專利名稱：基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光電信息處理的技術領域，尤其涉及一種基于半導體材料表面摻 雜的液晶光學整流器件。
背景技術：
光電子技術是21世紀最有前途的新興學科之一，其發(fā)展勢頭十分迅猛。顯示材料 和器件作為光電子技術的一部分，得到了極為廣泛的研究和應用。液晶材料由于具有較大 的光學各向異性、以及能在外電場下重新取向等獨特優(yōu)點，被廣泛應用于家庭和投影電視、 空間光信號調制器、可調光柵、光開關和非線性光學器件等方面。由于液晶器件重量輕、尺 寸薄、功耗低、無輻射，因此得到人們的青睞，相關的技術和專利也層出不窮。液晶材料的優(yōu) 良性能來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構，又具有液體的流動性，在電場的作用下液晶分子會發(fā)生轉動形變， 產生強烈的光學非線性效應，這是液晶電光效應的微觀基礎。對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量(比如衍射效率)。雖然液晶作為電光材料來處理光信號已 經得到一定的應用，但是需要的光強閾值非常高，也就是說只能處理非常強的光學信號，這 樣就嚴重制約了液晶的應用，造成實際應用中的困難。為克服這個瓶頸，人們把目光投入到 摻雜液晶上面，通過在液晶里面或則表面摻入合適的雜質，利用摻雜液晶的光折變效應，實 現(xiàn)液晶在弱光信號下的處理。目前，基于摻雜液晶光折變效應的器件能在非常微弱的光信 號下工作，所需要的光強閾值要比純液晶降低3個量級左右。所謂光折變效應(photorefractive effect)，是指光致折射率改變效應(light induced refractive index change effect)，它是電光材料在光輻射下由光強的空間分布 引起材料折射率相應變化的一種非線性光學效應，具體是指由于空間調制的光場(記錄光 與參考光的干涉)在電光材料中產生光生載流子，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，這樣會出現(xiàn)空間分布的電荷并形成內建電場，內建電場通過克爾效應使 得記錄材料產生折射率變化分布，從而形成記錄并存儲，光信息的提取主要采用探測光通 過電光材料的衍射效應。在摻雜液晶體系中，雜質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，液晶的作用是在外電場作用下具有超大 的克爾效應、能形成強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能 夠很好地完成弱光非線性的處理工作。從現(xiàn)狀來看，盡管摻雜液晶得到大量的應用并且基于多種多樣的摻雜材料，具有 不同的光學效果，但是其摻雜材料主要是非半導體的材料，其重要特點是在信號光照射下 能同時產生兩種載流子(正、負載流子)，在外加電場作用下沿相反的方向擴散，形成空間 電荷和電場。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體材料摻雜，基于光折變效應，可以在雙向電壓下工 作，但是無法對電信號的極性進行選擇性判斷，因此也就無法使用電極性來調制信號光。
實用新型內容針對現(xiàn)有技術的缺點，本實用新型的目的是提供一種能在單極性電壓下對弱光信 息的處理的基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案為一種基于半導體材料表面摻雜的液 晶光學整流器件，包括液晶層及分別依次設于液晶層兩表面上的PI取向層、ITO電極及玻 璃基板，其中一 PI取向層為摻雜有半導體材料的PI取向層，另一 PI取向層為純PI取向層。所述摻雜半導體材料為棒狀納米ZnO顆粒；所述摻雜半導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，長度為30-50nm。所述ZnO顆粒通過摻入到PI取向層后經過高溫固化處理。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點和有益效果本實用新型中，構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，主要特點表現(xiàn)為以下兩點①雜質采用半導體材料，本實用新型中給棒狀納米aio 材料；②將雜質摻入到液晶的一個表面取向層pi中(而不是液晶體內)。由于半導體材料 在信號光激發(fā)下只能產生單一類型的載流子(正的或則負的)，并且光折變效應產生的前 提是載流子在外加電場作用下漂移到液晶層從而使得液晶產生克爾效應，因此摻雜在液晶 表面的雜質，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形成光折變，而反向 電場會阻礙載流子的漂移而使得其局域在取向層。因此半導體雜質的引入和雜質的表面層 摻雜方式兩方面結合起來，能使得摻雜液晶在單一極性直流電壓下進行工作，處理微弱的 光信號。目前國內對于半導體材料摻雜液晶的研究很少，并且主要集中在液晶體內摻雜的 情況，對于表面摻雜的工作原理及其應用都沒有涉及，因此本申請對于研制弱光非線性光 學器件的工作有著重要的意義，并且這種模式(單極性電壓下實現(xiàn)對弱光信息的調制)是 開創(chuàng)性的。

圖1為本實用新型液晶光學整流器件的結構示意圖；圖2(a)為本實用新型單向直流電壓下的工作狀態(tài)原理圖；圖2(b)為本實用新型反向直流電壓下的工作狀態(tài)原理圖。
具體實施方式
以下結合實施例及附圖對本實用新型進行詳細的描述。(一)器件結構本實用新型器件的結構和傳統(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取向層經過表面的摩擦等處理)，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層是純的PI材料，而在本實用新型中則是其中一邊仍 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層后經過了高溫固化處理，因此ZnO顆粒是 不能從表面層進入液晶主體材料，但是在外加激光的激發(fā)下，ZnO產生的光生載流子則可以進入液晶層后，形成空間電荷。( 二)全息光學系統(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，光強可 低至mW/rnii^)來照射器件，通過一束微弱的探測光(比如633nm)的衍射效果來展示對光學 信號的處理。本器件的工作原理主要是基于摻雜液晶的光折變效應，但是傳統(tǒng)的摻雜液晶的光 折變效應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-)。表面取向層摻雜的ZnO雜 質在外加信號光強分布的狀態(tài)下被激發(fā)，亮處產生光生載流子(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，產生光折變效應?？臻g電荷的電場(Es)和外加直 流電場(Ed)的疊加分布是周期非均勻的，導致液晶折射率的分布也對應成空間周期變化。 因此可以對探測光進行衍射，通過衍射的狀態(tài)來反映器件對光信號的處理；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雜質能在外加非 均勻的信號光作用下產生光生載流子，但是此時由于外加直流電場的阻礙，光生載流子被 局限在表面取向層不能漂移，無法進入液晶層中形成光折變效應。因此整個液晶層只在外 加直流電場(Ed)下均勻形變，不能實現(xiàn)折射率分布的周期變化，無法對探測光衍射，結果 是沒有光學效應的產生。(三)器件性能①工作電壓0-10V，單向直流電壓②信號光強l-10mW/mm2③衍射效率10%④響應時間10-30mS，指在外加正向電壓下衍射的建立時間。(四)應用本器件能直接形成光學輸入到光學輸出的處理，適合于全光系統(tǒng)，也就是說將輸 入的信號光直接轉化成輸出的衍射光信號，而不必經過光學到電學、再到光學的轉換。因 此，這種混合器件能提高效率，減少轉換的額外開銷。而傳統(tǒng)的光電半導體或者摻雜液晶存 在如下的問題(1)傳統(tǒng)的半導體光電二極管只能實現(xiàn)光-電信號的處理，將信號光轉換成對應 的電流，如果希望把最后的處理效果轉換成光學效應，實現(xiàn)光-光的處理的話，必須再另外 接電光效應的器件，把電效應再轉換成光效應。整個過程復雜、效率低；(2)傳統(tǒng)的摻雜液晶不使用半導體材料摻雜，基于光折變效應，可以在雙向電壓 下工作，無法對電信號的極性進行選擇性判斷，因此也就無法使用電極性來調制信號光。因此本專利申請的器件是一種新型的全光器件，同時又能使用不同極性的電信號 對光信號進行調制，具有很好的創(chuàng)新性和應用前景。
權利要求1.一種基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件，包括液晶層及分別依次設于液 晶層兩表面上的PI取向層、ITO電極及玻璃基板，其特征在于，其中一 PI取向層為摻雜有 半導體材料的PI取向層，另一 PI取向層為純PI取向層。
2.根據權利要求1所述的基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件，其特征在 于，所述摻雜半導體材料為棒狀納米ZnO顆粒。
3.根據權利要求2所述的基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件，其特征在 于，所述ZnO顆粒通過摻入到PI取向層后經過高溫固化處理。
專利摘要本實用新型屬于光電信息處理的技術領域，尤其涉及一種能在外加單向直流電作用下對光學信號進行處理的、基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件，具體公開了一種基于半導體材料表面摻雜的液晶光學整流器件，包括液晶層及分別依次設于液晶層兩表面上的PI取向層、ITO電極及玻璃基板，其中一PI取向層為摻雜有半導體材料的PI取向層，另一PI取向層為純PI取向層。本實用新型能直接形成光學輸入到光學輸出的處理，適合于全光系統(tǒng)，也就是將輸入的信號光直接轉化成輸出的衍射光信號，而不必經過光學到電學、再到光學的轉換；因此，這種器件能提高效率，減少轉換的額外開銷。
文檔編號G02F1/1337GK201876640SQ20102024695
公開日2011年6月22日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2010年7月2日
發(fā)明者劉憶琨, 郭玉冰, 陳涌海, 項穎 申請人:廣東工業(yè)大學