膜的界面形成肖特基结，从而在薄膜内形成内建电场，对光生载流子移动和再分布，不需外加电场，完全达到光折变材料的应用目的。3.本专利技术采用与金属形成肖特基结结合的复合结构，发现了这一大类半导体薄膜材料的光折变效应，为光折变材料的简单小型化应用，提供了广泛前景。4.本专利技术采用与金属形成肖特基结结合的复合结构的制备方法简便容易、制备时间短，容易实现工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的的纳米半导体光折变薄膜材料(BaF2/Cu/PbTe薄膜)的结构示意图；图2为本专利技术实施例1制备的BaF2/Cu/PbTe薄膜结构中发生的光折变折射率光栅照片；图3为二波耦合实验光路示意图；图4为二波耦合实验折射率光栅读出光路示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1无水乙醇清洗BaF2衬底，采用99.99％的铜靶，溅射室抽真空到5×10-4Pa，充氩气，溅射室工作压力0.45Pa，溅射电压300V，电流80mA，溅射速率0.08nm/s，溅射时间125s，从而在BaF2衬底上制备得到10nm左右的透明铜膜。采用99.99％的PbTe靶材本文档来自技高网...

【技术保护点】
铅的硫属化合物薄膜在光折变材料中的应用。

【技术特征摘要】
1.铅的硫属化合物薄膜在光折变材料中的应用。2.如权利要求1所述的应用，其特征是，所述铅的硫属化合物薄膜为窄带隙半导体薄膜；或，所述铅的硫属化合物薄膜的厚度为100-300nm；或，所述铅的硫属化合物为硫化铅、硒化铅或碲化铅。3.一种纳米半导体光折变薄膜材料，其特征是，包括金属薄膜和铅的硫属化合物薄膜，所述金属薄膜的一面与铅的硫属化合物薄膜的一面接触，其中，所述金属薄膜的金属的功函数大于等于所述铅的硫属化合物薄膜半导体的电子亲合能。4.一种纳米半导体光折变薄膜材料，其特征是，包括金属薄膜和铅的硫属化合物薄膜，所述金属薄膜的一面与铅的硫属化合物薄膜的一面接触，其中，所述金属薄膜与所述铅的硫属化合物薄膜的接触界面形成肖特基结。5.如权利要求3或4所述的纳米半导体光折变薄膜材料，其特征是，还包括衬底，所述金属薄膜的另一面与衬底接触；优选的，所述衬底为BaF2衬底。6.如权利要求3或4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文田，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37