专利名称：一种基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件的制作方法
技术领域：
本发明属于光电信息处理的技术领域，尤其涉及一种基于半导体材料表面掺杂的 液晶光学整流器件。
背景技术：
光电子技术是21世纪最有前途的新兴学科之一，其发展势头十分迅猛。显示材料 和器件作为光电子技术的一部分，得到了极为广泛的研究和应用。液晶材料由于具有较大 的光学各向异性、以及能在外电场下重新取向等独特优点，被广泛应用于家庭和投影电视、 空间光信号调制器、可调光栅、光开关和非线性光学器件等方面。由于液晶器件重量轻、尺 寸薄、功耗低、无辐射，因此得到人们的青睐，相关的技术和专利也层出不穷。液晶材料的优 良性能来源于液晶材料的特殊性能液晶是处于晶体和液体之间的中间相，既具有晶体的 各向异性和周期性结构，又具有液体的流动性，在电场的作用下液晶分子会发生转动形变， 产生强烈的光学非线性效应，这是液晶电光效应的微观基础。对于光信息处理器件和材料，要求能在较低的记录光功率、较低的工作电压下工 作，并且要求有很高的处理质量(比如衍射效率)。虽然液晶作为电光材料来处理光信号已 经得到一定的应用，但是需要的光强阈值非常高，也就是说只能处理非常强的光学信号，这 样就严重制约了液晶的应用，造成实际应用中的困难。为克服这个瓶颈，人们把目光投入到 掺杂液晶上面，通过在液晶里面或则表面掺入合适的杂质，利用掺杂液晶的光折变效应，实 现液晶在弱光信号下的处理。目前，基于掺杂液晶光折变效应的器件能在非常微弱的光信 号下工作，所需要的光强阈值要比纯液晶降低3个量级左右。所谓光折变效应(photorefractive effect)，是指光致折射率改变效应(light induced refractive index change effect)，它是电光材料在光辐射下由光强的空间分布 引起材料折射率相应变化的一种非线性光学效应，具体是指由于空间调制的光场(记录光 与参考光的干涉)在电光材料中产生光生载流子，载流子在外加直流电压作用下发生单向 迁移最终被捕获，这样会出现空间分布的电荷并形成内建电场，内建电场通过克尔效应使 得记录材料产生折射率变化分布，从而形成记录并存储，光信息的提取主要采用探测光通 过电光材料的衍射效应。在掺杂液晶体系中，杂质的主要作用是生成光生载流子，外加直流 电压的作用是使得载流子漂移最后形成空间电场，液晶的作用是在外电场作用下具有超大 的克尔效应、能形成强烈的折射率分布和很高的衍射效率。因此掺杂液晶的光折变效应能 够很好地完成弱光非线性的处理工作。从现状来看，尽管掺杂液晶得到大量的应用并且基于多种多样的掺杂材料，具有 不同的光学效果，但是其掺杂材料主要是非半导体的材料，其重要特点是在信号光照射下 能同时产生两种载流子(正、负载流子)，在外加电场作用下沿相反的方向扩散，形成空间 电荷和电场。因此在器件的两边加不同极性的直流电压均可以工作。传统的掺杂液晶使用非半导体材料掺杂，基于光折变效应，可以在双向电压下工 作，但是无法对电信号的极性进行选择性判断，因此也就无法使用电极性来调制信号光。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种能在单极性电压下对弱光信息的 处理的基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于半导体材料表面掺杂的液晶光 学整流器件，包括液晶层及分别依次设于液晶层两表面上的PI取向层、ITO电极及玻璃基 板，其中一 PI取向层为掺杂有半导体材料的PI取向层，另一 PI取向层为纯PI取向层。所述掺杂半导体材料为棒状纳米ZnO颗粒；所述掺杂半导体材料的掺杂浓度为重 量百分比0. 1-0. 15% ；所述棒状纳米ZnO颗粒的直径为5-lOnm，长度为30-50nm。所述ZnO颗粒通过掺入到PI取向层后经过高温固化处理。本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果本发明中，构造了一种新型的电光器件，具有与传统掺杂液晶完全不同的电光效 应，主要特点表现为以下两点①杂质采用半导体材料，本发明中给棒状纳米ZnO材料；② 将杂质掺入到液晶的一个表面取向层PI中(而不是液晶体内)。由于半导体材料在信号光 激发下只能产生单一类型的载流子(正的或则负的)，并且光折变效应产生的前提是载流 子在外加电场作用下漂移到液晶层从而使得液晶产生克尔效应，因此掺杂在液晶表面的杂 质，激发出的载流子只能在单向电压作用下漂移到液晶体内形成光折变，而反向电场会阻 碍载流子的漂移而使得其局域在取向层。因此半导体杂质的引入和杂质的表面层掺杂方式 两方面结合起来，能使得掺杂液晶在单一极性直流电压下进行工作，处理微弱的光信号。目前国内对于半导体材料掺杂液晶的研究很少，并且主要集中在液晶体内掺杂的 情况，对于表面掺杂的工作原理及其应用都没有涉及，因此本申请对于研制弱光非线性光 学器件的工作有着重要的意义，并且这种模式(单极性电压下实现对弱光信息的调制)是 开创性的。
图1为本发明液晶光学整流器件的结构示意图；图2(a)为本发明单向直流电压下的工作状态原理图；图2(b)为本发明反向直流电压下的工作状态原理图。
具体实施例方式以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。(一)器件结构本发明器件的结构和传统的液晶显示器很类似，都是将液晶层夹在两边PI取向 层中间(PI取向层经过表面的摩擦等处理)，外面再加上ITO电极和玻璃基板。所不同的 是传统的液晶显示器的两边取向层是纯的PI材料，而在本发明中则是其中一边仍是纯的 PI材料，另一边则是在纯的PI中掺入半导体棒状纳米ZnO材料，掺杂浓度为重量百分比 0. 1-0. 15%，见图1。由于ZnO掺入到PI层后经过了高温固化处理，因此ZnO颗粒是不能从 表面层进入液晶主体材料，但是在外加激光的激发下，ZnO产生的光生载流子则可以进入液 晶层后，形成空间电荷。
( 二 )全息光学系统光路如图2所示，在单极性直流电压下，使用两束相干的弱光(比如532nm，光强可 低至mW/mm2)来照射器件，通过一束微弱的探测光(比如633nm)的衍射效果来展示对光学 信号的处理。本器件的工作原理主要是基于掺杂液晶的光折变效应，但是传统的掺杂液晶的光 折变效应可以在双向直流电压下工作，而本器件只在单向直流电压下工作。①工作状态 见图2(a)，器件外接单向直流电压(正向电压，B接+，A接-)。表面取向层掺杂的ZnO杂 质在外加信号光强分布的状态下被激发，亮处产生光生载流子(主要是电子)，并在外加直 流电压下漂移到液晶层形成空间电荷，产生光折变效应。空间电荷的电场(Es)和外加直 流电场(Ed)的叠加分布是周期非均勻的，导致液晶折射率的分布也对应成空间周期变化。 因此可以对探测光进行衍射，通过衍射的状态来反映器件对光信号的处理；②非工作状态 见图2(b)，器件外接反向电压下(B接-，A接+)的非工作状态，虽然ZnO杂质能在外加非 均勻的信号光作用下产生光生载流子，但是此时由于外加直流电场的阻碍，光生载流子被 局限在表面取向层不能漂移，无法进入液晶层中形成光折变效应。因此整个液晶层只在外 加直流电场(Ed)下均勻形变，不能实现折射率分布的周期变化，无法对探测光衍射，结果 是没有光学效应的产生。(三)器件性能①工作电压0-10V，单向直流电压②信号光强l-10mW/mm2③衍射效率10%④响应时间10-30mS，指在外加正向电压下衍射的建立时间。(四)应用本器件能直接形成光学输入到光学输出的处理，适合于全光系统，也就是说将输 入的信号光直接转化成输出的衍射光信号，而不必经过光学到电学、再到光学的转换。因 此，这种混合器件能提高效率，减少转换的额外开销。而传统的光电半导体或者掺杂液晶存 在如下的问题(1)传统的半导体光电二极管只能实现光-电信号的处理，将信号光转换成对应 的电流，如果希望把最后的处理效果转换成光学效应，实现光_光的处理的话，必须再另外 接电光效应的器件，把电效应再转换成光效应。整个过程复杂、效率低；(2)传统的掺杂液晶不使用半导体材料掺杂，基于光折变效应，可以在双向电压 下工作，无法对电信号的极性进行选择性判断，因此也就无法使用电极性来调制信号光。因此本专利申请的器件是一种新型的全光器件，同时又能使用不同极性的电信号 对光信号进行调制，具有很好的创新性和应用前景。
权利要求
一种基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，包括液晶层及分别依次设于液晶层两表面上的PI取向层、ITO电极及玻璃基板，其特征在于，其中一PI取向层为掺杂有半导体材料的PI取向层，另一PI取向层为纯PI取向层。
2.根据权利要求1所述的基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，其特征在 于，所述掺杂半导体材料为棒状纳米ZnO颗粒。
3.根据权利要求2所述的基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，其特征在 于，所述掺杂半导体材料的掺杂浓度为重量百分比0. 1-0. 15%。
4.根据权利要求3所述的基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，其特征在 于，所述棒状纳米ZnO颗粒的直径为5-lOnm，长度为30-50nm。
5.根据权利要求3所述的基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，其特征在 于，所述ZnO颗粒通过掺入到PI取向层后经过高温固化处理。
全文摘要
本发明属于光电信息处理的技术领域，尤其涉及一种能在外加单向直流电作用下对光学信号进行处理的、基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，具体公开了一种基于半导体材料表面掺杂的液晶光学整流器件，包括液晶层及分别依次设于液晶层两表面上的PI取向层、ITO电极及玻璃基板，其中一PI取向层为掺杂有半导体材料的PI取向层，另一PI取向层为纯PI取向层。本发明能直接形成光学输入到光学输出的处理，适合于全光系统，也就是将输入的信号光直接转化成输出的衍射光信号，而不必经过光学到电学、再到光学的转换；因此，这种器件能提高效率，减少转换的额外开销。
文档编号G02F1/1337GK101893787SQ20101021686
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者刘忆琨, 郭玉冰, 陈涌海, 项颖 申请人:广东工业大学