一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器，包括介质基板和附着于介质基板表面的有机聚合物薄膜，介质基板为具有高阻抗值的硅材料，厚度0.1-2mm，有机聚合物薄膜由聚2-(2-乙基已氧基)-5-甲氧基苯乙炔均匀旋涂在介质基板上形成，薄膜厚度为100-250nm。本发明提供了一种制备简单，造价低廉、调制深度高、稳定可靠的光控太赫兹波调制器。
【专利说明】一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹光谱、通信和成像领域，涉及一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
【背景技术】
[0002]太赫兹是指频率段在0.1THz到IOTHz的电磁辐射波。这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。太赫兹波由于具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，在无损检测、无线通信、军用雷达、医疗卫生等众多领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来，众多研究小组开展了太赫兹无线通信领域的研究。太赫兹波由于其所属频段的特点，使得太赫兹无线通信具有频段资源丰富、保密性好、抗干扰强等特点，其传输速率可达l_24Gbps。因此，以太赫兹波作为通信载体的新型通信系统正成为国内外研究的重点，而太赫兹调制器是太赫兹通信系统的核心器件，用于对太赫兹波进行调制。
[0003]近年来，多种太赫兹调制器被提出，包括光子晶体、半导体硅、超材料、量子阱、石墨烯等太赫兹调制器。太赫兹调制器按调制方式可以分为调幅、调频和调相；按控制方式可以分为电控、磁控、热控、光控等类型。太赫兹调制器的关键指标有:工作带宽、工作频率、调制速率、调制深度、传输损耗等。目前，太赫兹调制器的结构则集中在亚波长孔阵列、光子晶体柱阵列、电磁共振器阵列、肖特基栅阵列等。其中，CN103364973A介绍了一种在聚酰亚胺材料表面沉积V02或者V205金属钒纳米薄膜，利用这种材料的相变特性制作而成的太赫兹调制器，其调制深度达到了 40%。日本和韩国的科学家则使用Si做为基底，利用热蒸镀法在表面附着一层纳米级厚度的有机材料(CuPc)薄膜，这种调制器的调制深度可达55%以上，但制作成本非常昂贵[Hyung Keun Yoo, APL, 99, 061108,2011]。
[0004]目前，太赫兹调制器存在以下问题:工作频率低，且工作带宽窄，一般只有几个GHz ;调制深度低，信噪比差，一般在55%左右；调制速率低，一般在MHz量级；器件制造成本高，材料费用高、加工复杂。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器及其制备方法。
[0006]—种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器，包括介质基板和附着于介质基板表面的有机聚合物薄膜；所述介质基板是对太赫兹波具有高透过滤的硅材料；所述有机聚合物薄膜是由共轭聚合物材料利用旋涂法均匀旋涂在介质基板上形成的薄膜。
[0007]以上太赫兹波调制器，所述的介质基板为具有高阻抗值的硅基片，其阻抗值为I万欧母，厚度为0.l-2mm。
[0008]所述共轭聚合物材料选自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)中的一种。
[0009]所述有机聚合物薄膜的厚度为100_250nm。
[0010]—种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器的制备方法,将娃基片固定在勻胶机的旋转台上，设定旋转台的转速和旋转时间；将共轭聚合物材料溶液滴覆在硅基片上，开始旋转至停止；将旋涂好的硅基片真空干燥即得到产品基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
[0011]其中:旋转台转速为800-2000转/分钟，旋转时间为60秒。
[0012]旋涂好的硅基片在80°C下真空干燥I小时。
[0013]具体的，一种基于MEH-PPV薄膜的太赫兹波调制器的制备方法:包括以下步骤:
[0014]步骤一、配制MEH-PPV溶液:使用型号为TCX-300S的超声波清洗机，将待用的溶液瓶在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将溶液瓶吹干；称量定量的MEH-PPV絮状材料，配制成浓度为7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液；
[0015]步骤二、清洗硅基片:将选定厚度的硅基片在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将基片吹干；
[0016]步骤三、旋涂:使用型号为KW-4A的匀胶机，将硅基片用吸压的方式固定在匀胶机的旋转台上，设定旋转台的转速为1000-2000转/分钟、旋转时间60秒；然后将MEH-PPV溶液滴覆在硅基片上，开始旋转；
[0017]步骤四、干燥成膜:将旋涂好的硅基片放入型号为DZF-6020的干燥箱内，在80°C下真空处理I小时，得到基片上覆有纯净、平整的薄膜的产品即基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
[0018]其中步骤三滴覆在硅基片上MEH-PPV溶液量为100-150 μ I。
[0019]本发明提供了一种制备简单，造价低廉、调制深度高、稳定可靠的光控太赫兹波调制器，解决【背景技术】中太赫兹波调制器的调制带宽窄、调制深度低、制作成本高、加工复杂等关键技术问题，其制备过程简单、通过外部低功率激光控制、稳定可靠。本发明的有益效果为:1)本发明提供了一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器，借助于激光激励，利用受激吸收原理实现对太赫兹波进行幅度调制。2)该太赫兹调制器调制带宽大，超过2.0ΤΗΖ。3)该太赫兹调制器的调制深度超过95%。3)该调制器结构简单、制作方法成熟、成本低廉，便于集成化，可以满足太赫兹通信系统的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的太赫兹波调制器的结构示意图。1-介质基板；2-有机聚合物薄膜。
[0021]图2是激励激光功率下本发明太赫兹调制器的调制频谱图。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器，其结构如图1所示，包括介质基板2和附着于介质基板2表面的有机聚合物薄膜1，薄膜I是利用旋涂法将有机聚合物均匀地旋涂在介质基板2上形成的。其中:[0023]介质基板2为对太赫兹波具有高透过率的硅材料(简称Si)，具有高阻抗值，其阻抗值为I万欧姆，厚度为0.l-2mm。
[0024]有机聚合物薄膜I的有机聚合物为共轭聚合物材料，可选自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。例如本发明实施例中选用了一种聚对苯乙烯的衍生物MEH-PPV，其为已知的聚合物发光材料，可用市售产品，使用中要求其分子量超过10万。使用MEH-PPV的薄膜I是利用旋涂法将MEH-PPV材料均匀的旋涂在介质基板上，形成的薄膜厚度为 100-250nm。
[0025]本发明该基于有机聚合物薄膜利用受激吸收原理实现对太赫兹波的幅度调制。
[0026]下面对本发明太赫兹波调制的制备过程和测试分析进行具体描述。
[0027]实施例中选用厚度为2mm的硅基片作为介质基板，选用分子量超过10万的MEH-PPV作为薄膜的有机聚合物材料。制备过程如下:
[0028]步骤一:配制MEH-PPV溶液。使用型号为TCX-300S的超声波清洗机，首先将待用的溶液瓶在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将溶液瓶吹干。称量定量的MEH-PPV絮状材料，配制成浓度为7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液。
[0029]步骤二:清洗介质基板(基片)。先将厚度为2mm的硅基片在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将基片吹干。
[0030]步骤三:旋涂。使用型号为KW-4A的匀胶机将MEH-PPV溶液均匀的旋涂在洁净的基片上，操作为:将基片用吸压的方式固定在匀胶机的旋转台上，本例设定旋转台的转速为1300转/分钟、旋转时间为60秒(定值)；然后将MEH-PPV溶液120 μ I (定值)滴覆在基片上，开始旋转；最终大部分溶液将会被甩出，最终只有不到10%的溶液在表面张力的作用下附着在基片上。
[0031]步骤四:干燥成膜。将旋涂好的基片放入型号为DZF-6020的干燥箱内，在80°C下真空处理I小时，得到基片上覆有纯净、平整的聚合物薄膜的产品即基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
[0032]对制备得到的基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器进行以下测试分析:
[0033]1、用型号为 Ambios Technology XP_2Surface Profilometer 的台阶仪对制备的产品薄膜厚度进行检测。结果本实施例产品薄膜厚度为lOOnm。
[0034]2、利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对该太赫兹调制器进行太赫兹透射光谱测试。首先，将制备得到的基于有机聚合物薄膜的太赫兹调制器放置在太赫兹时域光谱系统中，其位置位于光谱仪中太赫兹波的焦点处，让太赫兹波透过该调制器，测试其在没有激励激光时的太赫兹透射光谱。其次，加入外部激励激光，让其以45度角入射，照射位置与太赫兹焦点打在调制器的位置相同，所用激励激光的波长为450nm，功率变化范围为0-480mW，记录在不同功率下的太赫兹透射光谱图。最后，利用傅立叶变化将时域光谱变为频域光谱，分析其频谱功率特性。
[0035]结果:图2显示了激励激光功率下本发明太赫兹调制器的调制频谱图。从图2可见:本发明制备得到的基于有机聚合物薄膜的太赫兹调制器调制带宽超过2.0THz，最大调制深度可达95%，已远远大于文献CN103364973A介绍的调制深度40%和文献[Hyung KeunYoo, APL,99, 061108,2011]中介绍的调制深度55%。对照国内外已有成果数据，本发明调制深度高、稳定可靠，达到了对太赫兹波进行有效幅度调制的效果。
[0036]参照上述实施例进行了多参数变化实验，有以下结果:
[0037]1、调整MEH-PPV甲苯溶液在基片上的滴入量(100-150μ1)和旋转台的转速(800-2000转/分钟)，可以调整薄膜厚度在100-250nm范围内变化。经同样测试，薄膜厚度在100-250nm范围内变化所得到的基于MEH-PPV有机聚合物薄膜的太赫兹调制器，其调制带宽同样超过2.0THz，最大调制深度均可超过90%，且薄膜厚度对调制效果没有明确影响。从制作成本和操作可行性考虑，确定薄膜厚度在100-250nm范围较为适宜。
[0038]2、改变步骤三干燥成膜温度和时间，发现其对成膜厚度无影响，但对膜的均匀程度有影响，本发明设定的80°C下真空处理I小时是最佳值。低于该数值不易于成膜，而温度过高或时间过长则存在浪费。
[0039]3、在0.l-2mm范围内改变硅基片厚度，结果发现硅基片的厚度变化对基于有机聚合物薄膜的太赫兹调制器的调制效果没有影响，基片太薄不利于操作和使用，而基片太厚将加大成本。因此，确定基片厚度在0.l_2mm范围较为适宜。
[0040]4、改变有机聚合物材料为PFO、F8BT和P3HT，所得到的基于有机聚合物薄膜的太赫兹调制器也具有类似的调制效果。
[0041]另一方面，本发明所提供的调制器结构简单，薄膜材料选材广泛且较CuPc便宜，采用旋涂的制作方法简单但成熟，制作成本大幅降低(对比文献使用热蒸法，热蒸镀仪单价在百万以上，而本发明所用设备总价在2万以内)，也便于集成化生产。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器，其特征在于:包括介质基板和附着于介质基板表面的有机聚合物薄膜；所述介质基板是对太赫兹波具有高透过滤的硅材料；所述有机聚合物薄膜是由共轭聚合物材料利用旋涂法均匀旋涂在介质基板上形成的薄膜。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述介质基板为具有高阻抗值的娃基片，其阻抗值为I万欧母，厚度为0.l-2mm。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述共轭聚合物材料选自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)中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述共轭聚合物材料为聚2- (2-乙基已氧基)-5-甲氧基苯乙炔(简称MEH-PPV)。
5.根据权利要求1至4任一所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述有机聚合物薄膜的厚度为100-250nm。
6.权利要求1至4任一所述基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于:将硅基片固定在匀胶机的旋转台上，设定旋转台的转速和旋转时间；将共轭聚合物材料溶液滴覆在硅基片上，开始旋转至停止；将旋涂好的硅基片真空干燥即得到产品基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于:旋转台转速为800-2000转/分钟，旋转时间为60秒。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于:旋涂好的硅基片在80°C下真空干燥I小时。
9.根据权利要求5或6或7或8所述的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一、配制MEH-PPV溶液:使用型号为TCX-300S的超声波清洗机，将待用的溶液瓶在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将溶液瓶吹干；称量定量的MEH-PPV絮状材料，配制成浓度为7mg/ml的MEH-PPV甲苯溶液； 步骤二、清洗硅基片:将选定厚度的硅基片在离子水中超声后，用清洁剂擦洗干净，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水反复超声清洗，最后用氮气将基片吹干； 步骤三、旋涂:使用型号为KW-4A的匀胶机，将硅基片用吸压的方式固定在匀胶机的旋转台上，设定旋转台的转速为1000-2000转/分钟、旋转时间60秒；然后将MEH-PPV溶液滴覆在硅基片上，开始旋转； 步骤四、干燥成膜:将旋涂好的硅基片放入型号为DZF-6020的干燥箱内，在80°C下真空处理I小时，得到基片上覆有纯净、平整的薄膜的产品即基于有机聚合物薄膜的太赫兹波调制器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于:步骤三滴覆在硅基片上MEH-PPV溶液量为 100-150 μ I。
【文档编号】G02F1/01GK104007566SQ201410222118
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】张波, 和挺, 沈京玲, 陈天霁, 臧梦迪 申请人:首都师范大学