專利名稱：一種基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電信息處理的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的 液晶光學(xué)整流器件。
背景技術(shù)：
光電子技術(shù)是21世紀(jì)最有前途的新興學(xué)科之一，其發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。顯示材料 和器件作為光電子技術(shù)的一部分，得到了極為廣泛的研究和應(yīng)用。液晶材料由于具有較大 的光學(xué)各向異性、以及能在外電場(chǎng)下重新取向等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家庭和投影電視、 空間光信號(hào)調(diào)制器、可調(diào)光柵、光開關(guān)和非線性光學(xué)器件等方面。由于液晶器件重量輕、尺 寸薄、功耗低、無(wú)輻射，因此得到人們的青睞，相關(guān)的技術(shù)和專利也層出不窮。液晶材料的優(yōu) 良性能來(lái)源于液晶材料的特殊性能液晶是處于晶體和液體之間的中間相，既具有晶體的 各向異性和周期性結(jié)構(gòu)，又具有液體的流動(dòng)性，在電場(chǎng)的作用下液晶分子會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)形變， 產(chǎn)生強(qiáng)烈的光學(xué)非線性效應(yīng)，這是液晶電光效應(yīng)的微觀基礎(chǔ)。對(duì)于光信息處理器件和材料，要求能在較低的記錄光功率、較低的工作電壓下工 作，并且要求有很高的處理質(zhì)量(比如衍射效率)。雖然液晶作為電光材料來(lái)處理光信號(hào)已 經(jīng)得到一定的應(yīng)用，但是需要的光強(qiáng)閾值非常高，也就是說(shuō)只能處理非常強(qiáng)的光學(xué)信號(hào)，這 樣就嚴(yán)重制約了液晶的應(yīng)用，造成實(shí)際應(yīng)用中的困難。為克服這個(gè)瓶頸，人們把目光投入到 摻雜液晶上面，通過(guò)在液晶里面或則表面摻入合適的雜質(zhì)，利用摻雜液晶的光折變效應(yīng)，實(shí) 現(xiàn)液晶在弱光信號(hào)下的處理。目前，基于摻雜液晶光折變效應(yīng)的器件能在非常微弱的光信 號(hào)下工作，所需要的光強(qiáng)閾值要比純液晶降低3個(gè)量級(jí)左右。所謂光折變效應(yīng)(photorefractive effect)，是指光致折射率改變效應(yīng)(light induced refractive index change effect)，它是電光材料在光輻射下由光強(qiáng)的空間分布 引起材料折射率相應(yīng)變化的一種非線性光學(xué)效應(yīng)，具體是指由于空間調(diào)制的光場(chǎng)(記錄光 與參考光的干涉)在電光材料中產(chǎn)生光生載流子，載流子在外加直流電壓作用下發(fā)生單向 遷移最終被捕獲，這樣會(huì)出現(xiàn)空間分布的電荷并形成內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)通過(guò)克爾效應(yīng)使 得記錄材料產(chǎn)生折射率變化分布，從而形成記錄并存儲(chǔ)，光信息的提取主要采用探測(cè)光通 過(guò)電光材料的衍射效應(yīng)。在摻雜液晶體系中，雜質(zhì)的主要作用是生成光生載流子，外加直流 電壓的作用是使得載流子漂移最后形成空間電場(chǎng)，液晶的作用是在外電場(chǎng)作用下具有超大 的克爾效應(yīng)、能形成強(qiáng)烈的折射率分布和很高的衍射效率。因此摻雜液晶的光折變效應(yīng)能 夠很好地完成弱光非線性的處理工作。從現(xiàn)狀來(lái)看，盡管摻雜液晶得到大量的應(yīng)用并且基于多種多樣的摻雜材料，具有 不同的光學(xué)效果，但是其摻雜材料主要是非半導(dǎo)體的材料，其重要特點(diǎn)是在信號(hào)光照射下 能同時(shí)產(chǎn)生兩種載流子(正、負(fù)載流子)，在外加電場(chǎng)作用下沿相反的方向擴(kuò)散，形成空間 電荷和電場(chǎng)。因此在器件的兩邊加不同極性的直流電壓均可以工作。傳統(tǒng)的摻雜液晶使用非半導(dǎo)體材料摻雜，基于光折變效應(yīng)，可以在雙向電壓下工 作，但是無(wú)法對(duì)電信號(hào)的極性進(jìn)行選擇性判斷，因此也就無(wú)法使用電極性來(lái)調(diào)制信號(hào)光。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種能在單極性電壓下對(duì)弱光信息的 處理的基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光 學(xué)整流器件，包括液晶層及分別依次設(shè)于液晶層兩表面上的PI取向?qū)?、ITO電極及玻璃基 板，其中一 PI取向?qū)訛閾诫s有半導(dǎo)體材料的PI取向?qū)?，另?PI取向?qū)訛榧働I取向?qū)?。所述摻雜半導(dǎo)體材料為棒狀納米ZnO顆粒；所述摻雜半導(dǎo)體材料的摻雜濃度為重 量百分比0. 1-0. 15% ；所述棒狀納米ZnO顆粒的直徑為5-lOnm，長(zhǎng)度為30-50nm。所述ZnO顆粒通過(guò)摻入到PI取向?qū)雍蠼?jīng)過(guò)高溫固化處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明中，構(gòu)造了一種新型的電光器件，具有與傳統(tǒng)摻雜液晶完全不同的電光效 應(yīng)，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)①雜質(zhì)采用半導(dǎo)體材料，本發(fā)明中給棒狀納米ZnO材料；② 將雜質(zhì)摻入到液晶的一個(gè)表面取向?qū)覲I中(而不是液晶體內(nèi))。由于半導(dǎo)體材料在信號(hào)光 激發(fā)下只能產(chǎn)生單一類型的載流子(正的或則負(fù)的)，并且光折變效應(yīng)產(chǎn)生的前提是載流 子在外加電場(chǎng)作用下漂移到液晶層從而使得液晶產(chǎn)生克爾效應(yīng)，因此摻雜在液晶表面的雜 質(zhì)，激發(fā)出的載流子只能在單向電壓作用下漂移到液晶體內(nèi)形成光折變，而反向電場(chǎng)會(huì)阻 礙載流子的漂移而使得其局域在取向?qū)?。因此半?dǎo)體雜質(zhì)的引入和雜質(zhì)的表面層摻雜方式 兩方面結(jié)合起來(lái)，能使得摻雜液晶在單一極性直流電壓下進(jìn)行工作，處理微弱的光信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于半導(dǎo)體材料摻雜液晶的研究很少，并且主要集中在液晶體內(nèi)摻雜的 情況，對(duì)于表面摻雜的工作原理及其應(yīng)用都沒(méi)有涉及，因此本申請(qǐng)對(duì)于研制弱光非線性光 學(xué)器件的工作有著重要的意義，并且這種模式(單極性電壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光信息的調(diào)制)是 開創(chuàng)性的。


圖1為本發(fā)明液晶光學(xué)整流器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為本發(fā)明單向直流電壓下的工作狀態(tài)原理圖；圖2(b)為本發(fā)明反向直流電壓下的工作狀態(tài)原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。(一)器件結(jié)構(gòu)本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的液晶顯示器很類似，都是將液晶層夾在兩邊PI取向 層中間(PI取向?qū)咏?jīng)過(guò)表面的摩擦等處理)，外面再加上ITO電極和玻璃基板。所不同的 是傳統(tǒng)的液晶顯示器的兩邊取向?qū)邮羌兊腜I材料，而在本發(fā)明中則是其中一邊仍是純的 PI材料，另一邊則是在純的PI中摻入半導(dǎo)體棒狀納米ZnO材料，摻雜濃度為重量百分比 0. 1-0. 15%，見圖1。由于ZnO摻入到PI層后經(jīng)過(guò)了高溫固化處理，因此ZnO顆粒是不能從 表面層進(jìn)入液晶主體材料，但是在外加激光的激發(fā)下，ZnO產(chǎn)生的光生載流子則可以進(jìn)入液 晶層后，形成空間電荷。
( 二 )全息光學(xué)系統(tǒng)光路如圖2所示，在單極性直流電壓下，使用兩束相干的弱光(比如532nm，光強(qiáng)可 低至mW/mm2)來(lái)照射器件，通過(guò)一束微弱的探測(cè)光(比如633nm)的衍射效果來(lái)展示對(duì)光學(xué) 信號(hào)的處理。本器件的工作原理主要是基于摻雜液晶的光折變效應(yīng)，但是傳統(tǒng)的摻雜液晶的光 折變效應(yīng)可以在雙向直流電壓下工作，而本器件只在單向直流電壓下工作。①工作狀態(tài) 見圖2(a)，器件外接單向直流電壓(正向電壓，B接+，A接-)。表面取向?qū)訐诫s的ZnO雜 質(zhì)在外加信號(hào)光強(qiáng)分布的狀態(tài)下被激發(fā)，亮處產(chǎn)生光生載流子(主要是電子)，并在外加直 流電壓下漂移到液晶層形成空間電荷，產(chǎn)生光折變效應(yīng)?？臻g電荷的電場(chǎng)(Es)和外加直 流電場(chǎng)(Ed)的疊加分布是周期非均勻的，導(dǎo)致液晶折射率的分布也對(duì)應(yīng)成空間周期變化。 因此可以對(duì)探測(cè)光進(jìn)行衍射，通過(guò)衍射的狀態(tài)來(lái)反映器件對(duì)光信號(hào)的處理；②非工作狀態(tài) 見圖2(b)，器件外接反向電壓下(B接-，A接+)的非工作狀態(tài)，雖然ZnO雜質(zhì)能在外加非 均勻的信號(hào)光作用下產(chǎn)生光生載流子，但是此時(shí)由于外加直流電場(chǎng)的阻礙，光生載流子被 局限在表面取向?qū)硬荒芷?，無(wú)法進(jìn)入液晶層中形成光折變效應(yīng)。因此整個(gè)液晶層只在外 加直流電場(chǎng)(Ed)下均勻形變，不能實(shí)現(xiàn)折射率分布的周期變化，無(wú)法對(duì)探測(cè)光衍射，結(jié)果 是沒(méi)有光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。(三)器件性能①工作電壓0-10V，單向直流電壓②信號(hào)光強(qiáng)l-10mW/mm2③衍射效率10%④響應(yīng)時(shí)間10-30mS，指在外加正向電壓下衍射的建立時(shí)間。(四)應(yīng)用本器件能直接形成光學(xué)輸入到光學(xué)輸出的處理，適合于全光系統(tǒng)，也就是說(shuō)將輸 入的信號(hào)光直接轉(zhuǎn)化成輸出的衍射光信號(hào)，而不必經(jīng)過(guò)光學(xué)到電學(xué)、再到光學(xué)的轉(zhuǎn)換。因 此，這種混合器件能提高效率，減少轉(zhuǎn)換的額外開銷。而傳統(tǒng)的光電半導(dǎo)體或者摻雜液晶存 在如下的問(wèn)題(1)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電二極管只能實(shí)現(xiàn)光-電信號(hào)的處理，將信號(hào)光轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng) 的電流，如果希望把最后的處理效果轉(zhuǎn)換成光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光_光的處理的話，必須再另外 接電光效應(yīng)的器件，把電效應(yīng)再轉(zhuǎn)換成光效應(yīng)。整個(gè)過(guò)程復(fù)雜、效率低；(2)傳統(tǒng)的摻雜液晶不使用半導(dǎo)體材料摻雜，基于光折變效應(yīng)，可以在雙向電壓 下工作，無(wú)法對(duì)電信號(hào)的極性進(jìn)行選擇性判斷，因此也就無(wú)法使用電極性來(lái)調(diào)制信號(hào)光。因此本專利申請(qǐng)的器件是一種新型的全光器件，同時(shí)又能使用不同極性的電信號(hào) 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，具有很好的創(chuàng)新性和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，包括液晶層及分別依次設(shè)于液晶層兩表面上的PI取向?qū)印TO電極及玻璃基板，其特征在于，其中一PI取向?qū)訛閾诫s有半導(dǎo)體材料的PI取向?qū)?，另一PI取向?qū)訛榧働I取向?qū)印?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，其特征在 于，所述摻雜半導(dǎo)體材料為棒狀納米ZnO顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，其特征在 于，所述摻雜半導(dǎo)體材料的摻雜濃度為重量百分比0. 1-0. 15%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，其特征在 于，所述棒狀納米ZnO顆粒的直徑為5-lOnm，長(zhǎng)度為30-50nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，其特征在 于，所述ZnO顆粒通過(guò)摻入到PI取向?qū)雍蠼?jīng)過(guò)高溫固化處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電信息處理的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能在外加單向直流電作用下對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理的、基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，具體公開了一種基于半導(dǎo)體材料表面摻雜的液晶光學(xué)整流器件，包括液晶層及分別依次設(shè)于液晶層兩表面上的PI取向?qū)?、ITO電極及玻璃基板，其中一PI取向?qū)訛閾诫s有半導(dǎo)體材料的PI取向?qū)?，另一PI取向?qū)訛榧働I取向?qū)印１景l(fā)明能直接形成光學(xué)輸入到光學(xué)輸出的處理，適合于全光系統(tǒng)，也就是將輸入的信號(hào)光直接轉(zhuǎn)化成輸出的衍射光信號(hào)，而不必經(jīng)過(guò)光學(xué)到電學(xué)、再到光學(xué)的轉(zhuǎn)換；因此，這種器件能提高效率，減少轉(zhuǎn)換的額外開銷。
文檔編號(hào)G02F1/1337GK101893787SQ20101021686
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者劉憶琨, 郭玉冰, 陳涌海, 項(xiàng)穎 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)