一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器，包括介質(zhì)基板和附著于介質(zhì)基板表面的有機聚合物薄膜，介質(zhì)基板為具有高阻抗值的硅材料，厚度0.1-2mm，有機聚合物薄膜由聚2-(2-乙基已氧基)-5-甲氧基苯乙炔均勻旋涂在介質(zhì)基板上形成，薄膜厚度為100-250nm。本發(fā)明提供了一種制備簡單，造價低廉、調(diào)制深度高、穩(wěn)定可靠的光控太赫茲波調(diào)制器。
【專利說明】一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲光譜、通信和成像領(lǐng)域，涉及一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲是指頻率段在0.1THz到IOTHz的電磁輻射波。這一波段介于微波與光波之間，是電子學與光子學的交叉領(lǐng)域。太赫茲波由于具有瞬態(tài)性、低能性和相干性等獨特性質(zhì)，在無損檢測、無線通信、軍用雷達、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。近年來，眾多研究小組開展了太赫茲無線通信領(lǐng)域的研究。太赫茲波由于其所屬頻段的特點，使得太赫茲無線通信具有頻段資源豐富、保密性好、抗干擾強等特點，其傳輸速率可達l_24Gbps。因此，以太赫茲波作為通信載體的新型通信系統(tǒng)正成為國內(nèi)外研究的重點，而太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)的核心器件，用于對太赫茲波進行調(diào)制。
[0003]近年來，多種太赫茲調(diào)制器被提出，包括光子晶體、半導體硅、超材料、量子阱、石墨烯等太赫茲調(diào)制器。太赫茲調(diào)制器按調(diào)制方式可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相；按控制方式可以分為電控、磁控、熱控、光控等類型。太赫茲調(diào)制器的關(guān)鍵指標有:工作帶寬、工作頻率、調(diào)制速率、調(diào)制深度、傳輸損耗等。目前，太赫茲調(diào)制器的結(jié)構(gòu)則集中在亞波長孔陣列、光子晶體柱陣列、電磁共振器陣列、肖特基柵陣列等。其中，CN103364973A介紹了一種在聚酰亞胺材料表面沉積V02或者V205金屬釩納米薄膜，利用這種材料的相變特性制作而成的太赫茲調(diào)制器，其調(diào)制深度達到了 40%。日本和韓國的科學家則使用Si做為基底，利用熱蒸鍍法在表面附著一層納米級厚度的有機材料(CuPc)薄膜，這種調(diào)制器的調(diào)制深度可達55%以上，但制作成本非常昂貴[Hyung Keun Yoo, APL, 99, 061108,2011]。
[0004]目前，太赫茲調(diào)制器存在以下問題:工作頻率低，且工作帶寬窄，一般只有幾個GHz ;調(diào)制深度低，信噪比差，一般在55%左右；調(diào)制速率低，一般在MHz量級；器件制造成本高，材料費用高、加工復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器及其制備方法。
[0006]—種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器，包括介質(zhì)基板和附著于介質(zhì)基板表面的有機聚合物薄膜；所述介質(zhì)基板是對太赫茲波具有高透過濾的硅材料；所述有機聚合物薄膜是由共軛聚合物材料利用旋涂法均勻旋涂在介質(zhì)基板上形成的薄膜。
[0007]以上太赫茲波調(diào)制器，所述的介質(zhì)基板為具有高阻抗值的硅基片，其阻抗值為I萬歐母，厚度為0.l-2mm。
[0008]所述共軛聚合物材料選自MEH-PPV，聚2_(2_乙基已氧基)_5_甲氧基苯乙炔；PF0，聚(9，9-二正辛基芴基-2，7-二基；F8BT，聚[(9，9-二正辛基芴基-2，7-二基)-alt-(苯并[2，I, 3]噻二唑-4，8- 二基)]；P3HT,聚(3-己基噻吩_2，5- 二基)中的一種。
[0009]所述有機聚合物薄膜的厚度為100_250nm。
[0010]—種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制備方法,將娃基片固定在勻膠機的旋轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時間；將共軛聚合物材料溶液滴覆在硅基片上，開始旋轉(zhuǎn)至停止；將旋涂好的硅基片真空干燥即得到產(chǎn)品基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
[0011]其中:旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為800-2000轉(zhuǎn)/分鐘，旋轉(zhuǎn)時間為60秒。
[0012]旋涂好的硅基片在80°C下真空干燥I小時。
[0013]具體的，一種基于MEH-PPV薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制備方法:包括以下步驟:
[0014]步驟一、配制MEH-PPV溶液:使用型號為TCX-300S的超聲波清洗機，將待用的溶液瓶在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將溶液瓶吹干；稱量定量的MEH-PPV絮狀材料，配制成濃度為7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液；
[0015]步驟二、清洗硅基片:將選定厚度的硅基片在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將基片吹干；
[0016]步驟三、旋涂:使用型號為KW-4A的勻膠機，將硅基片用吸壓的方式固定在勻膠機的旋轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為1000-2000轉(zhuǎn)/分鐘、旋轉(zhuǎn)時間60秒；然后將MEH-PPV溶液滴覆在硅基片上，開始旋轉(zhuǎn)；
[0017]步驟四、干燥成膜:將旋涂好的硅基片放入型號為DZF-6020的干燥箱內(nèi)，在80°C下真空處理I小時，得到基片上覆有純凈、平整的薄膜的產(chǎn)品即基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
[0018]其中步驟三滴覆在硅基片上MEH-PPV溶液量為100-150 μ I。
[0019]本發(fā)明提供了一種制備簡單，造價低廉、調(diào)制深度高、穩(wěn)定可靠的光控太赫茲波調(diào)制器，解決【背景技術(shù)】中太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制帶寬窄、調(diào)制深度低、制作成本高、加工復雜等關(guān)鍵技術(shù)問題，其制備過程簡單、通過外部低功率激光控制、穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的有益效果為:1)本發(fā)明提供了一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器，借助于激光激勵，利用受激吸收原理實現(xiàn)對太赫茲波進行幅度調(diào)制。2)該太赫茲調(diào)制器調(diào)制帶寬大，超過2.0ΤΗΖ。3)該太赫茲調(diào)制器的調(diào)制深度超過95%。3)該調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單、制作方法成熟、成本低廉，便于集成化，可以滿足太赫茲通信系統(tǒng)的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的太赫茲波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。1-介質(zhì)基板；2-有機聚合物薄膜。
[0021]圖2是激勵激光功率下本發(fā)明太赫茲調(diào)制器的調(diào)制頻譜圖。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提供一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括介質(zhì)基板2和附著于介質(zhì)基板2表面的有機聚合物薄膜1，薄膜I是利用旋涂法將有機聚合物均勻地旋涂在介質(zhì)基板2上形成的。其中:[0023]介質(zhì)基板2為對太赫茲波具有高透過率的硅材料(簡稱Si)，具有高阻抗值，其阻抗值為I萬歐姆，厚度為0.l-2mm。
[0024]有機聚合物薄膜I的有機聚合物為共軛聚合物材料，可選自MEH-PPV，聚2_ (2-乙基已氧基)-5_甲氧基苯乙炔；PF0，(聚(9，9-二正辛基芴基-2,7-二基))；F8BT，聚[(9，9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2，1，3]噻二唑 _4，8_ 二基)]；P3HT,聚(3-己基噻吩-2，5-二基)等。例如本發(fā)明實施例中選用了一種聚對苯乙烯的衍生物MEH-PPV，其為已知的聚合物發(fā)光材料，可用市售產(chǎn)品，使用中要求其分子量超過10萬。使用MEH-PPV的薄膜I是利用旋涂法將MEH-PPV材料均勻的旋涂在介質(zhì)基板上，形成的薄膜厚度為 100-250nm。
[0025]本發(fā)明該基于有機聚合物薄膜利用受激吸收原理實現(xiàn)對太赫茲波的幅度調(diào)制。
[0026]下面對本發(fā)明太赫茲波調(diào)制的制備過程和測試分析進行具體描述。
[0027]實施例中選用厚度為2mm的硅基片作為介質(zhì)基板，選用分子量超過10萬的MEH-PPV作為薄膜的有機聚合物材料。制備過程如下:
[0028]步驟一:配制MEH-PPV溶液。使用型號為TCX-300S的超聲波清洗機，首先將待用的溶液瓶在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將溶液瓶吹干。稱量定量的MEH-PPV絮狀材料，配制成濃度為7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液。
[0029]步驟二:清洗介質(zhì)基板(基片)。先將厚度為2mm的硅基片在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將基片吹干。
[0030]步驟三:旋涂。使用型號為KW-4A的勻膠機將MEH-PPV溶液均勻的旋涂在潔凈的基片上，操作為:將基片用吸壓的方式固定在勻膠機的旋轉(zhuǎn)臺上，本例設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為1300轉(zhuǎn)/分鐘、旋轉(zhuǎn)時間為60秒(定值)；然后將MEH-PPV溶液120 μ I (定值)滴覆在基片上，開始旋轉(zhuǎn)；最終大部分溶液將會被甩出，最終只有不到10%的溶液在表面張力的作用下附著在基片上。
[0031]步驟四:干燥成膜。將旋涂好的基片放入型號為DZF-6020的干燥箱內(nèi)，在80°C下真空處理I小時，得到基片上覆有純凈、平整的聚合物薄膜的產(chǎn)品即基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
[0032]對制備得到的基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器進行以下測試分析:
[0033]1、用型號為 Ambios Technology XP_2Surface Profilometer 的臺階儀對制備的產(chǎn)品薄膜厚度進行檢測。結(jié)果本實施例產(chǎn)品薄膜厚度為lOOnm。
[0034]2、利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)(THz-TDS)對該太赫茲調(diào)制器進行太赫茲透射光譜測試。首先，將制備得到的基于有機聚合物薄膜的太赫茲調(diào)制器放置在太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，其位置位于光譜儀中太赫茲波的焦點處，讓太赫茲波透過該調(diào)制器，測試其在沒有激勵激光時的太赫茲透射光譜。其次，加入外部激勵激光，讓其以45度角入射，照射位置與太赫茲焦點打在調(diào)制器的位置相同，所用激勵激光的波長為450nm，功率變化范圍為0-480mW，記錄在不同功率下的太赫茲透射光譜圖。最后，利用傅立葉變化將時域光譜變?yōu)轭l域光譜，分析其頻譜功率特性。
[0035]結(jié)果:圖2顯示了激勵激光功率下本發(fā)明太赫茲調(diào)制器的調(diào)制頻譜圖。從圖2可見:本發(fā)明制備得到的基于有機聚合物薄膜的太赫茲調(diào)制器調(diào)制帶寬超過2.0THz，最大調(diào)制深度可達95%，已遠遠大于文獻CN103364973A介紹的調(diào)制深度40%和文獻[Hyung KeunYoo, APL,99, 061108,2011]中介紹的調(diào)制深度55%。對照國內(nèi)外已有成果數(shù)據(jù)，本發(fā)明調(diào)制深度高、穩(wěn)定可靠，達到了對太赫茲波進行有效幅度調(diào)制的效果。
[0036]參照上述實施例進行了多參數(shù)變化實驗，有以下結(jié)果:
[0037]1、調(diào)整MEH-PPV甲苯溶液在基片上的滴入量(100-150μ1)和旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速(800-2000轉(zhuǎn)/分鐘)，可以調(diào)整薄膜厚度在100-250nm范圍內(nèi)變化。經(jīng)同樣測試，薄膜厚度在100-250nm范圍內(nèi)變化所得到的基于MEH-PPV有機聚合物薄膜的太赫茲調(diào)制器，其調(diào)制帶寬同樣超過2.0THz，最大調(diào)制深度均可超過90%，且薄膜厚度對調(diào)制效果沒有明確影響。從制作成本和操作可行性考慮，確定薄膜厚度在100-250nm范圍較為適宜。
[0038]2、改變步驟三干燥成膜溫度和時間，發(fā)現(xiàn)其對成膜厚度無影響，但對膜的均勻程度有影響，本發(fā)明設(shè)定的80°C下真空處理I小時是最佳值。低于該數(shù)值不易于成膜，而溫度過高或時間過長則存在浪費。
[0039]3、在0.l-2mm范圍內(nèi)改變硅基片厚度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅基片的厚度變化對基于有機聚合物薄膜的太赫茲調(diào)制器的調(diào)制效果沒有影響，基片太薄不利于操作和使用，而基片太厚將加大成本。因此，確定基片厚度在0.l_2mm范圍較為適宜。
[0040]4、改變有機聚合物材料為PFO、F8BT和P3HT，所得到的基于有機聚合物薄膜的太赫茲調(diào)制器也具有類似的調(diào)制效果。
[0041]另一方面，本發(fā)明所提供的調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單，薄膜材料選材廣泛且較CuPc便宜，采用旋涂的制作方法簡單但成熟，制作成本大幅降低(對比文獻使用熱蒸法，熱蒸鍍儀單價在百萬以上，而本發(fā)明所用設(shè)備總價在2萬以內(nèi))，也便于集成化生產(chǎn)。
[0042]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:包括介質(zhì)基板和附著于介質(zhì)基板表面的有機聚合物薄膜；所述介質(zhì)基板是對太赫茲波具有高透過濾的硅材料；所述有機聚合物薄膜是由共軛聚合物材料利用旋涂法均勻旋涂在介質(zhì)基板上形成的薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波調(diào)制器，其特征在于，所述介質(zhì)基板為具有高阻抗值的娃基片，其阻抗值為I萬歐母，厚度為0.l-2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太赫茲波調(diào)制器，其特征在于，所述共軛聚合物材料選自MEH-PPV，聚2- (2-乙基已氧基)-5-甲氧基苯乙炔；PFO，聚(9，9- 二正辛基芴基_2，7- 二基；F8BT,聚[(9，9- 二正辛基芴基-2，7- 二基)-alt-(苯并[2，I, 3]噻二唑-4，8- 二基)]；P3HT，聚(3-己基噻吩-2，5-二基)中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太赫茲波調(diào)制器，其特征在于，所述共軛聚合物材料為聚2- (2-乙基已氧基)-5-甲氧基苯乙炔(簡稱MEH-PPV)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的太赫茲波調(diào)制器，其特征在于，所述有機聚合物薄膜的厚度為100-250nm。
6.權(quán)利要求1至4任一所述基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制備方法，其特征在于:將硅基片固定在勻膠機的旋轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時間；將共軛聚合物材料溶液滴覆在硅基片上，開始旋轉(zhuǎn)至停止；將旋涂好的硅基片真空干燥即得到產(chǎn)品基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為800-2000轉(zhuǎn)/分鐘，旋轉(zhuǎn)時間為60秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于:旋涂好的硅基片在80°C下真空干燥I小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或8所述的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一、配制MEH-PPV溶液:使用型號為TCX-300S的超聲波清洗機，將待用的溶液瓶在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將溶液瓶吹干；稱量定量的MEH-PPV絮狀材料，配制成濃度為7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液； 步驟二、清洗硅基片:將選定厚度的硅基片在離子水中超聲后，用清潔劑擦洗干凈，然后分別用丙酮、乙醇和去離子水反復超聲清洗，最后用氮氣將基片吹干； 步驟三、旋涂:使用型號為KW-4A的勻膠機，將硅基片用吸壓的方式固定在勻膠機的旋轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為1000-2000轉(zhuǎn)/分鐘、旋轉(zhuǎn)時間60秒；然后將MEH-PPV溶液滴覆在硅基片上，開始旋轉(zhuǎn)； 步驟四、干燥成膜:將旋涂好的硅基片放入型號為DZF-6020的干燥箱內(nèi)，在80°C下真空處理I小時，得到基片上覆有純凈、平整的薄膜的產(chǎn)品即基于有機聚合物薄膜的太赫茲波調(diào)制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于:步驟三滴覆在硅基片上MEH-PPV溶液量為 100-150 μ I。
【文檔編號】G02F1/01GK104007566SQ201410222118
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】張波, 和挺, 沈京玲, 陳天霽, 臧夢迪 申請人:首都師范大學