专利名称：氧化铝光子晶体异质结及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种晶体异质结及制备方法，尤其是一种氧化铝光子晶体异质结及其制备方法。
背景技术：
目前，随着半导体技术向高速度、高集成化方向发展，对信号同步的准确性也提出了更高的要求。然而，高集成化导致的线路越细，其电阻也越大，能量损耗就越多。于是，人们把目光转向了光子技术，希望能用光子来代替电子作为信息的载体，以进一步推动人类文明的发展。与电子相比，光子具有如下优势一是极高的信息容量和效率；二是极快的响应速率；三是极强的互连能力和并行能力；四是光子间相互作用很弱，可以极大地降低能量损耗。具有类似半导体材料性能的光子晶体被预言有可能在21世纪推动信息技术产生新的突破。因此，人们为了探索和拓展光子晶体的应用范围，作了一些尝试和努力，如在2008年7月16日公开的中国发明专利申请公布说明书CN 101220510A中披露的“一种高质量氧化铝光子晶体的制备方法”。它是采用高、低恒定电流密度反复阳极氧化铝片的技术方案，获得了带隙位置恒定且具有较深光学带隙的高质量的氧化铝光子晶体。但是，无论是氧化铝光子晶体，还是其制备方法，都存在着不足之处，首先，最终产物仅为由大、小直孔交替排列构成的氧化铝光子晶体，而不是在光子领域将扮演半导体异质结在电子领域所扮演的角色的氧化铝光子晶体异质结；其次，制备方法无法获得氧化铝光子晶体异质结。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有不同周期长度的光子晶体在空间上无缝接合的氧化铝光子晶体异质结。本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述氧化铝光子晶体异质结的制备方法。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为氧化铝光子晶体异质结由氧化铝薄膜组成，特别是，所述薄膜的厚度为60 220i!m，其由两种不同长度的周期层各自叠加后无缝接合构成，所述周期层由串接的直孔与二分叉孔组成；所述两种不同长度的周期层中的第一种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 180nm、孔长为100 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为20 180nm、孔长为20 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度；所述两种不同长度的周期层中的第二种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 80nm、孔长为60 500nm，二分叉孔的孔直径为20 80nm、孔长为20 lOOnm、二分叉孔之间的角度为50 70度， 或者每层中的直孔的孔直径为40 180nm、孔长为300 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为40 180nm、孔长为60 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度。
作为氧化铝光子晶体异质结的进一步改进，所述的周期层中的直孔的孔轴线垂直于氧化铝薄膜的平面。为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为上述氧化铝光子晶体异质结的制备方法采用阳极氧化法，特别是完成步骤如下步骤I，先将铝片置于温度为0 25°C、浓度为0. 2 0. 4M的草酸溶液中，再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化100 200个周期，其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5mi n期间按照正弦波规律自\升高至VH，再于0. 5min期间由Vh线性降低到0. 71VH，接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的\为阳极氧化下限电压、Vh为阳极氧化上限电压，其取值范围分别为30V彡Vh彡100V且0. 4Vh ^ Vl < 0. 71VH，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片，接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进 行100 200个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化，其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXV1^PpXVL,p的取值范围分别为0. 3<p<l或l<p<3. 3，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片；步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化铜溶液或氯化锡溶液中去除掉背面多余的铝，制得氧化铝光子晶体异质结。作为氧化铝光子晶体异质结的制备方法的进一步改进，所述的铝片的纯度为彡99. 9%;所述的草酸溶液的温度为18°C、浓度为0. 3M ;所述的当Vh和\的电压值分别为53V和23V，且p = I. I时，pXVH和pXVL的电压值分别为58. 3V和25. 3V。相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的目标产物分别使用扫描电镜和紫外-可见-近红外分光光谱仪进行表征，从其结果可知，目标产物为厚度为60 220 y m的氧化铝薄膜，其由两种不同长度的周期层各自叠加后无缝接合构成，周期层由串接的直孔与二分叉孔组成。其中，两种不同长度的周期层中的第一种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 180nm、孔长为100 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为20 180nm、孔长为20 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度；两种不同长度的周期层中的第二种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 80nm、孔长为60 500nm，二分叉孔的孔直径为20 80nm、孔长为20 lOOnm、二分叉孔之间的角度为50 70度，或者每层中的直孔的孔直径为40 180nm、孔长为300 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为40 180nm、孔长为60 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度。具备此种形貌和尺寸的目标产物，其光学性能不仅具有了单一光子晶体的特性，还因两种不同长度的周期层，即两种光子晶体在空间上的无缝接合，而具有了单一氧化铝光子晶体所没有的优异性能——氧化铝光子晶体异质结，这将会使其在光子领域扮演半导体异质结在电子领域所扮演的角色。无缝接合的实现，既解决了单一光子晶体之间结合时由于其界面错位而引起的晶格不匹配的难题，又使形成的光子晶体异质结具有深的光子带隙、陡峭平滑的带边、高透射率的非带隙区域，还实现了带隙宽度和能带宽度的可调，使其在宽/窄带滤波器、全方位反射镜、低损耗的波导以及各种高品质的光子集成线路等方面有着重要的应用前景。其二，目标产物中由串接的直孔与二分叉孔组成的周期层形成的过程为，在设定的阳极氧化电压范围内，当氧化电压按照正弦波规律由阳极氧化下限电压升高至阳极氧化上限电压时，其孔径最大一分叉点；在氧化电压由阳极氧化上限电压线形降低至阳极氧化上限电压的0.71倍的过程中，大孔开始分叉生长；在氧化电压由阳极氧化上限电压的0.71倍于较长的时间(4min)内线形降低至阳极氧化下限电压的过程中，两根叉孔虽继续生长形成直孔，但由于空间的限制，最终仅有一根电阻较小的直孔得以继续新周期的生长。其三，制备方法科学、有效，所需的设备简单、工艺便捷，且制备过程可控、重复性好、无污染、生产成本低，除易于拓展用于制备各种材料的光子晶体异质结之外，还适于大规模的工业化生产。在制备目标产物的过程中，通过调节两种周期性非对称电压的上、下限电压差(P)，目标产物可实现能带的交叠或分离，引起光子带隙的叠加或光子通带的出现，实现选择性的调节反射波长范围(调节带隙宽度)和透射光区域(调节能带宽度)。当I < p < 3. 3时，随着P的增大，氧化铝光子晶体异质结的两个光子带隙的交叠部分逐渐减少并分离成两个独立的带隙，同时在两个独立的带隙中间出现了一个宽度可调的通带。当0. 3 < p < I时，结果则反之。 作为有益效果的进一步体现，一是周期层中的直孔的孔轴线优选垂直于氧化铝薄膜的平面，利于光子晶体异质结功效的充分发挥；二是铝片的纯度优选为>99.9%，确保了氧化铝光子晶体异质结的品质；三是草酸溶液的温度优选为18°C、浓度优选为0. 3M，利于保证目标产物的质量；四是当V1^P \的电压值分别优选为53V和23V，且p = I. I时，pXVH和pX'的电压值分别优选为58. 3V和25. 3V，利于获得较佳性能的目标产物。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。图I是对制得的目标产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。SEM照片中的粗虚线处为目标产物的无缝接合处，其上部为第一种长度的周期层——光子晶体PC I、下部为第二种长度的周期层——光子晶体PC II ;SEM照片中的细虚线处为同种长度周期层的层界面。制备该目标产物时的P = I. 1，由SEM照片可看出，两种具有不同周期长度的氧化铝光子晶体的无缝接合，即空间匹配性非常的好；光子晶体PCI的平均周期长度为461nm、直孔层的平均厚度为400nm、平均孔径为48nm、叉孔层的平均厚度为60nm，光子晶体PC II的平均周期长度为625nm、直孔层的平均厚度为533nm、平均孔径为53nm、叉孔层的平均厚度为92nm。两种光子晶体的叉孔层均受到了较严重的电解液化学腐蚀作用，其孔壁逐渐模糊消失。光子晶体PC I和光子晶体PC II具有相似的周期结构，即直孔层隔着模糊形貌的叉孔层周期交错排列，也即下周期的直孔层的直孔中心对着上周期直孔层的孔壁生长。此外，根据阳极氧化生长速率及孔径大小与氧化电压的正比关系可以推断当制备光子晶体PC II时的上下限电压值大于制备光子晶体PC I(p > I)时，氧化铝异质结中光子晶体PC II的平均周期长度和孔径都大于光子晶体PC I的平均周期长度和孔径；当制备光子晶体PC II时的上下限电压值小于制备光子晶体PC I(p < I)时，氧化铝异质结中光子晶体PC II的平均周期长度和孔径都小于光子晶体PC I的平均周期长度和孔径。这与制备后得到的目标产物的实际形貌和尺寸也是相符的。图2是图I所示目标产物的形貌示意图。图3是对制备光子晶体PC II时的上下限电压值大于制备光子晶体PC I(p > I)时所制得的目标产物使用紫外-可见-近红外分光光谱仪进行表征的结果之一；图中的短波禁带为光子晶体PC I的光子带隙，长波禁带为光子晶体PC II的光子带隙。其中，图3a和图3b分别为p = I. 03和p = 1.05时的目标产物的透射光谱图，由其可看出，光子晶体PC I和光子晶体PC II的禁带是部分交叠的，并且随着p值的增大，两禁带交叠部分逐渐变少，总带隙变宽；图3c和图3d分别为p = I. I和p = I. 2时的目标产物的透射光谱图，由其可看出，光子晶体PC I和光子晶体PC II的禁带是独立分开的，没有任何的交叠，并且在禁带中间出现了一个透过区域，该区域的范围随着P(P> 1.05)的增大而变宽。另外，根据布拉格公式= 2nd可知，当制备光子晶体PC II时的上下限电压值小于制备光子晶体PC I(p < I)时，目标产物的透射谱中短波禁带为光子晶体PC II，长波禁带为光子晶体PC
Io
具体实施例方式首先从市场购得或用常规方法制得纯度为> 99. 9%的铝片；草酸溶液；氯化铜溶液或氯化锡溶液。接着， 实施例I制备的具体步骤为步骤1，先将铝片置于温度为0°C、浓度为0. 2M的草酸溶液中；其中，铝片的纯度为99.9%。再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化100个周期；其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5min期间按照正弦波规律自\升高至VH，再于0. 5min期 间由Vh线性降低到0. 7IVh,接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的 '为阳极氧化下限电压12V、Vh为阳极氧化上限电压30V，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片。接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行200个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化；其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh = 39. 9V和PXVl = 12. 36V(p的取值为I. 03)，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片。步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化铜溶液中去除掉背面多余的铝，制得近似于图I和图2所示，以及如图3a所示的氧化铝光子晶体异质结。实施例2制备的具体步骤为步骤I，先将铝片置于温度为10°C、浓度为0. 25M的草酸溶液中；其中，铝片的纯度为99. 99%。再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化125个周期；其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5min期间按照正弦波规律自\升高至VH，再于0. 5min期间由Vh线性降低到0. 7IVh,接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的 '为阳极氧化下限电压18V、Vh为阳极氧化上限电压38V，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片。接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行175个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化；其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh = 39. 9V和PXVl = 18. 9V(p的取值为I. 05)，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片。步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化锡溶液中去除掉背面多余的铝，制得近似于图I和图2所示，以及如图3b所示的氧化铝光子晶体异质结。实施例3
制备的具体步骤为步骤1，先将铝片置于温度为18°C、浓度为0.3M的草酸溶液中；其中，铝片的纯度为99.9%。再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化150个周期；其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5min期间按照正弦波规律自\升高至VH，再于0. 5min期间由Vh线性降低到0. 7IVh,接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的 '为阳极氧化下限电压23V、Vh为阳极氧化上限电压53V，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片。接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行150个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化；其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh = 58. 3V和PXVl = 25. 3V(p的取值为I. I)，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片。步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化铜溶液中去除掉背面多余的铝，制得如图I和图2所示，以及如图3c所示的氧化铝光子晶体异质结。实施例4制备的具体步骤为步骤1，先将铝片置于温度为23°C、浓度为0. 35M的草酸溶液中；其中，铝片的纯度为99. 99%。再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化175个周期；其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0.5mi n期间按照正弦波规律自 '升高至￥11，再于0.5min期间由Vh线性降低到0. 7IVh,接着于4mi n期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的 '为阳极氧化下限电压44V、Vh为阳极氧化上限电压69V，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片。接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行125个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化；其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh = 158. 7V和pX'= 101.2V(p的取值为2. 3)，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片。步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化锡溶液中去除掉背面多余的铝，制得近似于图I和图2所示，以及近似于图3a所示的氧化铝光子晶体异质结。实施例5制备的具体步骤为步骤1，先将铝片置于温度为25°C、浓度为0. 4M的草酸溶液中；其中，铝片的纯度为99. 9 %。再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化200个周期；其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5min期间按照正弦波规律自\升高至VH，再于0. 5min期间由Vh线性降低到0. 7IVh,接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到 '，其中的 '为阳极氧化下限电压70V、Vh为阳极氧化上限电压99V，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片。接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行100个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化；其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh = 326. 7V和PXVl = 231V(p的取值为3. 3)，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片。
步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化铜溶液中去除掉背面多余的铝，制得近似于图I和图2所示，以及近似于图3a所示的氧化铝光子晶体异质结。再于第一周期性非对称电压的阳极氧化上限电压Vh和阳极氧化下限电压'中分别选择30V彡Vh彡100V且0. 4Vh ^ Vl < 0. 71Vh之中的任一电压值，以及再于第二周期性非对称电压的阳极氧化上限电压P X Vh和阳极氧化下限电压p X '中分别选择0. 3彡p < I或I < P ^ 3.3之中的任一值，重复上述实施例I 5，同样制得了如或近似于图I和图2所示，以及如或近似于图3a或图3b或图3c或图3d所示的氧化铝光子晶体异质结。显然，本领域的技术人员可以对本发明的氧化铝光子晶体异质结及其制备方法进 行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种氧化铝光子晶体异质结，由氧化铝薄膜组成，其特征在于 所述薄膜的厚度为60 220 ym，其由两种不同长度的周期层各自叠加后无缝接合构成，所述周期层由串接的直孔与二分叉孔组成； 所述两种不同长度的周期层中的第一种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 180nm、孔长为100 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为20 180nm、孔长为20 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度； 所述两种不同长度的周期层中的第二种长度的周期层的层数为100 200层，每层中的直孔的孔直径为20 80nm、孔长为60 500nm，二分叉孔的孔直径为20 80nm、孔长为20 lOOnm、二分叉孔之间的角度为50 70度， 或者每层中的直孔的孔直径为40 180nm、孔长为300 lOOOnm，二分叉孔的孔直径为40 180nm、孔长为60 200nm、二分叉孔之间的角度为50 70度。
2.根据权利要求I所述的氧化铝光子晶体异质结，其特征是周期层中的直孔的孔轴线垂直于氧化铝薄膜的平面。
3.—种权利要求I所述氧化铝光子晶体异质结的制备方法，采用阳极氧化法，其特征在于完成步骤如下 步骤1，先将铝片置于温度为0 25°C、浓度为0. 2 0. 4M的草酸溶液中，再将其于第一周期性非对称电压下阳极氧化100 200个周期，其中，第一周期性非对称电压的波形为，电压先于0. 5min期间按照正弦波规律自八升高至Vh，再于0. 5min期间由Vh线性降低到0.7IVh,接着于4min期间由0. 71Vh线性降低到八，其中的八为阳极氧化下限电压、Vh为阳极氧化上限电压，其取值范围分别为30V彡Vh彡100V且0. 4Vh ^ Vl < 0. 71VH，得到带有第一种长度周期层的氧化铝片，接着，继续对带有第一种长度周期层的氧化铝片进行100 200个周期数的第二周期性非对称电压的阳极氧化，其中的第二周期性非对称电压的波形与第一周期性非对称电压的波形相同，其阳极氧化电压的上、下限分别为PXVh和pX'，p的取值范围分别为0. 3 < p < I或I < p < 3. 3，得到带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片; 步骤2，将带有第一种和第二种长度周期层的氧化铝片置于氯化铜溶液或氯化锡溶液中去除掉背面多余的铝，制得氧化铝光子晶体异质结。
4.根据权利要求3所述的氧化铝光子晶体异质结的制备方法，其特征是铝片的纯度为彡 99. 9%。
5.根据权利要求4所述的氧化铝光子晶体异质结的制备方法，其特征草酸溶液的温度为18°C、浓度为0. 3M。
6.根据权利要求5所述的氧化铝光子晶体异质结的制备方法，其特征是当V1^P\的电压值分别为53V和23V，且p = I. I时，pXVH ^PpXVl的电压值分别为58. 3V和25. 3V。
全文摘要
本发明公开了一种氧化铝光子晶体异质结及其制备方法。异质结为由两种不同长度的周期层各自叠加后无缝接合构成的氧化铝薄膜，其中，周期层由串接的直孔与二分叉孔组成；方法为先将铝片置于草酸溶液中于第一周期性电压下氧化100～200个周期，其中，第一周期性电压的波形为，电压先于0.5min期间按照正弦波规律自VL升高至VH，再于0.5min期间由VH线性降低到0.71VH，接着于4min期间由0.71VH线性降低到VL，其取值分别为30V≤VH≤100V且0.4VH≤VL＜0.71VH，再对其进行与第一周期性相同波形和周期的第二周期性氧化，其电压的上、下限分别为p×VH和p×VL，p的取值分别为0.3≤p＜1或1＜p≤3.3，得带两种周期层的氧化铝片，去掉背面多余的铝后制得目标产物。它可广泛地用于各种光子集成线路中。
文档编号C25D11/12GK102644112SQ20111004016
公开日2012年8月22日 申请日期2011年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者张尧, 苏燕, 费广涛 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院