一種具有高開關比的光開關的制備方法

專利名稱：一種具有高開關比的光開關的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種對光線敏感的光開關的制備方法。
背景技術：
納米電子器件在近些年來得到了廣泛的研究并取得了巨大的進步，因為它可以突破現有 基于硅的微米電子器件的限制，使未來的電子器件集成度更高、尺寸更小。當在邏輯電 路和數據存儲中使用時，這些納米電子器件有許多都要依賴于開關操作。目前，絕大多 數已報道的納米開關都是依靠電場來完成開關操作。為了實現更快的數據處理和更高的 存儲能力，未來的信息技術希望以光作為信號實現開關操作。雖然目前已有一些用光實 現開關操作的報道，但所有這些報道的光開關只具有較低的開關比(<103)而且需要較 高的光強度(>10—3 W/cm2 )來進行開關操作(T. Kawai, Y. Nakashima, M. Irie, Adv. Mater. 2005， 17, 309; X. Guo, L. Huang, S. O'Brien, et al, J. Am. Chem. Soc. 2005,127,15045; H. Kind, H. Yan, B. Messer, et al, Adv. Mater, 2002, 14, 158; W. Hu, H. Nakashima, K. Furukawa， et al， J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2804; A. Star, Y. Lu, K. Bradley, et al， Nano Lett. 2004,4, 1587; Q. Tang, L. Li, Y. Song, et al, Adv. Mater. 2007, 19, 2624 )。為了達到 實用的目的，對于光開關而言必需具有很高的開關比，而且所需的光強度也要盡可能低 以符合節能的要求。為此，人們迫切希望能夠開發出具有高開關比的光開關，并且能以 較低強度的光對其實現開關操作。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于有機光電材料及納米金屬細絲、具有高開關比、能以較 低強度的光來實現開關操作的光開關的制備方法。
一種具有高開關比的光開關的制備方法，向載有透明電極的基片上旋涂一層有機聚合物 絕緣層，聚合物絕緣層的厚度為10-200 nm，再把涂有聚合物絕緣層的玻璃基片置于真 空腔內，覆蓋以掩膜板，在真空條件下熱蒸發沉積頂端電極層，向透明電極和頂端金屬 電極之間施加2~30 V的電壓，以使金屬細絲在聚合物絕緣層中形成。
進一步地，所述的載有透明電極是錫銦氧化物或單壁碳納米管膜。 進一步地，所述的基片材料是玻璃、石英、及塑料。
進一步地，所述的有機聚合物絕緣層是光學帶寬大于3.5eV的聚合物，聚合物絕緣層的 厚度為10 200nrn。
進一步地，所述的有機聚合物絕緣層是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯醇。
進一步地，所述的頂端電極的金屬在200 ~ 500 nm光源的輻射光區要有吸光度值大于0.1 的吸收。
進一步地，所述的頂端電極的金屬是金、鋁、銀、銅、鐵。 本發明制備器件的步驟如下
向載有透明電極(如錫銦氧化物或單壁碳納米管膜等)的基片(可以是玻璃、石英、 及塑料等)上旋涂一層有機聚合物絕緣層(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯 醇等光學帶寬大于3.5 eV的聚合物)，聚合物絕緣層的厚度為10-200 nm。
向上述基片上蒸鍍一層金屬層作為頂端電極，所用的作為頂端電極的金屬在光源的輻射 光區(200~500 nm)要有吸收(吸光度值大于O.l),如金、鋁、銀、銅、鐵等，該金 屬層厚度為10 200nrn。
向透明電極和頂端金屬電極之間施加一定的電壓(2~30 V),以使金屬細絲在聚合物 絕緣層中形成。
本發明具有以下特征和優點:
1. 該器件在作為光開關使用前需要一個活化過程，即在電場的作用下，使作為頂端電 極的金屬在聚合物絕緣層中形成金屬細絲。所形成的金屬細絲作為活性物質實現對 光的響應。
2. 經活化后，該器件表現出光開關的特性。即該器件在黑暗環境中呈現為高導電狀態； 在光照的情況下會表現為低導電狀態；當移除光照后，該器件又恢復到高導電狀態。3. 本發明制備的光開關具有很高的開關比(>106)及很好的可逆性。
4. 本發明制備的光開關只需要很低強度的光( 10—5W/cm2)來進行開關操作。
5. 本發明制備光開關的過程簡便易行。
6. 本發明制備光開關所用的支撐層為聚合物絕緣層，使得該種光開關可以在有機電子 器件領域有較廣的應用范圍。


圖1光開關的結構示意圖，圖中l-Glass, 2-ITO , 3-PS, 4-Cu。
圖2結構為ITO/聚苯乙烯(PS) /Au (器件I)的光開關的在黑暗環境中器件在第一次 運行(活化過程)時的電流-電壓(I-V)曲線；
圖3是ITO/聚苯乙烯(PS) /Au (器件I)的光開關經活化后，分別在黑暗環境中、紫 外光照下、及移除紫外光照后的I-V曲線，紫外光波長為254 nm,光密度為4.1xl(T5 W/cm2 (透過ITO玻璃后光密度降為3.1xl0—5 W/cm2)。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明，但本發明并不限于此例。
本發明制備的光開關的結構為透明電極/聚合物絕緣層/頂端金屬電極。該種光開關在 黑暗環境中第一次運行時，需要用 一定的電場來促使金屬細絲在聚合物絕緣層中形成， 這時器件的導電狀態會呈現為高導電狀態，此過程被稱為活化過程。金屬細絲的形成是 因為在電場作用下，頂端電極層的金屬粒子向對電極遷移的結果。活化過程所需的最小 電壓稱之為閾值電壓，只有施加的電壓大于闊值電壓后，金屬細絲才會在聚合物絕緣層 中有效生成。以透明電極用錫銦氧化物(ITO) 2、聚合物絕緣層用聚苯乙烯(PS) 3、 頂端電極用金(Au) 4時為例(即器件I),其結構如圖1所示。器件I的活化過程的 電流-電壓(I-V )曲線如圖2所示。器件經活化后便可作為光開關應用了 ，器件I的光 電響應性能如圖3所示當在黑暗環境中向器件的兩電極上施加電壓后流經器件的電流 很大，表現為高導電狀態；當有光照時流經器件的電流則會變得很小，表現為低導電狀 態；當移除光照后，流經器件的電流又幾乎恢復到黑暗環境下的相同狀態即高導電狀態。
這表明可以用光作為控制信號來操控流經器件的電流，即實現了光開關的功能。器件I 的開關比高達1.6xl06。
為了研究這種制備光開關的方法是否對于其它的聚合物絕緣層也具有普適性，用聚甲基 丙烯酸曱酯(PMMA)代替PS制備了器件II。器件II與用PS作為聚合物絕緣層的光 開關(器件I)具有類似的現象，其開關比為L2xl05 (1 V電壓時)，略小于PS作為聚 合物絕緣層的光開關的值。
為了研究對光源的光線有吸收的其它金屬是否也具有該種光響應特性，我們用鋁(AI) 代替Au作為頂端電極制備了器件III。器件III與用Au作為頂端電極層的光開關具有類 似的現象，其開關比為4.9xl05 (1 V電壓時)。
為了研究不同波長的光照對光開關的影響，我們用365 nm的光源代替254 nm的光源測 試了器件I的光開關性能。此條件下，器件I仍能表現出光開關的功能，此時開關比為 2.9xl05,小于254nm光照條件下相同器件的開關比。
實施例1
實施步驟
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗滌劑、自來水、去離子水、丙酮、無水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物絕緣層的旋涂 將聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步蒸鍍頂端電極金屬層
把涂有聚合物絕緣層的ITO玻璃基片置于真空腔內，覆蓋以掩膜板，在1.5xl(T4 Pa的 真空條件下，熱蒸發沉積頂端電極層Au。
第四步器件性能的測試
將上迷器件于室溫、大氣環境下測試電流-電壓曲線由HP4140B半導體測試儀測得； 光功率由NewPort2835-C光功率計測得，光源為8W、波長254nm的燈管。
制備得到的光開關的結構為ITO/PS/Au，如圖1所示。對于器件I而言，PS厚度為30nm, Au厚度為30 nm。
實施例2
實施步驟
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗滌劑、自來水、去離子水、丙酮、無水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物絕緣層的旋涂
將聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步蒸鍍頂端電極金屬層
把涂有聚合物絕緣層的ITO玻璃基片置于真空腔內，覆蓋以掩膜板，在1.5xl0—Pa的 真空條件下，熱蒸發沉積頂端電極層Au。
第四步器件性能的測試
將上述器件于室溫、大氣環境下測試電流-電壓曲線由HP4140B半導體測試儀測得； 光功率由NewPort 2835-C光功率計測得，光源為8 W、波長254 nm的燈管。
制備得到的光開關的結構為ITO/PMMA/Au (器件II)。對于器件II而言，PMMA厚度 為訓跳Au厚度為30亂
實施例3
實施步驟
第一步ITO玻璃的清洗 ITO玻璃依次用洗滌劑、自來水、去離子水、丙酮、無水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物絕緣層的旋涂
將聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。
第三步蒸鍍頂端電極金屬層
把涂有聚合物絕緣層的ITO玻璃基片置于真空腔內，覆蓋以掩膜板，在1.5xl0一Pa的 真空條件下，熱蒸發沉積頂端電極層鋁(Al)。
第四步器件性能的測試
將上述器件于室溫、大氣環境下測試電流-電壓曲線由HP 4140B半導體測試儀測得； 光功率由NewPort 2835-C光功率計測得，光源為8 W、波長254 nm的燈管。
制備得到的光開關的結構為ITO/PS/AK器件III)。對于器件III而言，PS厚度為65 nm， Al厚度為50 nm。
實施例4
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗滌劑、自來水、去離子水、丙酮、無水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 千。
第二步聚合物絕緣層的旋涂 將聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步？蒼鍍頂端電極金屬層
把涂有聚合物絕緣層的ITO玻璃基片置于真空腔內，覆蓋以掩膜板，在1.5x10" Pa的 真空條件下，熱蒸發沉積頂端電極層Au。
第四步器件性能的測試
將上述器件于室溫、大氣環境下測試電流-電壓曲線由HP4140B半導體測試儀測得； 光功率由NewPort2835-C光功率計測得，光源為8W、波長365nm的燈管。
制備得到的光開關的結構為ITO/PS/Au。對于該器件而言，PS厚度為30 nm, Au厚度 為30 nm，照射光源的波長為365 nm。
權利要求
1、一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征是向載有透明電極的基片上旋涂一層有機聚合物絕緣層，聚合物絕緣層的厚度為10～200nm，再把涂有聚合物絕緣層的玻璃基片置于真空腔內，覆蓋以掩膜板，在真空條件下熱蒸發沉積頂端電極層，向透明電極和頂端金屬電極之間施加2～30V的電壓，以使納米金屬細絲在聚合物絕緣層中形成。
2、 如權利要求1所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征是是所述的載 有透明電極是錫銦氧化物或單壁碳納米管膜。
3、 如權利要求1所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征是所述的基片 材料是玻璃、石英、及塑料。
4、 如權利要求1所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征是所述的有機 聚合物絕緣層是光學帶寬大于3.5 eV的聚合物，聚合物絕緣層的厚度為10~200 nm。
5、 如權利要求1所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征所述的有機聚 合物絕緣層是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯醇。
6、 如權利要求1所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征所述的頂端電 極的金屬在200 ~ 500 nm光源的輻射光區要有吸光度值大于0.1的吸收。
7、 如權利要求6所述的一種具有高開關比的光開關的制備方法，其特征所述的頂端電 極的金屬是金、鋁、銀、銅、鐵。
全文摘要
本發明提供了一種具有高開關比的光開關的制備方法，即向載有透明電極的基片上旋涂一層有機聚合物絕緣層，聚合物絕緣層的厚度為10～200nm，再在真空條件下熱蒸發沉積頂端電極層，向透明電極和頂端金屬電極之間施加2～30V的電壓，以使納米金屬細絲在聚合物絕緣層中形成。本發明制備的光開關具有很高的開關比(＞10⁶)及很好的可逆性。本發明制備的光開關只需要很低強度的光(～10^-5W/cm²)來進行開關操作，制備光開關的過程簡便易行，制備光開關所用的支撐層為聚合物絕緣層，使得該種光開關可以在有機電子器件領域有較廣的應用范圍。
文檔編號B81C1/00GK101168436SQ20071017835
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月29日 優先權日2007年11月29日
發明者貴 于, 劉云圻, 徐新軍, 李立東, 狄重安, 魏大程 申請人:北京科技大學