專利名稱：柱狀結構納米硅/非晶硅碳復合光導層液晶光閥及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光選址空間光調(diào)制器，尤其涉及一種柱狀結構納米硅/非晶硅碳復合光導層液晶光閥及制備方法。
背景技術：
液晶光閥是七十年代發(fā)展起來的一種光—光圖像傳感器，從光閥的工作原理來看，它可以用于進行不同波長光之間的轉換，相干光與非相干光之間的轉換，因而可用于實時大屏幕投影顯示、實時光學相關、光學數(shù)據(jù)處理、實時光學邊緣增強、實時光學圖像相減等。在當前的液晶光閥中，光導層一般由CdS、CdSe、a-Si:H、C-Si或GaAs，BSO等材料制成，CdS作光導材料光閥的響應速度慢，而用單晶硅做光導層雖具有高的響應速度，但單晶硅的遷移率相對較大，載流子的橫向彌散比較嚴重，分辨率較低。而非晶硅薄膜響應速度快，電子遷移率低，是制備液晶光閥光導層的理想材料。由于光選址液晶光閥是通過光導材料接受圖像工作的，光導層光生載流子的橫向擴散將是影響液晶光閥的重要因素之一。
從理論上分析，由于液晶光閥在法向施加有電場，當光照射到光導層的時候，鑒于橫向沒有電場作用，光生載流子在橫向只作單純的擴散運動，載流子的擴散長度可以表示為L=Dcτ..........(1)]]>根據(jù)愛因斯坦關系可知，載流子的擴散系數(shù)和遷移率存在以下關系D=kTeμ..........(2)]]>將式(2)代入式(1)可得光生載流子橫向擴散長度為L=(kTμLeτ)1/2..........(3)]]>其中μL是載流子的橫向遷移率?？梢姍M向擴散長度還與載流子的壽命τ，即載流子沿電場方向的漂移時間有關。τ可表示為
τ=dv=dEμN=d2μNVP......(4)]]>式中d是光導層的厚度，μN是載流子的縱向(即電場方向)遷移率，VP是所加的電壓。若不考慮遷移的各向異性，則μL＝μN，而考慮遷移的各向異性，那么把式(4)代入式(3)得到的光生載流子的擴散長度的表達式為L=d(kTμLeμNVP)/21..........(5)]]>另一方面，考慮到光導層中載流子向四周橫向擴散，則最大擴散長度Δmax=2L=2d(kTμLeVPμN)/21............(6)]]>再則，由半導體物理知識可知，電導率σ與載流子遷移率μ及載流子濃度關系式如下所示σ＝qμnn (7)由于對于薄膜來說，在橫向與縱向電導方向的載流子濃度n和電子電荷數(shù)值q應該相等，因此，薄膜載流子在橫向和縱向的遷移率分別為μL=σLqn........(8)]]>μN=σNqn..........(9)]]>所以薄膜的橫向與縱向電導率的大小分別反映了載流子橫向與縱向遷移率的大小。把式(8)和(9)代入式(6)，則可得液晶光閥光導層分辨率(光導層光生載流子橫向最大擴散長度)的表達式為Δmax=2d(kTσLeVPσN)/21.....(10)]]>可見，光導層內(nèi)載流子的橫向擴散與光導層的橫向、縱向電導率直接相關，以此若制備具有各向異性的光導層，使光導層的橫向電導率小于縱向電導率，就有利于減小載流子的橫向擴散，提高光導層以至液晶光閥的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種柱狀結構納米硅/非晶硅碳(以下簡稱為nc-Si/a-SiC:H)復合光導層液晶光閥及制備方法。
本發(fā)明采用的技術方案如下(一)本發(fā)明依次包括第一光學玻璃、第一透明導電膜、光導層、阻光層、介質(zhì)反射層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二透明導電膜、第二光學玻璃組合而成；在第一透明導電膜上鍍有由金屬誘導層誘導制成的柱狀結構納米硅/非晶硅碳各向異性復合光導層。
(二)本發(fā)明的制備方法如下1)首先將兩塊光學玻璃基板利用己醇—己醚混合液清洗干凈，然后在真空鍍膜機內(nèi)將所述基板加熱至200～300℃，并通過電子束加熱蒸發(fā)In2O3和SnO2混合料及離子輔助淀積，分別沉積得到厚度在500～1000，而方塊電阻為～50Ω/□，可見光透過率為90％的ITO透明導電薄膜層；2)在經(jīng)過增加熱蒸發(fā)功能改造后的等離子增強化氣相沉積設備(PECVD)內(nèi)，先通過真空熱蒸發(fā)的方法在鍍有ITO薄膜的基板上沉積一金屬誘導層，誘導層是Al、Ni、Au、Ag、Cu，厚度在20～350nm，基板溫度為200～350℃，沉積真空度為10-5～×10-3Torr；然后在同一反應室內(nèi)通過PECVD的方法沉積a-SiC:H薄膜于金屬誘導層上，沉積真空度為0.5～1Torr，基板溫度為250～350℃，沉積時以SiH4、H2和C2H4為原料氣體，SiH4與H2體積比為4∶1，SiH4與H2混合氣體的流量約為400sccm，射頻電流為50～120mA，頻率為13.56MHz；再在0.2個大氣壓的N2氛圍下進行1～6小時的退火處理，退火溫度為250～500℃。便可得到光暗電導比在101～104，縱向電導率是橫向電導率的2～10倍的柱狀nc-Si/a-SiC:H光導層；3)完成光導層制備后，接著在其表面蒸鍍阻光層和介質(zhì)高反射層，這種介質(zhì)鏡制成多層膜，以一種高折射率材料ZnS和一種低折射率材料MgF2交替鍍制，阻光層采用CdTe，詳細制備方法與控制條件在傳統(tǒng)的光學薄膜及半導體薄膜等技術中已有詳細描述；
4)兩層液晶定向層是利用聚酰亞胺溶液在介質(zhì)反射層和鍍有ITO膜的基板表面上分別旋涂上一層均勻薄膜，經(jīng)過150～200℃烘烤后，利用絲絨摩擦，并在其表面形成微細溝槽。最后按傳統(tǒng)液晶盒制備方法在兩個定向層之間灌注扭曲向列型液晶層，便可得到以扭曲向列液晶調(diào)制的高分辨nc-Si/a-SiC:H光導層液晶光閥。
本發(fā)明與背景技術相比，具有的有益的效果本發(fā)明提出一種硅納米晶聚集柱復合光導膜液晶光閥，特別是制備一種橫向電導率小于縱向電導率的各向異性柱狀結構光導層。這種光導層材料，在可見光波段范圍，其光/暗電導比為101～104，根據(jù)制備金屬誘導層厚度的不同，光導膜的縱向電導率是橫向電導率的2～10倍。光閥的分辨率達到500～1000lp/inch。本發(fā)明由于采用各向異性柱狀結構光導膜，光導膜的橫向電導率小于縱向電導率，使載流子的橫向擴散減小，光導層的分辨率大大提高，液晶光閥的分辨率得到改善。


附圖是本發(fā)明液晶光閥的結構示意圖。
具體實施例方式
如附圖所示，本發(fā)明它依次包括第一光學玻璃1、第一透明導電膜2、光導層3、阻光層4、介質(zhì)反射層5、第一液晶定向層6、液晶層7、第二液晶定向層8、第二透明導電膜9、第二光學玻璃10組合而成。在第一透明導電膜2上鍍有由金屬誘導層誘導制成的柱狀結構納米硅/非晶硅碳各向異性復合光導層。
能透過寫入光11的光學玻璃1，蒸鍍在光學玻璃1上的透明導電膜(ITO)2，采用熱蒸發(fā)和PECVD方法沉積在ITO膜2上的nc-Si/a-SiC:H光導層3，沉積在光導層3上的阻光層4，介質(zhì)反射鏡5處在光閥的中間，隔離寫入光11和讀出入射光12，液晶層7兩側分別與定向層6和8直接接觸，其中定向層6制備在介質(zhì)反射鏡5表面，而定向層8制備在讀出窗光學玻璃10表面所蒸鍍的ITO膜9上面，讀出入射光12透過玻璃10、ITO膜9、液晶層7及定向層6和8經(jīng)介質(zhì)反射層5反射后，得到讀出反射光13，ITO膜2和9之間接交變工作電壓14。
本高分辨光導層液晶光閥的工作原理寫入光11透過光學玻璃1和ITO膜2到達nc-Si/a-SiC:H光導層3，入射光的絕大部分將在這一層被吸收，由于光導層3在吸收光時，其電阻隨照射光強的不同會發(fā)生改變，照射光越強，材料的電阻將變得越??；另一方面，光導層是一種高阻材料，某一點的變化對其周圍各點電阻的影響不會很大，因而當寫入信號光11照到光導層3上后，該光導層3上將留下一幅與信號光相對應的以光導層3材料各點電阻不同所表示的電阻潛像，當在光閥的兩層ITO膜之間加上一個工作電壓14后，這個在光導層3上以各點不同電阻表示的潛像，將在液晶層7上以各點所加的電壓不同而留下一幅與信號光相對應的電壓潛像，在某一定向條件下(定向層為6和8)，液晶層可以有這樣一種特性，即液晶層上所加電壓不同，透過該液晶層的偏振光的偏振方向也將隨之不同，所以這時讀出入射光12透過保留有電壓潛像的液晶層，并經(jīng)介質(zhì)反射層5反射后，得到的讀出反射光13其各點的偏振角也將由于液晶層7上各點電壓不同而不同，也即這時讀出反射光13中實際上保留了一幅以各點反射光的偏振角不同所表示的與寫入光信號相對應的潛像，只要在讀出反射光13后面加上適當?shù)臋z偏系統(tǒng)，實際上這時就可得到一幅以各點光強不同所表示的與寫入信號光圖像相對應的圖像，液晶光閥正是以這樣的原理工作的。
本高分辨光導層液晶光閥中，寫入光11和讀出入射光12之間絕大部分是靠介質(zhì)反射層5反射并隔離的，防止了兩束光之間的干擾。但在一般情況下，由于讀出光12比寫入光11的光強要高得多，如果介質(zhì)反射層5的透過率為0.1％，而讀出光12與寫入光11光強之比為105，這時，由讀出光透過介質(zhì)反射層到達寫入光側的光強將是寫入光強的100倍，若考慮兩者為同頻率光且又能到達光導層3，則寫入光信號將完全被掩蓋，所以，為了保證光閥正常工作，在光導層3與介質(zhì)反射層5之間有一阻光層4以吸收剩余透過光。
Nc-Si/a-SiC:H光導層，采用金屬誘導a-SiC:H薄膜，經(jīng)過退火處理，形成由硅納米顆粒聚集而成的具有柱狀結構的納米硅復合光導層，這種柱狀結構，柱內(nèi)由納米晶聚集而成，柱間則為電阻相對較高的a-SiC:H基質(zhì)，具有各向異性，光導層的橫向電導率小于縱向電導率，使光導層的分辨率大大提高，從而使液晶光閥的分辨率得到改善。
高分辨nc-Si/a-SiC:H光導層的制備實例在經(jīng)過改造的PECVD設備內(nèi)先通過真空熱蒸發(fā)的方法在鍍有ITO薄膜的基板上沉積一層金屬Al誘導層，厚度在20～350nm，基板溫度為320℃，沉積真空度為7～9×10-3Torr；然后在同一反應室內(nèi)通過PECVD的方法沉積a-SiC:H薄膜于Al層上，沉積真空度為0.5～1Torr，基板溫度為320℃，SiH4與H2體積比為4∶1，SiH4與H2混合氣體的流量約為400sccm，射頻電流為100mA，頻率為13.56MHz；再在0.2個大氣壓的N2氛圍下進行1～6小時的退火處理，退火溫度為250～500℃。便得到光暗電導比在103，縱向電導率是橫向電導率的2～4倍的柱狀nc-Si/a-SiC:H光導層3。
權利要求
1.一種柱狀結構納米硅/非晶硅碳復合光導層液晶光閥，它依次包括第一光學玻璃(1)、第一透明導電膜(2)、光導層(3)、阻光層(4)、介質(zhì)反射層(5)、第一液晶定向層(6)、液晶層(7)、第二液晶定向層(8)、第二透明導電膜(9)、第二光學玻璃(10)組合而成；其特征在于在第一透明導電膜(2)上鍍有由金屬誘導層誘導制成的柱狀結構納米硅/非晶硅碳各向異性復合光導層(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種柱狀結構納米硅/非晶硅碳復合光導層液晶光閥的制備方法，其特征在于1)首先將兩塊光學玻璃基板(1)和(10)利用己醇—己醚混合液清洗干凈，然后在真空鍍膜機內(nèi)將所述基板加熱至200～300℃，并通過電子束加熱蒸發(fā)In2O3和SnO2混合料及離子輔助淀積，分別沉積得到厚度在500～1000，而方塊電阻為～50Ω/□，可見光透過率為90％的ITO透明導電薄膜層(2)和(9)；2)在經(jīng)過增加熱蒸發(fā)功能改造后的等離子增強化氣相沉積設備內(nèi)，先通過真空熱蒸發(fā)的方法在鍍有ITO薄膜的基板上沉積一金屬誘導層，誘導層是Al、Ni、Au、Ag、Cu，厚度在20～350nm，基板溫度為200～350℃，沉積真空度為10-5～×10-3Torr；然后在同一反應室內(nèi)通過PECVD的方法沉積a-SiC:H薄膜于金屬誘導層上，沉積真空度為0.5～1Torr，基板溫度為250～350℃，沉積時以SiH4、H2和C2H4為原料氣體，SiH4與H2體積比為4∶1，SiH4與H2混合氣體的流量約為400sccm，射頻電流為50～120mA，頻率為13.56MHz；再在0.2個大氣壓的N2氛圍下進行1～6小時的退火處理，退火溫度為250～500℃。便可得到光暗電導比在101～104，縱向電導率是橫向電導率的2～10倍的柱狀nc-Si/a-SiC:H光導層(3)；3)完成光導層(3)制備后，接著在其表面蒸鍍阻光層(4)和介質(zhì)高反射層(5)，這種介質(zhì)鏡制成多層膜，以一種高折射率材料ZnS和一種低折射率材料MgF2交替鍍制，阻光層采用CdTe，詳細制備方法與控制條件在傳統(tǒng)的光學薄膜及半導體薄膜等技術中已有詳細描述；4)兩層液晶定向層(6)和(8)是利用聚酰亞胺溶液在介質(zhì)反射層(5)和鍍有ITO膜(9)的基板(10)表面上分別旋涂上一層均勻薄膜，經(jīng)過150～200℃烘烤后，利用絲絨摩擦，并在其表面形成微細溝槽。最后按傳統(tǒng)液晶盒制備方法在兩個定向層之間灌注扭曲向列型液晶層(7)，便可得到以扭曲向列液晶調(diào)制的高分辨nc-Si/a-SiC:H光導層液晶光閥。
全文摘要
本發(fā)明公開了柱狀結構納米硅/非晶硅碳復合光導層液晶光閥及制備方法。它依次包括第一光學玻璃、第一透明導電膜、光導層、阻光層、介質(zhì)反射層、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、第二透明導電膜、第二光學玻璃組合而成；在第一透明導電膜上鍍有由金屬誘導層誘導制成的柱狀結構納米硅/非晶硅碳各向異性復合光導層。這種光導層材料，在可見光波段范圍，其光/暗電導比為10
文檔編號G02F1/135GK1493899SQ0315049
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月18日 優(yōu)先權日2003年8月18日
發(fā)明者杜丕一, 于永紅, 韓高榮, 翁文劍 申請人:浙江大學