專利名稱：含鐵電納米晶的電光極化聚合物及其制備方法
技術領域：
本發明涉及含鐵電納米晶的電光極化聚合物及其制備方法。
背景技術：
極化聚合物是具有宏觀二階非線性的聚合物材料，具有快的響應時間、易修飾、易集成、易加工等特點，在集成光電子器件和光子器件中有重要的應用。近幾年來，WDM(波分復用)全光網迅速發展，光開關的速度成為制約光通信發展的瓶頸問題，這使得極化聚合物材料成為WDM開發中的關鍵材料。目前研究成熟的機械開關、聲光開關和以鈮酸鋰為代表的無機波導開關，由于響應速度慢、制作困難和不易集成等，限制了其長遠應用。而電光極化聚合物具有的響應速度快、介電常數小等優點，使其在波導開關領域最有希望達到全光網傳播的速度要求。
鐵電材料SrxBa1-xNb2O6(SBN)，Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)和(Pb1-yLay)(ZrxTi1-x)O3(PLZT)具有較大的電光系數，然而生長大的、完美的SBN、PZT單晶十分困難。鈮酸鍶鋇(SrxBa1-xNb2O6，x＝0.25-0.75，SBN)等晶體這方面的應用有待于發掘。
發明內容
本發明的目的是提供一種含鐵電納米晶的電光極化聚合物及其制備方法。尤其是將適量的無機的鐵電納米晶和有機聚合物進行復合成含鐵電納米晶的電光極化聚合物，既利用了無機材料較大的電光系數，又利用了聚合物介電常數小和易集成、加工方便的優點，制備出具有較大的電光效應和優異的線性電光品質因子復合極化聚合物薄膜，且光損耗較低，在電光器件上具有切實可行的應用前景。
含鐵電納米晶的電光極化聚合物及制備方法含鐵電納米晶的電光極化聚合物含鐵電納米晶均勻分布在透明的薄膜聚合物內。鐵電納米晶材料鈮酸鍶鋇(SrxBa1-xNb2O6，x＝0.25-0.75，SBN)，鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，x＝0-0.94，PZT)，摻鑭的鋯鈦酸鉛(Pb1-yLay)(ZrxTi1-x)O3，y＝0.02-0.30，x＝0-1.00，PLZT)，鈦酸鋇BaTiO3，鈮酸鋰LiNbO3和鉭酸鋰LiTaO3.納米晶粒徑為20～80nm。聚合物基體材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、和聚酰亞胺類(如商業可獲得的聚酰胺酸LQ-2200或PIQ-2200(Hitachi)體系和熱塑性聚酰胺酸Ultradel 4212或3112體系)。
可以在聚合時將含鐵電納米晶共聚在聚合物內。亦可以將聚合物基體材料溶解在極性溶劑內，再將鐵電納米晶的前體溶液與此溶劑混和，再以甩膠法(spin-coating)或浸漬法(dip-coating)沉積薄膜，蒸發溶劑即可。尤其是在單晶硅片或鍍鉑的硅片，商業ITO導電玻璃，或石英玻璃等襯底材料上進行復合聚合物薄膜制備用甩膠法(spin-coating)或浸漬法(dip-coating)沉積薄膜，并用普通熱處理或真空熱處理蒸發溶劑，溫度60-100℃。重復這一工藝，獲得所需的薄膜厚度。薄膜厚度在0.2～100微米。
為保證效果，對復合聚合物薄膜極化在聚合物玻璃化溫度附近，電暈極化，極化電壓2～20千伏。
發明效果通過將適量的無機的鐵電納米晶和有機聚合物進行復合，制備出既具有較大的電光系數(20-60pm/V)，又具有優異的線性電光品質因子F2＝n7γ2/ε(1000～10000)電光極化聚合物復合薄膜，且光損耗較低(0.3～3dβ/cm)，兼具無機材料和有機聚合物的優點，制備工藝與集成光電子和集成光學工藝兼容，且成本較低，特別是在電光器件上具有較強的應用前景。
四
圖1為本發明含鐵電納米晶的電光極化聚合物結構示意2水熱法合成的PZT納米晶超細粉末。
圖3PZT/PC雙折射率( n)與外加電場強度的關系。
圖4本發明BaTiO3/PC復合聚合物薄膜和BaTiO3納米粉末的X射線衍射圖。
五具體實施例方式
鐵電納米晶材料的選擇鐵電納米晶材料鈮酸鍶鋇(SrxBa1-xNb2O6，x＝0.25-0.75，SBN)，鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，x＝0-0.94，PZT)，摻鑭的鋯鈦酸鉛(Pb1-yLay)(ZrxTi1-x)O3，y＝0.02-0.30，x＝0-1.00，PLZT)，鈦酸鋇BaTiO3，鈮酸鋰LiNbO3均是同時具有較大的電光系數(20-60pm/V)的材料。本發明利用其具有較大的電光系數制成專用材料。
鐵電納米晶通過前體溶液制備，將聚合物基體材料溶解在極性溶劑內，前體溶液和極性溶劑在單晶硅片或鍍鉑的硅片，商業ITO導電玻璃，或石英玻璃等襯底材料上進行復合聚合物薄膜制備以甩膠法(spin-coating)或浸漬法(dip-coating)沉積薄膜，用普通熱處理或真空熱處理蒸發溶劑，溫度60-100℃。
重復這一工藝，獲得所需的薄膜厚度。薄膜厚度在0.2～100微米。
鐵電納米晶制備水熱法或溶膠-凝膠水解法，納米晶的尺寸范圍20-200納米。前體溶液的制備鐵電納米晶通過超聲均勻分散在聚合物基體的氯仿溶液中，鐵電納米晶的濃度在1-30％(鐵電納米晶質量/聚合物基體的質量)。
例如1.鋯鈦酸鉛/聚碳酸酯(PZT/PC，Pb(zr0.52Ti0.48)O3)體系，采用水熱法獲得粒徑40～50nm的PZT納米晶超細粉末(見圖2)，超聲分散在PC的氯仿溶液中，在ITO導電玻璃襯底上，甩膠法制備PZT/PC復合聚合物薄膜，薄膜的厚度為1.2μm，PZT納米晶的濃度為10wt％。在8千伏，170℃的電暈極化后，室溫下，PZT/PC雙折射率( n)與外加電場強度的關系見圖3。由此算得PZT/PC復合膜的有效電光系數為γ＝30pm/V，線性電光品質因子F2＝n7γ2/ε為～9000。光損耗小于1dβ/cm。
2.鈦酸鋇/聚碳酸酯體系(BaTiO3/PC)，采用水熱法獲得粒徑50nm的BaTiO3納米晶超細粉末，超聲分散在PC的氯仿溶液中，在ITO導電玻璃襯底上，甩膠法制備BaTiO3/PC復合聚合物薄膜，其X射線衍射見圖4，表明復合膜基體中均勻分布著純BaTiO3納米晶相。薄膜的厚度為2μm，BaTiO3納米晶的濃度為20wt％。在10千伏，160℃的電暈極化條件下，BaTiO3/PC復合膜的有效電光系數為γ＝34pm/V，線性電光品質因子F2＝n7γ2/ε為～10000。光損耗小于3dβ/cm。
3、鋯鈦酸鉛/PIQ-2200(PZT/PIQ-2200，Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)體系，選用強極性的溶劑，如N-甲基吡咯烷酮、DMF(二甲基甲酰胺)，其余同1類似。
4、鈦酸鋇/PIQ-2200(BaTiO3/PIQ-2200)體系，選用強極性的溶劑，如N-甲基吡咯烷酮、DMF(二甲基甲酰胺)，其余同2類似。例3、4類的聚酰胺酸或聚酰亞胺的材料的物理特性更加優異。
5、更容易制作是是鋯鈦酸鉛/PMMA和鈦酸鋇/PMMA等系列，與1、2的工藝類似。
本發明用摻鑭的鋯鈦酸鉛PLZT、鈦酸鋇BaTiO3，鈮酸鋰LiNbO3或鉭酸鋰LiTaO3均可有類似性質，但其線性電光光損耗不同，關鍵是選用合適的粒徑和分散均勻的納米晶超細粉末。
權利要求
1.含鐵電納米晶的電光極化聚合物，其特征是含鐵電納米晶均勻分布在透明的薄膜聚合物基體材料內。
2.由權利要求1所述的含鐵電納米晶的電光極化聚合物，其特征是含鐵電納米晶材料為鈮酸鍶鋇(SBN)，鋯鈦酸鉛(PZT)，摻鑭的鋯鈦酸鉛(PLZT)，鈦酸鋇BaTiO3，鈮酸鋰LiNbO3或鉭酸鋰LiTaO3，鐵電納米晶粒徑為20～80nm；聚合物基體材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、或聚酰亞胺類。
3.由權利要求1所述的含鐵電納米晶的電光極化聚合物，其特征是聚酰亞胺聚合物類材料為聚酰胺酸LQ-2200、PIQ-2200或熱塑性聚酰胺酸Ultrade 4212或3112，鐵電納米晶粒徑為20～80nm。
4.含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是將聚合物基體材料溶解在極性溶劑內，再將鐵電納米晶的前體溶液與此溶劑混和，再以甩膠法或浸漬法沉積薄膜，蒸發溶劑即可。
5.由權利要求4所述含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是在單晶硅片或鍍鉑的硅片，商業ITO導電玻璃，或石英玻璃等襯底材料上進行復合聚合物薄膜制備。
6.由權利要求4所述含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是蒸發溶劑的溫度60-100℃。
7.由權利要求4所述含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是重復所述工藝，獲得所需的0.2～100微米的薄膜厚度。
8.由權利要求4所述含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是對復合聚合物薄膜極化在聚合物玻璃化溫度附近，電暈極化，極化電壓2～20千伏。
9.含鐵電納米晶的電光極化聚合物的制備方法，其特征是聚合時將含鐵電納米晶共聚在聚合物內。
全文摘要
含鐵電納米晶的電光極化聚合物及其制備方法鐵電納米晶均勻分布在透明的薄膜聚合物內。鐵電納米晶材料鈮酸鍶鋇、鋯鈦酸鉛、摻鑭的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇BaTiO
文檔編號C08K3/00GK1563194SQ20041001433
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月16日 優先權日2004年3月16日
發明者李愛東, 劉文超, 譚靜, 吳迪, 閔乃本 申請人:南京大學