专利名称：电光转换元件及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及电光转换技术领域，特别是涉及一种电光转换元件及其应用。
背景技术：
电光转换技术最普通的应用就是电气照明，同时在信号的传输、处理、显示等方面也被广泛应用。随着电子技术和计算机应用及新材料科学的发展，电光转换技术正日益深入社会生活的各个领域，并在逐步改善和改变着人类的生产和生活方式。传统的LED电光转换元件，只能应用于照明以及显示领域。人们希望能够通过转换思路提供一种全新的电光转换元件。在电光转换元件一个显著的应用场合中，人们将电光转换元件应用在数据传输过程中，将电信号转为光信号进行传输，大大改善集成电路的性能，提高传输速度。与电互连相比，光互连具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等问题。在光互联系统中，通常包括电信号存储并转化为光信号以及将光信号重新转化为电信号两大部分。其中，需要至少两个不同的器件分别完成信号存储以及信号转化。这对于光互联系统中器件的集成是非常不利的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖的电光转换元件，其能够将电压信号转换为光信号。本发明的目的还在于提供该电光转换元件的应用。为了实现上述目的，本发明提供了一种电光转换元件，用于将电压信号转换为光信号，包括:由氧化硅构成的氧化硅层；设置在所述氧化硅层上的两个相邻的薄膜带，两个薄膜带之间具有纳米间隙，所述薄膜带的材料的熔点高于所述氧化硅的熔点；其中，所述两个薄膜带和所述纳米间隙是通过向设置在所述氧化硅层上的一连续薄膜带施加击穿电压使得所述连续薄膜带被击穿而形成的；以及分别设置在所述两个薄膜带上的两个电极；其中，在工作时，在所述两个电极上施加预定电压，使得所述电光转换元件发光。在一种实施方式中，所述薄膜带的材料可以为石墨烯，碳纳米管或非晶碳。在一种实施方式中，所述氧化硅层的厚度不小于40nm ;和/或所述薄膜带的厚度可以在2_20nm之间；和/或所述纳米间隙的宽度可以在30-150nm之间，优选在30-1OOnm之间。在一种实 施方式中，还可以包括非氧化硅基底，所述非氧化硅基底设置在所述氧化硅层的与所述薄膜带相反的一侧；优选地，所述氧化硅层为设置在所述非氧化硅基底上的氧化硅镀膜。在一种实施方式中，所述预定电压可以包括第一预定电压和与所述第一预定电压不同的第二预定电压；其中，当向所述两个电极施加第一预定电压时，所述电光转换元件发射第一波长的光；向所述两个电极施加第二预定电压时，所述电光转换兀件发射第二波长的光。在一种实施方式中，所述氧化硅层和/或所述非氧化硅基底和/或所述电极可以由透明材料形成；和/或所述氧化硅层和/或所述非氧化硅基底和/或所述电极可以由柔性材料形成。基于前述电光转换元件，本发明提供了其作为光源、光脉冲发生器、显示器、环境指示器以及光信号发生器的应用。本发明提供的光源，可以包括前述的电光转换元件。本发明提供的光脉冲发生器，可以包括电脉冲发生器，以及前述的电光转换元件；所述电脉冲发生器用于产生电压脉冲信号；所述电光转换元件接收所述电压脉冲信号，并产生与所述电压脉冲信号相对应的光信号。本发明提供的显示器，可以包括由多个显示单元构成的阵列，每一所述显示单元由前述的电光转换元件构成。本发明提供的环境指示器，可以包括环境传感器，以及前述的电光转换元件；所述环境传感器用于检测环境信息，并将所述环境信息以电压信号的方式输出；所述电光转换元件接收所述电压信号，并产生与所述电压信号相对应的光信号。
本发明提供的光信号发生器，可以包括电信号发生器，以及前述的电光转换元件；所述电信号发生器用于产生具有逻辑状态的电压信号；所述电光转换元件接收所述电压信号，并产生与所述电压信号相对应的光信号。本发明实施例至少存在以下技术效果:I)电光转换元件加工简单，成本低廉，纳米间隙尺寸可调，器件结构可靠，性能稳定。与半导体工艺兼容，可大规模生产。2 )本发明的电光转换元件能够同时实现发光和存储，并通过电压调制电阻从而调制发光，可以用于开发新型多功能纳米光电器件。3)本发明的电光转换元件可以用于作为原型器件开发具备存储功能的光源，显示器，光脉冲发生器，环境指示器，光信号发生器等。有利于实现器件集成化。
图1为根据本发明一个实施例的电光转换元件的结构示意图。图2为根据本发明另一个实施例的电光转换元件的结构示意图。图3是本发明电光转换元件加工流程示意图。图4 (a)和(b)分别示出了本发明实施例的电光转换元件的电阻态转变扫描电流-电压曲线图以及保持时间特性。图5 (a)和(b)分别为本发明实施例的电光转换元件的电致发光特性测量示意图以及发射光照片。图6 (a)和(b)分别为本发明实施例的电光转换元件的高、低阻态及对应光谱图。图7为本发明实施例的电光转换元件的发光稳定性测试图。图8 (a)和(b)分别为对本发明实施例的电光转换元件施加的一系列电脉冲图像以及得到一系列光脉冲图像。图9为采用本发明实施例的电光转换元件作为显示器的显示单元显示字母“N”。图10为根据本发明实施例的环境指示器的工作示意图。图11 (a)和(b)分别为对本发明实施例的电光转换元件施加的一系列具有逻辑状态的电信号以及收到的具有相同逻辑状态的光发射信号的示意图。图12为将本发明实施例的电光转换元件用于电-光信息传输领域的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。图1示出了本发明一个实施例的电光转换元件的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的电光转换元件包括:氧化硅层3，设置在氧化硅层3上的两个相邻的薄膜带2，以及分别设置在两个薄膜带2上的两个电极I。在该实施例中，氧化硅层3为可以由氧化硅构成或主要含有氧化硅。两个薄膜带2之间具有纳米间隙(图1中未示出，可参见图5 (a)中所示的纳米间隙503)。在这里,薄膜带的材料的熔点高于氧化娃的熔点，两个薄膜带2和纳米间隙是通过向设置在氧化硅层3上的连续薄膜层施加击穿电压使得该连续薄膜层被击穿形成。工作时，在两个 电极I上施加电压，电光转换元件发光。在这里，纳米间隙是指宽度基本上为纳米尺度的间隙，例如，该纳米间隙的宽度可以在30-150nm之间，可选地，该宽度可以在30-100nm之间。纳米间隙的大小可以通过改变所施加击穿电压的大小以及施加击穿电压的时间来调节。薄膜带的材料可以选自石墨烯，碳纳米管以及非晶碳中的一种。在一个实施例中，也可以选取金属，如金。薄膜的厚度可以在2-20nm之间。图2示出了本发明另一个实施例的电光转换元件的结构示意图。与图1所示实施例不同之处在于，图2所示的实施例还包括设置在氧化硅层3的与薄膜带2相反的一侧的非氧化硅基底4。氧化硅层3可以为设置在非氧化硅基底4上的氧化硅镀膜。在该实施例中，氧化硅层3的厚度不小于40nm。在其他的实施例中，可以选取透明非氧化硅基底和/或透明氧化硅层和/或透明电极来制备透明的电光转换元件，以使得电光转换元件具有美观时尚的外形。如透明非氧化硅基底可以选取PET，PES，蓝宝石。透明氧化硅层可以选为石英晶体，石英玻璃或氧化硅镀膜。透明电极可以选取石墨烯薄膜，碳纳米管，11'0，？1'0^20，包含11、21'、41、5^0、0、Nb、Hf、N1、Co、Fe、Pd、Ag、Au、Pt的耐热性好的透明导电氧化物和氮化物。也可以选取柔性非氧化硅基底和/或柔性氧化硅层和/或柔性电极来制备柔性的电光转换元件，以使得电光转换元件在设计方面或使用方面给人们带来极大地便利。如柔性非氧化硅基底可以选取PET，PES;柔性氧化硅层可以选为氧化硅镀膜。柔性电极可以选取石墨烯薄膜、碳纳米管、Pt\T1、Au\T1、T1、W、Ta、Al、Cu或Ag。也可以选取兼具透明及柔性的非氧化硅基底和/或氧化硅层和/或电极，使得电光转换元件兼具透明及柔性特性。下面结合图3描述本发明的电光转换元件的制备工艺。步骤301:非氧化硅基底选为厚度为500 μ m的硅基底，在硅基底上镀有300nm厚的氧化硅层，然后通过等离子体加强化学气相沉积(PECVD)方法将纳米石墨烯直接沉积到氧化硅层表面形成连续的薄膜带。具体生长条件为:温度525°C，甲烷气体流量30SCCM，压强0.2Torr，等离子体功率100W，生长时间2.5小时。步骤302:将已生长纳米石墨烯连续薄膜带的氧化硅层表面旋涂5%的495PMMA光刻胶，旋涂速度为4000r/min，在180°C热板上烘烤2min，采用电子束曝光系统将旋涂好胶的样品曝光成所设计的图案。步骤303:采用反应离子束刻蚀将纳米石墨烯薄膜带刻蚀成所设计的图案(图3中为Iym宽的石墨烯条带)，采用气氛为氧气，刻蚀时间为14s。步骤304:在丙酮溶液中将胶去掉。步骤305:采用步骤302的方法再次旋涂光刻胶，将样品进行二次套刻曝光设计好的电极结构；然后利用电子束蒸发系统沉积Ti (2nm)/Au (30nm)电极。步骤306:用丙酮溶液溶脱去胶，得到两端元件。步骤307:将此两端元件放入真空腔内，真空度为2 X KT4Torr，在两个电极上施加8V击穿电压，元件的连续薄膜带被软击穿。步骤308:在两电极中间的石墨烯薄膜带被软击穿而形成一道纳米间隙，得到本发明的电光转换元件。在步骤301中，石墨烯薄膜也可以通过化学剥离法、机械剥离法、碳化硅表面外延法、化学气相沉积法制备。对本发明的电光转换元件进行电阻、发光调制特性测试，结果如图4所示。图4(a)为电光转换元件的电阻态转变扫描1-V曲线图。开始器件处于高阻态(图4 (b)中下方曲线)，逐渐增大施加电压(0-5V)，当增大到某一阈值(图中为3V左右)，元件的电流急剧上升，元件从高阻态翻转到低阻态。对处于低阻态的元件再次施加电压(0-11V)(参见图4 (b)中上方曲线)，当电压增大到IOV左右时，元件电流下降，重新回到高阻态。测试发现，在偏压撤去之后，元件电阻态可以保持不变，如图4 (b)所示。首先按上述方法将元件设置处于低阻态，撤去偏压，用IV的小电压监测元件电阻态随时间的保持性，可以看到元件电阻随时间保持不变(图4 (b)中上方曲线)。同样把器件设置到高阻态，元件电阻随时间也保持不变(图4 (b)中下方曲线)，表明该元件可以用于数据存储。申请人:发现，电光转换元件的氧化硅层对其高低电阻态起着重要的影响。在步骤307中所施加的击穿电压作用下，电流通过连续薄膜带所产生的焦耳热使连续薄膜带中间出现一道纳米裂痕(即纳米间隙)，纳米裂痕下面的氧化硅在焦耳热的作用下，析出硅纳米晶。硅纳米晶在电阻转变起着非常重要的作用。在电场作用下，硅纳米晶会发生电化学氧化还原反应，从而在Si O SiOx之间转变。当析出Si纳米晶形成一道近连续的导电通道时，器件导电性好，处于低阻态；当析出的Si纳米晶部分又被氧化成SiOx，近连续的导电通道被破坏时，器件的导电性不好，处于高阻态。因此，硅纳米晶的形成与消失，对应着器件电阻的低、高阻态的转变。申请人:惊奇的发现本发明的电光转换元件还具有发光性能。图5 (a)和(b)分别为本发明的电光转换 元件的电致发光特性测量示意图以及发射光照片。在电光转换元件的电极I上施加电压502，位于纳米间隙503上方的光探测器501探测到从纳米间隙503中发射出光子504。发光照片参见图5 (b)。图6 (a)和(b)分别为本发明实施例的电光转换元件的高低阻态及对应光谱图。从图6可以看出，不同电阻可以发射不同波长的光，当元件处于低阻态时，器件发射光波长为770nm，为红光；当元件处于高阻态时，元件发射光波长为550nm，为绿光。处于高低阻态的元件发光均为可见光，低阻态的发光强度比高阻态要强一个数量级。此外，由图6也可以看出，当向电光转换元件施加5V电压时，电光转换元件发射波长为770nm的红光；向电光转换元件施加IlV电压时，电光转换元件发射波长为550nm的绿光。通过大量的实验，申请人发现上述现象也主要归因于硅纳米晶。由于量子限制效应，硅纳米晶的能带结构出现带隙，电子-空穴复合会产生与带隙能量相当的光发射。高低阻态发射波长不同的光，主要和高低阻态形成硅纳米晶的尺寸分布不同有关。在低阻态硅纳米晶的主要分布在大于4nm的尺寸，能隙较小，所以发射能量较低的红光；而在高阻态硅纳米晶主要分布在小于3nm的尺寸，能隙较大，所以发射能量较高的绿光。图7为本发明的电光转换元件的发光稳定性测试图。从图7可见，本发明的电光转换元件发光强度较为稳定，因此可以用作可调色光源。图8 (a)和(b)分别为对本发明实施例的电光转换元件施加的一系列电脉冲图像以及得到一系列光脉冲图像。从图8可见，本发明的电光转换元件能够接收电压脉冲信号，并产生与电压脉冲信号周期以及相对强度相对应的光脉冲信号，说明本发明的电光转换元件可以用于光脉冲发生器。在其他的实施例中，当电压脉冲信号具有不同幅值时，如电压脉冲信号具有第一电压和第二电压两种幅值相互间隔设置的形式，则对应的光脉冲信号为两种波长间隔设置的光脉冲。从光探测器上，就会看到间隔发出的两种颜色且强度不同的光脉冲。利用本发明电光转换元件发光的特性，还可以将电光转换元件应用于制备显示器，该显示器包括由多个显示单 元构成的阵列，电光转换元件构成每一个显示单元。可以在电光转换元件上施加电压，设置元件的电阻态，使其通过发光来显示图形。图9为在由电光转换元件构成的阵列上显示的字母“N”。在优选的实施例中，选取非氧化硅基底以及氧化硅层均为透明材质的电光转换元件作为显示器的显示单元，可以用来制备透明显示器。并且当将该电光转换元件的基底朝向显示器外侧面向观察者从而作为显示器屏幕的最外层时，特别有利于屏幕的加工。在一些高温、有毒、辐射等特殊的高危的工作环境下，需要随时监测工作环境的状态，可以将本发明的电光转换元件用于环境监测。如图10所示，首先用环境传感器检测环境信息，将环境信息以电压信号的形式输出。电光转换兀件接收该电压信号，对应不同的电压信号将会产生相应的高低阻态，并产生与电压信号相对应的光信号。例如，可以将环境信息分为安全态和危险态。当环境传感器检测到的环境信息为安全态时，输出第一电压，对应电光转换元件的低阻态，电光转换元件将会发出红光；当环境传感器检测到的环境信息为危险态时，输出第二电压，对应电光转换兀件的高阻态，电光转换元件将会发出绿光。从而可以根据不同颜色的光信号，了解所测量环境的状态。如当电光转换元件发射红光时，环境处于安全态；当电光转换元件发射绿光时，环境处于危险态。利用本发明电光转换元件不同阻态发射不同颜色及强度的光，因此可以通过所接收到光的波长和强度两个方面来确定器件的电阻态。当对电光转换元件施加如图11 (a)所示的一系列具有逻辑状态的电压信号时，电光转换元件在不同逻辑状态的电压信号作用下，将会在改变自身阻态的同时，发射具有相同逻辑状态的光信号。在一个实施例中，电信号的低脉冲代表“1”，电光转换元件在该低脉冲作用下被设置为低阻态且同时将该低脉冲信号存储下来，并发射波长为750nm的光脉冲，该光脉冲的强度很强。当采用750nm光阑接收该光脉冲时，得到逻辑态“I”。相反，电信号的高脉冲代表“O”，电光转换元件被设置为高阻态，对应的发射波长为550nm的光脉冲，且光脉冲强度很弱。当采用750nm光阑接收光时，几乎看不到该光脉冲，为逻辑态“O”，参见图11 (b)。利用上述的原理，本发明还可以提供一种光信号发生器，包括电信号发生器以及本发明的电光转换元件。电信号发生器能够产生具有逻辑状态的电压信号，从而对本发明的电光转换元件施加一系列具有逻辑状态的电压信号，使之产生与该逻辑信号对应的逻辑电阻态，并存储下来，与此同时，发射出与电压信号及存储信号对应的光信号。可以通过光电转换器接收此带有逻辑状态的光信号并转化为与输入逻辑态相同的电信号，从而实现电-光信息传输，如图12所不。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明 的保护范围。
权利要求
1.一种电光转换兀件,用于将电压信号转换为光信号,包括: 由氧化硅构成的氧化硅层； 设置在所述氧化硅层上的两个相邻的薄膜带，两个薄膜带之间具有纳米间隙，所述薄膜带的材料的熔点高于所述氧化硅的熔点；其中，所述两个薄膜带和所述纳米间隙是通过向设置在所述氧化娃层上的一连续薄膜带施加击穿电压使得所述连续薄膜带被击穿而形成的；以及 分别设置在所述两个薄膜带上的两个电极； 其中，在工作时，在所述两个电极上施加预定电压，使得所述电光转换元件发光。
2.根据权利要求1所述的电光转换元件，其特征在于，所述薄膜带的材料为石墨烯，碳纳米管或非晶碳。
3.根据权利要求1或2所述的电光转换元件，其特征在于，所述氧化硅层的厚度不小于40nm ;和/或 所述薄膜带的厚度在2-20nm之间；和/或 所述纳米间隙的宽度在30-150nm之间，优选在30_100nm之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电光转换兀件,其特征在于,还包括非氧化娃基底，所述非氧化硅基底设置在所述氧化硅层的与所述薄膜带相反的一侧；优选地，所述氧化硅层为设置在所述非氧化硅基底上的氧化硅镀膜。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电光转换元件，其特征在于，所述预定电压包括第一预定电压和与所述第一预定电压不同的第二预定电压；其中，当向所述两个电极施加第一预定电压时，所述电光转换兀件发射第一波长的光；向所述两个电极施加第二预定电压时，所述电光转换元件发射第二波长的光。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电光转换兀件,其特征在于,所述氧化娃层和/或所述非氧化硅基底和/或所述电极由透明材料形成；和/或 所述氧化硅层和/或所述非氧化硅基底和/或所述电极由柔性材料形成。
7.一种光源，包括权利要求1-6中任一项所述的电光转换兀件。
8.一种光脉冲发生器，包括电脉冲发生器，以及如权利要求1-6中任一项所述的电光转换元件； 所述电脉冲发生器用于产生电压脉冲信号； 所述电光转换元件接收所述电压脉冲信号，并产生与所述电压脉冲信号相对应的光信号。
9.一种显示器，包括由多个显示单元构成的阵列，每一所述显示单元由权利要求1-6中任一项所述的电光转换元件构成。
10.一种环境指示器，包括环境传感器，以及如权利要求1-6中任一项所述的电光转换元件； 所述环境传感器用于检测环境信息，并将所述环境信息以电压信号的方式输出； 所述电光转换元件接收所述电压信号，并产 生与所述电压信号相对应的光信号。
11.一种光信号发生器，包括电信号发生器，以及如权利要求1-6中任一项所述的电光转换元件； 所述电信号发生器用于产生具有逻辑状态的电压信号；所述电光转换元件接收所述电压信`号，并产生与所述电压信号相对应的光信号。
全文摘要
本发明公开了一种电光转换元件及其应用。所述电光转换元件用于将电压信号转换为光信号，包括由氧化硅构成的氧化硅层；设置在所述氧化硅层上的两个相邻的薄膜带，两个薄膜带之间具有纳米间隙，所述薄膜带的材料的熔点高于所述氧化硅的熔点；其中，所述两个薄膜带和所述纳米间隙是通过向设置在所述氧化硅层上的一连续薄膜带施加击穿电压使得所述连续薄膜带被击穿而形成的；以及分别设置在所述两个薄膜带上的两个电极；其中，在工作时，在所述两个电极上施加预定电压，使得所述电光转换元件发光。本发明电光转换元件加工简单，成本低廉，纳米间隙尺寸可控，器件结构可靠，性能稳定。与半导体工艺兼容，可大规模生产。
文档编号H01L33/00GK103227257SQ201310126470
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者张广宇, 何聪丽, 时东霞 申请人:中国科学院物理研究所