一种具有高开关比的光开关的制备方法

专利名称：一种具有高开关比的光开关的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种对光线敏感的光开关的制备方法。
背景技术：
纳米电子器件在近些年来得到了广泛的研究并取得了巨大的进步，因为它可以突破现有 基于硅的微米电子器件的限制，使未来的电子器件集成度更高、尺寸更小。当在逻辑电 路和数据存储中使用时，这些纳米电子器件有许多都要依赖于开关操作。目前，绝大多 数已报道的纳米开关都是依靠电场来完成开关操作。为了实现更快的数据处理和更高的 存储能力，未来的信息技术希望以光作为信号实现开关操作。虽然目前已有一些用光实 现开关操作的报道，但所有这些报道的光开关只具有较低的开关比(<103)而且需要较 高的光强度(>10—3 W/cm2 )来进行开关操作(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 )。为了达到 实用的目的，对于光开关而言必需具有很高的开关比，而且所需的光强度也要尽可能低 以符合节能的要求。为此，人们迫切希望能够开发出具有高开关比的光开关，并且能以 较低强度的光对其实现开关操作。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有机光电材料及纳米金属细丝、具有高开关比、能以较 低强度的光来实现开关操作的光开关的制备方法。
一种具有高开关比的光开关的制备方法，向载有透明电极的基片上旋涂一层有机聚合物 绝缘层，聚合物绝缘层的厚度为10-200 nm，再把涂有聚合物绝缘层的玻璃基片置于真 空腔内，覆盖以掩膜板，在真空条件下热蒸发沉积顶端电极层，向透明电极和顶端金属 电极之间施加2~30 V的电压，以使金属细丝在聚合物绝缘层中形成。
进一步地，所述的载有透明电极是锡铟氧化物或单壁碳纳米管膜。 进一步地，所述的基片材料是玻璃、石英、及塑料。
进一步地，所述的有机聚合物绝缘层是光学带宽大于3.5eV的聚合物，聚合物绝缘层的 厚度为10 200nrn。
进一步地，所述的有机聚合物绝缘层是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯醇。
进一步地，所述的顶端电极的金属在200 ~ 500 nm光源的辐射光区要有吸光度值大于0.1 的吸收。
进一步地，所述的顶端电极的金属是金、铝、银、铜、铁。 本发明制备器件的步骤如下
向载有透明电极(如锡铟氧化物或单壁碳纳米管膜等)的基片(可以是玻璃、石英、 及塑料等)上旋涂一层有机聚合物绝缘层(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯 醇等光学带宽大于3.5 eV的聚合物)，聚合物绝缘层的厚度为10-200 nm。
向上述基片上蒸镀一层金属层作为顶端电极，所用的作为顶端电极的金属在光源的辐射 光区(200~500 nm)要有吸收(吸光度值大于O.l),如金、铝、银、铜、铁等，该金 属层厚度为10 200nrn。
向透明电极和顶端金属电极之间施加一定的电压(2~30 V),以使金属细丝在聚合物 绝缘层中形成。
本发明具有以下特征和优点:
1. 该器件在作为光开关使用前需要一个活化过程，即在电场的作用下，使作为顶端电 极的金属在聚合物绝缘层中形成金属细丝。所形成的金属细丝作为活性物质实现对 光的响应。
2. 经活化后，该器件表现出光开关的特性。即该器件在黑暗环境中呈现为高导电状态； 在光照的情况下会表现为低导电状态；当移除光照后，该器件又恢复到高导电状态。3. 本发明制备的光开关具有很高的开关比(>106)及很好的可逆性。
4. 本发明制备的光开关只需要很低强度的光( 10—5W/cm2)来进行开关操作。
5. 本发明制备光开关的过程简便易行。
6. 本发明制备光开关所用的支撑层为聚合物绝缘层，使得该种光开关可以在有机电子 器件领域有较广的应用范围。


图1光开关的结构示意图，图中l-Glass, 2-ITO , 3-PS, 4-Cu。
图2结构为ITO/聚苯乙烯(PS) /Au (器件I)的光开关的在黑暗环境中器件在第一次 运行(活化过程)时的电流-电压(I-V)曲线；
图3是ITO/聚苯乙烯(PS) /Au (器件I)的光开关经活化后，分别在黑暗环境中、紫 外光照下、及移除紫外光照后的I-V曲线，紫外光波长为254 nm,光密度为4.1xl(T5 W/cm2 (透过ITO玻璃后光密度降为3.1xl0—5 W/cm2)。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于此例。
本发明制备的光开关的结构为透明电极/聚合物绝缘层/顶端金属电极。该种光开关在 黑暗环境中第一次运行时，需要用 一定的电场来促使金属细丝在聚合物绝缘层中形成， 这时器件的导电状态会呈现为高导电状态，此过程被称为活化过程。金属细丝的形成是 因为在电场作用下，顶端电极层的金属粒子向对电极迁移的结果。活化过程所需的最小 电压称之为阈值电压，只有施加的电压大于阔值电压后，金属细丝才会在聚合物绝缘层 中有效生成。以透明电极用锡铟氧化物(ITO) 2、聚合物绝缘层用聚苯乙烯(PS) 3、 顶端电极用金(Au) 4时为例(即器件I),其结构如图1所示。器件I的活化过程的 电流-电压(I-V )曲线如图2所示。器件经活化后便可作为光开关应用了 ，器件I的光 电响应性能如图3所示当在黑暗环境中向器件的两电极上施加电压后流经器件的电流 很大，表现为高导电状态；当有光照时流经器件的电流则会变得很小，表现为低导电状 态；当移除光照后，流经器件的电流又几乎恢复到黑暗环境下的相同状态即高导电状态。
这表明可以用光作为控制信号来操控流经器件的电流，即实现了光开关的功能。器件I 的开关比高达1.6xl06。
为了研究这种制备光开关的方法是否对于其它的聚合物绝缘层也具有普适性，用聚甲基 丙烯酸曱酯(PMMA)代替PS制备了器件II。器件II与用PS作为聚合物绝缘层的光 开关(器件I)具有类似的现象，其开关比为L2xl05 (1 V电压时)，略小于PS作为聚 合物绝缘层的光开关的值。
为了研究对光源的光线有吸收的其它金属是否也具有该种光响应特性，我们用铝(AI) 代替Au作为顶端电极制备了器件III。器件III与用Au作为顶端电极层的光开关具有类 似的现象，其开关比为4.9xl05 (1 V电压时)。
为了研究不同波长的光照对光开关的影响，我们用365 nm的光源代替254 nm的光源测 试了器件I的光开关性能。此条件下，器件I仍能表现出光开关的功能，此时开关比为 2.9xl05,小于254nm光照条件下相同器件的开关比。
实施例1
实施步骤
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物绝缘层的旋涂 将聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步蒸镀顶端电极金属层
把涂有聚合物绝缘层的ITO玻璃基片置于真空腔内，覆盖以掩膜板，在1.5xl(T4 Pa的 真空条件下，热蒸发沉积顶端电极层Au。
第四步器件性能的测试
将上迷器件于室温、大气环境下测试电流-电压曲线由HP4140B半导体测试仪测得； 光功率由NewPort2835-C光功率计测得，光源为8W、波长254nm的灯管。
制备得到的光开关的结构为ITO/PS/Au，如图1所示。对于器件I而言，PS厚度为30nm, Au厚度为30 nm。
实施例2
实施步骤
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物绝缘层的旋涂
将聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步蒸镀顶端电极金属层
把涂有聚合物绝缘层的ITO玻璃基片置于真空腔内，覆盖以掩膜板，在1.5xl0—Pa的 真空条件下，热蒸发沉积顶端电极层Au。
第四步器件性能的测试
将上述器件于室温、大气环境下测试电流-电压曲线由HP4140B半导体测试仪测得； 光功率由NewPort 2835-C光功率计测得，光源为8 W、波长254 nm的灯管。
制备得到的光开关的结构为ITO/PMMA/Au (器件II)。对于器件II而言，PMMA厚度 为訓跳Au厚度为30亂
实施例3
实施步骤
第一步ITO玻璃的清洗 ITO玻璃依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 干。
第二步聚合物绝缘层的旋涂
将聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。
第三步蒸镀顶端电极金属层
把涂有聚合物绝缘层的ITO玻璃基片置于真空腔内，覆盖以掩膜板，在1.5xl0一Pa的 真空条件下，热蒸发沉积顶端电极层铝(Al)。
第四步器件性能的测试
将上述器件于室温、大气环境下测试电流-电压曲线由HP 4140B半导体测试仪测得； 光功率由NewPort 2835-C光功率计测得，光源为8 W、波长254 nm的灯管。
制备得到的光开关的结构为ITO/PS/AK器件III)。对于器件III而言，PS厚度为65 nm， Al厚度为50 nm。
实施例4
第一步ITO玻璃的清洗
ITO玻璃依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇清洗，然后置于烘箱中烘 千。
第二步聚合物绝缘层的旋涂 将聚苯乙烯的氯苯溶液旋涂至ITO表面。 第三步？苍镀顶端电极金属层
把涂有聚合物绝缘层的ITO玻璃基片置于真空腔内，覆盖以掩膜板，在1.5x10" Pa的 真空条件下，热蒸发沉积顶端电极层Au。
第四步器件性能的测试
将上述器件于室温、大气环境下测试电流-电压曲线由HP4140B半导体测试仪测得； 光功率由NewPort2835-C光功率计测得，光源为8W、波长365nm的灯管。
制备得到的光开关的结构为ITO/PS/Au。对于该器件而言，PS厚度为30 nm, Au厚度 为30 nm，照射光源的波长为365 nm。
权利要求
1、一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征是向载有透明电极的基片上旋涂一层有机聚合物绝缘层，聚合物绝缘层的厚度为10～200nm，再把涂有聚合物绝缘层的玻璃基片置于真空腔内，覆盖以掩膜板，在真空条件下热蒸发沉积顶端电极层，向透明电极和顶端金属电极之间施加2～30V的电压，以使纳米金属细丝在聚合物绝缘层中形成。
2、 如权利要求1所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征是是所述的载 有透明电极是锡铟氧化物或单壁碳纳米管膜。
3、 如权利要求1所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征是所述的基片 材料是玻璃、石英、及塑料。
4、 如权利要求1所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征是所述的有机 聚合物绝缘层是光学带宽大于3.5 eV的聚合物，聚合物绝缘层的厚度为10~200 nm。
5、 如权利要求1所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征所述的有机聚 合物绝缘层是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸曱酯、聚乙烯醇。
6、 如权利要求1所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征所述的顶端电 极的金属在200 ~ 500 nm光源的辐射光区要有吸光度值大于0.1的吸收。
7、 如权利要求6所述的一种具有高开关比的光开关的制备方法，其特征所述的顶端电 极的金属是金、铝、银、铜、铁。
全文摘要
本发明提供了一种具有高开关比的光开关的制备方法，即向载有透明电极的基片上旋涂一层有机聚合物绝缘层，聚合物绝缘层的厚度为10～200nm，再在真空条件下热蒸发沉积顶端电极层，向透明电极和顶端金属电极之间施加2～30V的电压，以使纳米金属细丝在聚合物绝缘层中形成。本发明制备的光开关具有很高的开关比(＞10⁶)及很好的可逆性。本发明制备的光开关只需要很低强度的光(～10^-5W/cm²)来进行开关操作，制备光开关的过程简便易行，制备光开关所用的支撑层为聚合物绝缘层，使得该种光开关可以在有机电子器件领域有较广的应用范围。
文档编号B81C1/00GK101168436SQ20071017835
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者贵 于, 刘云圻, 徐新军, 李立东, 狄重安, 魏大程 申请人:北京科技大学