ПРИМЕНЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ УГЛЕРОДНОЙ НАНОПОЧКИ И УСТРОЙСТВА, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ТАКИЕ МОЛЕКУЛЫ
USE OF MOLECULE OF CARBON NANOBUD AND DEVICES COMPRISING SUCH MOLECULES

Область техники
Настоящее изобретение относится к нанотехнологии. В особенности, настоящее изобретение относится к оптическим и оптоэлектронным устройствам, основанным на использовании оптически активного наноматериала и к способам их получения.
Уровень техники
Оптические и оптоэлектронные устройства находят множество применений, например, в телекоммуникационных сетях и в метрологии. В вышеперечисленных областях данные устройства могут включать активные устройства, такие как лазеры, усилители и детекторы, и пассивные устройства, такие как фильтры, поляризаторы и поглотительные цепи. В общем, основными параметрами этих устройств являются потребление мощности (для активных устройств), стабильность, которая определяет срок службы устройства, и различные параметры, относящиеся к функционированию устройства, причем функциональные параметры могут включать, например, насыщаемое поглощение электромагнитного излучения, зависящее от поляризации поглощение электромагнитного излучения, внутренний и/или внешний квантовый выход и т.п.
Новые материалы, включающие, например, нанотрубки, нанопроволоки, фуллерены, точечные квантовые приборы, наночастицы и наноусы представляют собой новый путь проектирования основных параметров в оптических и оптоэлектронных устройствах. Например, нелинейные оптические эффекты можно ввести и усилить в устройстве путем использования этих наноматериалов при подходящем расположении в конструкции устройства. Хотя новые наноматериалы и наноструктуры показывают перспективу улучшения основных параметров оптических и оптоэлектронных устройств, данные материалы одновременно представляют новые сложные задачи по изготовлению этих устройств.
Способ синтеза наноструктур сильно зависит от самой структуры. Некоторые наноструктуры, например, точечные квантовые приборы, можно синтезировать в обычном устройстве для тонкопленочного нанесения, таком как устройство ХОПМС (химическое осаждение из паров металлоорганических соединений), тогда как волокнистые сетчатые структуры, содержащие, например, нанопроволоки, могут потребовать устройство, специально сконструированное для синтеза и/или осаждения этих молекул с высоким аспектным отношением (МВАО). Изготовление устройств, содержащих новые наноматериалы, часто требует манипуляций с материалом на молекулярном уровне. Это особенно важно в оптических устройствах, содержащих МВАО, в которых конкретная ориентация молекулы с высоким аспектным отношением может значительно влиять на оптические свойства устройства. Примером такого устройства является поляризатор (или поляризационный фильтр), коэффициент светопропускания которого зависит от поляризации падающего света.
К тому же, первостепенное значение в оптических применениях имеет чистота и однородность наноматериала. Для того, чтобы включить МВАО в устройство, молекулы фильтруют, например, из потока газа и/или диспергируют в растворе. Эти операции могут вызывать внесение примесей в оптическое устройство, а дисперсия МВАО в растворе обычно недостаточна для получения однородного материала. Более того, дисперсия часто требует грубого обращения, такого как обработка звуком и/или применение поверхностно-активных веществ и функционализирующих материалов, которые могут нарушать работу устройства.
Эксплуатационные качества многих известных в настоящее время оптических и оптоэлектронных устройств, основанных на наноструктурах, имеют недостатки, заключающиеся в трудностях при изготовлении, а также в свойствах функционального наноматериала. Например, в опубликованной заявке WO2008/025966 А1 описана композиция, содержащая наноматериал в оптическом контактном геле или в оптическом клее. Изобретение, описанное в опубликованной заявке WO2008/025966 А1, имеет недостаток, заключающийся в неоднородной дисперсии наноматериала, например, наноточек, в оптическом геле или клее. Это может создавать дополнительную трудность при получении наноматериала с чистотой, достаточной для оптических или оптоэлектронных устройств из наноматериалов, описанных в данной публикации.
Для улучшения существующего положения и для разработки новых оптических и оптоэлектронных устройств важно найти новые наноматериалы с улучшенной функциональностью, чистотой, гибкостью в применении и однородностью. Также важно разработать новые способы получения, которые не приводят к деградации и не ухудшают основные свойства материалов, используемых в этих устройствах.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является уменьшение вышеперечисленных технических проблем предшествующего уровня техники путем обеспечения нового типа оптических и оптоэлектронных устройств, основанных на использовании функционализованных фуллеренами и ковалентно связанных функционализованных фуллеренами трубчатых углеродных молекул.
Описание изобретения
Применение по настоящему изобретению охарактеризовано в независимом п.1 формулы изобретения.
Устройство по настоящему изобретению охарактеризовано в независимых пп.10 или 12 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению молекулу углеродной нанопочки, имеющую по меньшей мере одну фуллереновую часть, ковалентно связанную с боковой поверхностью трубчатой углеродной молекулы, используют для взаимодействия с электромагнитным излучением в устройстве, в котором взаимодействие с электромагнитным излучением возникает посредством релаксации и/или возбуждения молекулы углеродной нанопочки.
Устройство по настоящему изобретению включает молекулу углеродной нанопочки, имеющую по меньшей мере одну фуллереновую часть, ковалентно связанную с боковой поверхностью трубчатой углеродной молекулы. Устройство содержит одну или более по меньшей мере частично р-типа электропроводных молекул углеродной нанопочки и одну или более по меньшей мере частично n-типа электропроводных молекул углеродной нанопочки, так что одна или более по меньшей мере частично р-типа электропроводных молекул углеродной нанопочки находятся в электрическомконтакте с одной или более по меньшей мере частично n-типа электропроводными молекулами углеродной нанопочки для обеспечения возможности излучательной электронно-дырочной рекомбинации.
Устройство по настоящему изобретению содержит молекулу углеродной нанопочки, имеющую по меньшей мере одну фуллереновую часть, ковалентно связанную с боковой поверхностью трубчатой углеродной молекулы, и хромофор, присоединенный к молекуле углеродной нанопочки для влияния на спектральные характеристики устройства и для увеличения нелинейности характеристик поглощения электромагнитного излучения молекулой.
В этом контексте взаимодействие молекулы углеродной нанопочки с электромагнитным излучением нужно понимать как взаимодействие, включающее все процессы, затрагивающие возбуждение или релаксацию молекулы нанопочки, которые вызывают поглощение или испускание электромагнитного излучения. Примеры устройств, в которых можно использовать одну или более молекул углеродной нанопочки для выполнения функций, связанных с испусканием, поглощением и/или другим взаимодействием с электромагнитным излучением, включают, например, эмиттеры, дисплеи, лазеры, усилители, фильтры, поляризаторы, фотодетекторы, детекторные решетки (например, для камер), биохимические датчики, маркировщики для использования в спектроскопических или связанных с флюоресценцией применениях, восстановители сигнала, формирователи сигнала, компенсаторы дисперсии, преобразователи длины волны, возбудители с оптическим приводом (например, наномотор с лазерным приводом), оптические переключатели, материалы с повышенной структурной изомеризацией для литографических процессов, антиотражающие (АО) покрытия или селективно отражающие покрытия с превосходной химической, механической стойкостью или стойкостью к облучению, фотографические или голографические материалы для увеличенной плотности хранения информации и фазовые или амплитудные модуляторы. Одна или более молекул углеродной нанопочки в этих устройствах могут иметь форму, например, сетки, покрытия или пленки, или они могут быть внедрены в матрицу материала, такого как стекло, кварц, кристаллический материал, полимер, оптический гель или оптический клей.
Компоненты, содержащие молекулы углеродной нанопочки, которые по настоящему изобретению используют для взаимодействия с электромагнитным излучением, особенно подходят для различных оптических или оптоэлектронных устройств. Причина состоит в том, что процесс синтеза молекул углеродной нанопочки обеспечивает возможность получения более химически чистого, более кристаллического и более однородного материала, чем, например, в обычных способах синтеза углеродных нанотрубок. Это является результатом особой геометрии молекулы нанопочки, обеспечивающей возможность способов синтеза, не требующих дополнительных, потенциально разрушающих, стадий очистки. Способы получения обеспечивают материалы, которые удовлетворяют требованиям высокой чистоты, качества и однородности для многих оптических применений. Молекулы углеродной нанопочки дополнительно сочетают функциональные особенности трубчатых углеродных молекул и фуллереновых молекул в стабильной и прочной структуре, которую можно функционализировать для изменения свойств и поведения материала, в который введены молекулы нанопочки. Это может быть особенно полезно в нелинейных оптических применениях, при выполнении таких функций, как насыщаемое поглощение, обратное насыщаемое поглощение, усиление и поляризация света. К тому же, фуллереновая часть молекулы углеродной нанопочки обеспечивает средство для разъединения трубчатой части молекулы нанопочки от соседних элементов, либо путем простых геометрических соображений, либо путем функционализации фуллереновой части, чтобы избежать или иначе регулировать взаимодействия между трубками, которые могут изменить оптические характеристики материала, содержащего молекулы углеродной нанопочки. Отметим, что фуллереновая часть молекулы углеродной нанопочки может быть фуллереновой молекулой или другой фуллереноподобной структурой, возможно содержащей фуллереновую молекулу.
Более того, фуллереновую часть или фуллереноподобную структуру, связанную с трубчатой частью молекулы углеродной нанопочки, можно использовать для изменения запрещенной энергетической зоны (обеспечивающей свойства проводника или полупроводника) материала, содержащего молекулы углеродной нанопочки. Это делает возможным настройку поглощения, излучения или другого электромагнитного взаимодействия в материале в зависимости от длины волны, температуры, химического окружения или других локальных условий. Фуллереноподобную фуллерену структуру, связанную с трубчатой частью молекулы углеродной нанопочки, можно дополнительно использовать в качестве мостиковой молекулы, либо непосредственно, либо через другую мостиковую молекулу, такую как сложноэфирная группа. Это можно, например, использовать для увеличения релаксации носителей внутри молекул нанопочки и/или для уменьшения времени восстановления материала, содержащего молекулы углеродной нанопочки, и/или для увеличения механической прочности нанесенного материала или пленки.
В одном воплощении по изобретению хромофор присоединяют к молекуле углеродной нанопочки для увеличения нелинейности характеристик поглощения электромагнитного излучения в молекуле нанопочки.
В другом воплощении изобретения хромофор присоединяют к фуллереновой части молекулы углеродной нанопочки для увеличения нелинейности характеристик поглощения электромагнитного излучения в молекуле нанопочки.
Путем присоединения хромофора к реакционноспособному центру в молекуле углеродной нанопочки в трубчатой части или в фуллереновой части можно получить нелинейно-оптический материал. Этот тип материала показывает улучшенную стабильность по сравнению с нелинейно-оптическими материалами предшествующего уровня техники в результате стабильности молекул углеродной нанопочки. Хромофор в этом контексте можно понимать как любую молекулярную структуру, создающую требуемый оптический эффект при взаимодействии с электромагнитным излучением. Примеры хромофоров, обладающих нелинейными оптическими эффектами в молекулах углеродной нанопочки, включают органические молекулы, такие как полимеры, олигомеры, мономеры и димеры. Конкретно, молекулы красителя, например, феносафранина (ФСФ), вызывают характеристики сильного нелинейного поглощения в молекулах углеродной нанопочки. Хромофор также может действовать как упоминавшаяся выше мостиковая молекула.
Молекулы углеродной нанопочки можно наносить на конструкцию устройства, например, непосредственно из газовой фазы, без использования дисперсии молекул нанопочки из жидкого раствора, для улучшения оптического качества молекул углеродной нанопочки. Также возможны другие способы получения, такие как получение покрытия центрифугированием или диспергирование в материале матрицы. Осаждение молекул углеродной нанопочки непосредственно из газовой фазы на подложку, такую как конструкция оптического компонента, согласно способу, описанному подробно в WO 2007/057501 А1, делает возможным более однородное распределение молекул по сравнению со способами, в которых наноматериал диспергируют в материал матрицы. Осаждение непосредственно из газовой фазы дополнительно уменьшает риск загрязнения примесями и риск изменения свойств, обусловленный промежуточными стадиями обработки, до тех пор, пока молекулы углеродной нанопочки эффективно отделяются от других молекул или частиц в газе. Дополнительное преимущество осаждения молекул углеродной нанопочки непосредственно из газовой фазы в упомянутом способе состоит в том, что улучшаются оптические свойства отдельной молекулы углеродной нанопочки, например, кристалличность и дефект плотности. Более того, молекулам нанопочки можно придать поверхностную активность и рассредоточить при осуществлении способа, что способствует их распределению в жидкостях или на твердых подложках. Для того, чтобы минимизировать риск загрязнения молекул углеродной нанопочки, подложка, используемая для осаждения молекул углеродной нанопочки, может быть отличной от конечной подложки. Сетку, содержащую молекулы углеродной нанопочки, можно перенести с предварительной подложки на конечную подложку, которая может быть частью, например, оптического компонента, используя способ, описанный в заявке на патент FI 20075482.
В одном воплощении по изобретению устройство содержит две или более молекулы углеродной нанопочки, где две или более молекулы углеродной нанопочки разъединены друг от друга для увеличения сечения поглощения света одной молекулы нанопочки.
Среднее сечение поглощения света молекул углеродной нанопочки в устройстве можно увеличить путем обеспечения того, что молекулы разъединены друг от друга в устройстве, в противоположность ситуации, когда молекулы углеродной нанопочки находятся поблизости или даже контактируют друг с другом в устройстве. В последнем случае молекулы углеродной нанопочки могут экранировать друг друга, так что их среднее сечение поглощения света уменьшается. Один способ увеличения разъединения молекул углеродной нанопочки состоит в отделении этих молекул от пучка уже на стадии осаждения. Это можно выполнить путем, например, использования разности заряда между соединенными в пучок углеродными нанопочками и отдельными молекулами углеродной нанопочки. Увеличенное сечение поглощения света приводит к улучшению оптических процессов в материале, содержащем молекулы углеродной нанопочки. Другой способ увеличения разъединения состоит в связывании отдельных молекул нанопочки друг с другом посредством соединения фуллереновых или фуллереноподобных частей молекулы нанопочки друг с другом посредством, например, мостиковых молекул, так чтобы молекулы углеродной нанопочки с меньшей вероятностью соединялись в пучки или разъединялись в течение обработки. Еще один способ увеличения разъединения состоит в связывании отдельных молекул нанопочки с матрицей или материалом поверхности посредством связывания фуллереновых или фуллереноподобных частей молекулы нанопочки с материалом матрицы посредством, например, соответствующих молекул матрицы, таких как полимеры, так чтобы молекулы углеродной нанопочки соединялись в пучки с меньшей вероятностью.
В одном воплощении изобретения молекулу углеродной нанопочки используют для насыщаемого поглощения электромагнитного излучения.
В другом воплощении изобретения молекулу углеродной нанопочки используют для обратного насыщаемого поглощения электромагнитного излучения.
В другом воплощении изобретения трубчатую углеродную молекулу используют для насыщаемого поглощения электромагнитного излучения, и фуллереновую часть, ковалентно связанную с трубчатой углеродной молекулой используют для обратного насыщаемого поглощения электромагнитного излучения.
В еще одном воплощении по изобретению две или более расположенных на одной линии молекулы углеродной нанопочки используют для обеспечения анизотропного поглощения электромагнитного излучения в устройстве.
Из-за ассиметричной формы молекулы углеродной нанопочки эти молекулы можно легко поляризовать электростатическим или другим способом и расположить на одной линии путем помещения их, например, в электрическое или магнитное поле. Возможность точного размещения на одной линии поглощающих молекул обеспечивает возможность анизотропного поглощения или модулированных шаблонов для материалов, содержащих молекулы углеродной нанопочки. Этот признак, совместно с характеристиками насыщаемого и обратного насыщаемого поглощения молекул углеродной нанопочки, представляют интересные возможности, например, для применений в формировании сигнала, которые можно использовать для восстановления импульсов в оптических телекоммуникационных сетях.
В одном воплощении изобретения молекулу углеродной нанопочки используют для поляризованного оптического излучения.
В одном воплощении изобретения устройство содержит первый электрод в электрическом контакте с одной или более по меньшей мере частично n-типа электропроводных молекул углеродной нанопочки, второй электрод в электрическом контакте с одной или более по меньшей мере частично р-типа электропроводных молекул углеродной нанопочки, электрод затвора и изолирующий слой между электродом затвора и молекулами углеродной нанопочки для электрической изоляции электрода затвора от молекул углеродной нанопочки.
Описанные здесь выше воплощения изобретения можно использовать в любом сочетании друг с другом. Можно объединять вместе несколько воплощений для образования дополнительного воплощения по изобретению. Применение или устройство, к которым относится изобретение, может включать по меньшей мере одно из описанных здесь выше воплощений по изобретению.
Подробное описание изобретения
Далее настоящее изобретение описано более подробно. Сделаны ссылки на сопроводительные чертежи, где:
на Фиг.1 (предшествующий уровень техники) представлены пять различных молекулярных моделей молекулы углеродной нанопочки, в которых по меньшей мере одна фуллереновая молекула или фуллереноподобная молекулярная структура ковалентно связана с трубчатой углеродной молекулой,
на Фиг.2 схематически представлен светодиод по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.3 схематически представлен лазер по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.4 схематически представлена светоизлучающая конструкция полевого транзистора по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.5 схематически представлена конструкция устройства по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.6 схематически представлена конструкция другого устройства по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.7а схематически представлено продольное сечение полупроводникового лазера по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.7b схематически представлено поперечное сечение полупроводникового лазера по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.8 схематически представлено сечение волоконного лазера по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.9 схематически представлена кольцевая конфигурация лазера по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.10 схематически представлена конструкция другого устройства по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг.11 схематически представлена функция насыщаемого поглощения,
на Фиг.12 схематически представлена функция обратного насыщаемого поглощения,
на Фиг.13 схематически представлена объединенная функция насыщаемого поглощения и обратного насыщаемого поглощения,
на Фиг.14а представлено воздействие функций насыщаемого поглощения, обратного насыщаемого поглощения и объединенного насыщаемого и обратного насыщаемого поглощения на поток оптических импульсов,
на Фиг.14b представлено, как сужение импульсов в потоке оптических импульсов делает возможным увеличение частоты импульсов,
на Фиг.14с представлена последовательность оптических импульсов до преобразования насыщаемым и обратным насыщаемым поглотителем на основе углеродной нанопочки и
на Фиг 14d представлена последовательность оптических импульсов после преобразования насыщаемым и обратным насыщаемым поглотителем на основе углеродной нанопочки.
Молекулы углеродной нанопочки, схематически показанные на Фиг.1, можно синтезировать, например, из углеродного источника, например, моноксида углерода, с использованием предшественников катализатора, таких как ферроцен, или катализаторов, полученных из генератора с проволокой высокого сопротивления, таких как металлические частицы, и дополнительных агентов, дополнительно способствующих росту молекул нанопочки, повышению чистоты продукта. Подробности способа синтеза можно найти в опубликованной заявке WO 2007/057501 А1, которая включена в этот документ в качестве ссылки.
2
Конструкция светоизлучателя, основанная на испускании света молекулами углеродной нанопочки, представлена на Фиг.2. Эта конструкция включает область 1 Si n-типа и область 2 Si р-типа. Между этими областями расположена изолирующая область, включающая полупроводниковые молекулы 3 углеродной нанопочки с запрещенной энергетической зоной с прямыми переходами, встроенные в изолирующий материал матрицы 4, такой как недопированный Si или тонкий слой (толщина 5-10 нм) диоксида кремния (SiO). При работе отрицательное напряжение -V/2 прикладывают к электрическому контакту 5 на стороне 1 Si n-типа конструкции, и положительное напряжение V/2 прикладывают к электрическому контакту 6 на стороне 2 Si p-типа конструкции. Это приводит к выделению электронов из области 1 Si n-типа и дырок из области 2 Si р-типа по направлению к изолирующей области. Когда дырка и электрон встречаются с молекулой углеродной нанопочки 3 внутри изолирующей области, они претерпевают рекомбинацию, которая, с конечной вероятностью, является излучательной.
Ширину запрещенной энергетической зоны молекулы углеродной нанопочки можно задавать путем регулирования способа, используемого для синтеза этих молекул. Ширину запрещенной энергетической зоны молекул углеродной нанопочки можно, например, изменить путем функционализации молекулы дополнительными атомами, или подбирая хиральность. Молекула 3 углеродной нанопочки с шириной запрещенной энергетической зоны меньшей, чем у окружающей изолирующей матрицы 4, может действовать подобно квантовому точечному прибору, ограничивающему носители заряда, туннелированные в изолирующую область, до молекул 3 углеродной нанопочки для увеличения внутреннего квантового выхода светоизлучателя.
2
2
В одном воплощении по настоящему изобретению конструкцию на Фиг.2 можно модифицировать так, чтобы она действовала как лазер. Модифицированная структура представлена на Фиг.3. Она включает отражатели Брэгга на обоих сторонах конструкции, представленной на Фиг.2. Отражатели Брэгга ограничены микрополостью Фабри-Перо, в которой активная среда содержит молекулы углеродной нанопочки в качестве светоизлучающего материала. Отражатели Брэгга могут содержать, например, чередующиеся слои 7 Si и 8 SiO, которые образуют сильно отражающую интерференционную структуру. Когда электроны и дырки вводят в активную среду с достаточно высокой скоростью для достижения инверсии заселенности уровней в активной среде, начинается генерирование лазерного излучения. Длина волны лазерного излучения в конструкции на Фиг.3 определяется взаимодействием между длиной волны полости Фабри - Перо и фундаментальной шириной запрещенной энергетической зоны светоизлучателя, т.е. молекул 3 углеродной нанопочки. Толщину слоев 7 Si и 8 SiO в отражателях Брэгга нужно подбирать так, чтобы достичь достаточно высокой отражательной способности для длины волны лазерного излучения. Для достижения высокого уровня введения заряда в активную среду могут быть преимущественными высокодопированные области 1 Si n-типа и 2 Si р-типа.
2
Может существовать множество разновидностей светоизлучающих конструкций, представленных на Фиг.2 и Фиг.3, которые работают согласно соответствующему принципу. Области 1 Si n-типа и 2 Si р-типа можно, например, альтернативно сформировать посредством сети молекул углеродной нанопочки р- и/или n-типа, которые соответственно образуют сторону р- и/или n-типа конструкции. Дополнительно, в конструкции лазера на Фиг.3 отражатели Брэгга могут включать молекулы углеродной нанопочки внутри конструкции отражателя, или слой 7 Si или 8 SiO может быть заменен слоем, содержащим молекулы углеродной нанопочки.
2
2
Конструкции светоизлучателей (СИС Фиг.2 и лазер Фиг.3) можно получить нанесением Si и SiO путем ХОПФ (химического осаждения из паровой фазы) или УПХОПФ (усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы) на кремниевую подложку и путем использования подходящего способа отжига для добавок n- или р-типа. Альтернативно, если используют нанопочки, можно осаждать подходящие допированные n- или р-типа молекулы нанопочки. Молекулы 3 углеродной нанопочки внедряют в активную область светоизлучающего устройства путем их разрастания с Si или подходящим тонким слоем изолирующего материала, такого как SiO.
Устройство по одному воплощению изобретения представляет собой источник поляризованного света. Устройство схематически представлено на Фиг.4. Конструкция устройства имеет сходство с полевым транзистором (ПТ) и включает молекулу 9 углеродной нанопочки между электродом 10 истока и электродом 11 стока, электрод 12 затвора, диэлектрик 13 затвора и покровный слой 14 сверху электродов 11 стока и 10 истока. При приложении напряжения к электроду 12 затвора, так что потенциал затвора находится между потенциалом истока и стока, достигают одновременного введения электрона и дырки в молекулу 9 углеродной нанопочки. В этом способе р-n переход получают внутри одной молекулы 9 углеродной нанопочки. Когда электрон и дырка рекомбинируют в молекуле 9 углеродной нанопочки внутри представленного устройства, неожиданно наблюдают излучение поляризованного света.
Функционирование устройства на Фиг.4, амбиполярного полевого транзистора, основано на создании тонких барьеров Шотки (переходов металл - полупроводник) на каждом конце молекулы 9 углеродной нанопочки на границе контактов истока 10 и стока 11. Когда устройство настроено подходящим образом, как описано выше, как электроны, так и дырки способны туннелировать через барьеры Шотки в молекулу 9 углеродной нанопочки, что приводит к излучению поляризованного света.
2
2
2
+
Устройство на Фиг.4 можно получить, например, путем осаждения SiO на p - Si полупроводниковую пластину - подложку и распределения молекул углеродной нанопочки на изолирующем SiO диэлектрике 13 затвора. Ti электроды стока 11 и истока 10 можно, например, осаждать путем использования ХОПФ, и затем структурировать путем литографии для получения контактных областей в подходящих местах на подложке. На этой стадии можно использовать отжиг в атмосфере Ar при температуре, например, 900°С для улучшения электрического контакта между молекулой 9 углеродной нанопочки и Ti контактами стока 11 и истока 10. Конструкцию можно покрыть тонким покровным слоем 14 из SiO. Молекулу углеродной нанопочки можно заменить на две или более молекул углеродной нанопочки в устройстве на Фиг.4 с получением дополнительного воплощения по настоящему изобретению.
В дополнение к вышеупомянутым устройствам, которые основаны на электролюминесценции молекул углеродной нанопочки, эти молекулы можно дополнительно или исключительно привести в оптически возбужденное состояние для выполнения различных функций. Воплощения изобретения, реализующие эти функции, описаны ниже.
В одном воплощении по настоящему изобретению можно использовать одну или более молекул углеродной нанопочки в устройстве, конструкция которого схематически представлена и показана в общих чертах на Фиг.5. Эта конструкция включает источник 15 входного света, входной луч 16 электромагнитного излучения, пластину 17 из прозрачного или полупрозрачного материала 17, включающего одну или более молекул 18 углеродной нанопочки, два выходных луча электромагнитного излучения (проходящий луч 19 и излучаемый луч 20) и регистрирующее устройство 21. В этом контексте прозрачность следует понимать как прозрачность на длинах волн лучей электромагнитного излучения, представленного на Фиг.5. Источник 15 входного света может быть, например, лазером или источником света в широком диапазоне длин волн, и он может быть модулированным. Регистрирующее устройство 21 может быть, например, фотодиодом или другим светочувствительным устройством со способностью регистрировать излучение на длинах волн двух выходных лучей 19, 20.
Проходящий луч 19 на Фиг.5 является частью входного луча 16, которая проходит через пластину 17, содержащую молекулы 18 углеродной нанопочки, по существу без взаимодействия с пластиной 17. Излучаемый луч 20 является лучом электромагнитного излучения, излучаемого пластиной 17 в результате взаимодействия входного луча 16 с молекулами 18 углеродной нанопочки в пластине 17.
Молекулы 18 углеродной нанопочки, внедренные в пластину 17, могут поглощать электромагнитное излучение на длине волны, или на нескольких длинах волн, входного луча 16. Это поглощение может изменяться в зависимости от многих параметров, таких как направление, поляризация, интенсивность и длина волны или спектральные характеристики при данной длине волны входного луча 16. Эти зависимости обеспечивают возможность выполнения пластиной 17 различных функций, которые можно использовать, например, в коммуникационных и измерительных технологиях. Заметим, что пластина 17 на Фиг.5 может иметь любую геометрическую форму.
Когда электромагнитное излучение поглощается молекулой(ами) 18 углеродной нанопочки, эти молекулы возбуждаются, так как электроны переходят на более высокие энергетические уровни в молекулах. При релаксации этих молекул электроны переходят назад на более низкие энергетические уровни в молекулах, и энергия может испускаться при одной или более длин волн, характеристических для молекул 18 углеродной нанопочки. Неожиданно наблюдали, что молекулы 18 углеродной нанопочки показывают нелинейную фотолюминесценцию, которую можно использовать, например, для выполнения логических операций, оптического переключения и модулирования полностью в оптической области.
В результате нелинейной фотолюминесценции интенсивность люминесцентного света 20, испускаемого пластиной 17 на Фиг.5, изменяется как нелинейная функция интенсивности электромагнитного излучения, которое используют для возбуждения молекул 18 углеродной нанопочки в пластине 17, т.е. интенсивности входного луча 16. Поэтому, в конструкции на Фиг.5 интенсивность на выходе излучаемого луча 20 можно динамически регулировать в зависимости от интенсивности входного луча 16. Обработку и модулирование сигнала можно поэтому выполнять в чисто оптическом компоненте, в противоположность более традиционному электрооптическому модулятору. Это делает возможным чисто оптическое соединение, обработку сигнала и, в конечном счете, логические операции с высокими скоростями переключения, связанные с обработкой оптического сигнала.
in
0
in
Когда интенсивность входного луча 16 превышает определенное пороговое значение, можно наблюдать резкое увеличение излучения света пластиной 17. Поэтому, используемый управляющий параметр переключения представляет собой мощность P соответствующих спектральных компонентов входного луча 16. Регулирование этой мощности можно осуществлять, например, путем электрооптического модулирования источника 15 входного света. Получаемая интенсивность излучаемого луча 20 удовлетворяет соотношению Р=σP.
Одну или более молекул 18 углеродной нанопочки, проявляющих описанные выше характеристики нелинейной фотолюминесценции, можно синтезировать, например, путем вышеупомянутого способа синтеза, описанного в WO 2007/057501 А1. Для изготовления пластины 17 по Фиг.5, эти одну или более молекул 18 углеродной нанопочки осаждают на прозрачную или полупрозрачную подложку, выполненную, например, из кварца, боросиликата или легкоплавкого стекла. Эту прозрачную подложку можно поместить внутри или расположить после реактора, в котором синтезируют молекулы 18 углеродной нанопочки для нанесения молекул 18 углеродной нанопочки на подложку непосредственно из газовой фазы. Альтернативно, молекулы углеродной нанопочки можно сперва нанести на предварительную подложку и сетку, содержащую молекулы углеродной нанопочки, можно затем перенести с предварительной подложки на конечную подложку, которая может быть, например, вышеупомянутой прозрачной или полупрозрачной подложкой, используя способ, описанный в заявке на патент FI 20075482.
2
2
2
Пороговое значение для нелинейного усиления зависит от технологических параметров, используемых при синтезе молекул углеродной нанопочки. Самыми критическими параметрами, влияющими на пороговое значение, являются температура синтеза, которая может, например, составлять 900°С, и концентрация дополнительных реагентов, таких как НО и CO. Атомы углерода в трубчатой части молекулы нанопочки должны быть связаны друг с другом посредством sp связей с образованием гексагональных колец. Осажденную на прозрачную подложку молекулу 18 углеродной нанопочки или слой молекул 18 углеродной нанопочки можно внедрить внутрь прозрачной структуры (такой как пластина 17) путем, например, нанесения на одну или более молекул углеродной нанопочки покрытия из прозрачной или полупрозрачной пленки.
Другую нелинейную функцию, называемую насыщаемым поглощением, можно реализовать, используя простую конструкцию согласно Фиг.5. С помощью этой функции, например, можно сформировать или модулировать форму колебаний сигнала проходящего луча 19, что можно применять, например, при восстановлении импульса в оптических телекоммуникационных сетях или в лазерных компонентах при генерации коротких лазерных импульсов. Когда молекулы 18 углеродной нанопочки в пластине 17 ведут себя как насыщаемые поглотители, они поглощают электромагнитное излучение входного луча 16 в зависимости от интенсивности входного луча 16. Когда интенсивность входного луча 16 меньше порога насыщения, поглощение является высоким и очень малая часть интенсивности входного луча 16 проходит через пластину 17. Когда интенсивность превышает порог, молекулы 18 углеродной нанопочки более не способны поглощать излучение входного луча 16, и часть интенсивности, превосходящая порог насыщения (также называемый порогом просветления), проходит через пластину 17. Функция насыщаемого поглощения показана на Фиг.11.
Насыщаемое поглощение можно реализовать непосредственно молекулами углеродной нанопочки, или модифицировать или усилить, например, присоединением хромофоров к реакционноспособным центрам трубчатой части на концах трубчатой части или на фуллереновой (или фуллереноподобной) части молекулы углеродной нанопочки. Активность этих хромофоров в нелинейной оптике основана на их сверхполяризуемости. В особенности феносафранин (ФСФ) представляет собой молекулу, которую можно использовать для создания диполей в оптически активном материале, включающем молекулы углеродной нанопочки. Создание этих диполей сильно увеличивает нелинейные свойства оптически активного материала. Так как молекулы углеродной нанопочки являются физически и химически очень устойчивыми молекулами, нелинейно-оптический материал, полученный функционализацией углеродных нанопочек хромофорами, допускает использование сильных оптических полей без опасности разрушения оптического материала.
Применение, в котором используют устройство насыщаемого поглотителя, основанное на функции насыщаемого поглощения молекул углеродной нанопочки, представляет собой зеркало с насыщаемым поглотителем. Эти зеркала включают отражающую поверхность позади пластины (такой как пластина 17) или слоя, выполняющего функцию насыщаемого поглощения. Зеркала с насыщаемым поглотителем можно использовать, например, в лазерах в качестве зеркал объемного резонатора для генерации ультракоротких импульсов. Зеркало с насыщаемым поглотителем на основе молекул углеродной нанопочки можно изготовить, например, путем прямого осаждения из газовой фазы, переноса осаждения с первичной подложки или нанесения методом центрифугирования покрытия из синтезированных молекул углеродной нанопочки в подходящем прозрачном матричном материале (например, полимере) на отражающую поверхность.
Молекулы углеродной нанопочки проявляют характеристики нелинейного насыщаемого поглощения даже сами по себе, без присоединения хромофора, усиливающего эти нелинейности. Нелинейно поглощающие молекулы углеродной нанопочки, с присоединением хромофора или без него, можно ввести в оптический гель или клей для образования нанокомпозиционного материала. Материал матрицы (т.е. гель или клей) в этом композиционном материале можно выбирать так, чтобы он обладал конкретными оптическими свойствами для определенных применений. Например, показатель преломления материала матрицы можно выбирать так, чтобы оптически согласовывать две секции оптического волокна. В этом случае пластина 17 по Фиг.5 соответствует фрагменту нанокомпозиционного материала, которая может иметь любую геометрическую форму. Этот фрагмент можно соединить со средой, в которой распространяется входной луч 16, и со средой, в которой распространяются проходящий луч 19 и излучаемый луч 20. Молекулы углеродной нанопочки можно альтернативно просто осадить на одну или более поверхностей на срезе или сколе в среде, как схематически представлено на Фиг.6. Срез может быть частичным (как показано на Фиг.6) или полным. На данном чертеже фрагмент нанокомпозиционного материала 17, включающего молекулы 18 углеродной почки, осаждают внутрь сквозной области в твердой среде 28. Твердая среда может быть, например, усиливающей средой в лазере или в оптическом волокне.
Описанный выше оптический нанокомпозиционный материал можно изготовить, например, путем поглощения синтезированных молекул углеродной нанопочки в материале матрицы. Раствор затем, например, обрабатывают ультразвуком для получения суспензии углеродной нанопочки в материале матрицы, который может быть, например, жидким оптическим контактным гелем или оптическим клеем. Суспензию затем перемешивают посредством, например, ультрацентрифугирования. Альтернативно, нанокомпозиционный материал можно получить, например, способом согласно FI 20075482, в котором нанопочки сперва осаждают на первичную подложку, и затем переносят и внедряют путем пропитки во вторичную подложку.
Пленки с насыщаемым поглощением, основанные на молекулах углеродной нанопочки, также можно использовать для пассивной синхронизации мод, например, в импульсных волоконных лазерах, импульсных волноводных лазерах или импульсных кольцевых лазерах. В этих устройствах основанные на углеродных нанопочках насыщаемые поглотители используют для пассивного модулирования лазерных мод внутри лазерного резонатора для генерации ультракоротких лазерных импульсов. Насыщаемый поглотитель можно разместить внутри оптического резонатора для функционирования в режиме передачи, или снаружи оптического резонатора для функционирования путем взаимодействия с затухающей волной лазерных мод. В последнем случае взаимодействие с затухающей волной можно выполнять, например, путем нанесения покрытия конического или неконического волоконного лазера из пленки, включающей молекулы углеродной нанопочки, или осаждения слоя, включающего молекулы углеродной нанопочки, на канальный или плоский волновод полупроводникового лазера. Вышеупомянутые импульсные лазерные устройства обладают преимуществом высокой скорости возврата и превосходной стабильностью молекул углеродной нанопочки для генерации ультракоротких лазерных импульсов с высокой надежностью, например, в фемтосекундном диапазоне.
Схематический пример лазерной диодной конструкции с пассивной синхронизацией мод, в которой используют насыщаемый поглотитель, основанный на взаимодействии затухающей волны с молекулами углеродной нанопочки, представлен в продольном сечении на Фиг.7а, и в поперечном сечении на Фиг.7b. Конструкция включает молекулы 29 углеродной нанопочки, которые осаждены на плоский волновод снаружи активной области 30 стандартного полупроводникового лазера. Устройство дополнительно включает подложку 31 n-типа (например, n-GaAs), на которую осаждены полупроводниковые пленки, включающие активную область 30. Активную область 30 можно изготовить стандартным образом из, например, допированных полупроводников III-V, таких как GaAs и AIGaAs n- и р-типа, например, в УПХОПФ реакторе, и активная область 30 (усиливающая среда) устройства может содержать множество квантовых ям. Электрические контакты 32 n-типа и 33 р-типа также видны на Фиг.7а и на Фиг.7b. Лазерный резонатор ограничен в продольном направлении сколотыми гранями 34 лазерного кристалла, которые выполняют функцию зеркал резонатора. В поперечном направлении введение носителя можно ограничить путем подходящего допирования активной области 30 для получения изолирующих носитель направляющих областей 35.
Когда лазерные моды генерируют в активной области 30 устройства на Фиг.7а и на Фиг.7b, моды распространяются в оптическом резонаторе, ограниченном сколотыми гранями 34, и часть распределения оптической мощности, сконцентрированной в модах, затухающая волна, перекрывается молекулы 29 углеродной нанопочки. Насыщаемое поглощение молекул 29 углеродной нанопочки пассивно модулирует оптическую мощность лазерных мод, что приводит к синхронизации мод лазера.
На Фиг.8 схематически представлено, как молекулы 36 углеродной нанопочки можно разместить внутри резонатора 37 волоконного лазера с синхронизацией мод для действия в качестве насыщаемого поглотителя в режиме передачи. На Фиг.8 молекулы 36 углеродной нанопочки расположены на конце резонатора 37, близко к одной из волоконных решеток 38 Брэгга, ограничивающих длину лазерного резонатора 37. В этой геометрии оптические моды, направляемые в лазерном резонатором 37, модулируют путем насыщаемого поглощения по мере того, как они проходят через область, содержащую молекулы 36 углеродной нанопочки. В одном воплощении изобретения молекулы углеродной нанопочки также могут быть внедрены в лазер как часть зеркала резонатора для выполнения функции насыщаемого поглощения для синхронизации мод.
На Фиг.9 схематически представлено, как молекулы углеродной нанопочки можно использовать в насыщаемом поглотителе в конфигурации кольцевого лазера для достижения синхронизации мод. Конфигурация включает элемент с насыщаемым поглощением, такой как пластина 17, включающая молекулы 18 углеродной нанопочки, подходящим образом соединенный с кольцом оптического волокна 39 на входе и на выходе пластины, например, оптическими соединителями. Конфигурация дополнительно включает 50:50 соединитель 40, первый оптический вентиль 42 и допированный эрбием волоконный усилитель (ДЭВУ) 43. ДЭВУ 43 оптически накачивают лазером накачки (не показан).
В структуре кольцевого лазера с синхронизацией мод на Фиг.9 ДЭВУ 43 выполняет функцию среды усиления, первый оптический вентиль 41 препятствует обратному (против часовой стрелки) распространению света в кольце 39, и второй оптический вентиль 42 препятствует обратному распространению света на выходе 44. Соединитель 50:50 направляет половину интенсивности распространяющегося в кольце 39 света на выход 44 и другую половину назад в ДЭВУ 43. Длина волны лазерных мод, поддерживаемых кольцевым лазером по Фиг.9, определяется оптической длиной пути распространения этих мод вдоль кольца 39. Поддерживаемые длины волн должны быть такими, чтобы достигалась конструктивная интерференция света для каждой волны, распространяющейся вдоль волоконного кольца 39. Это делает возможным вынужденное излучение света в соответствующих модах в ДЭВУ 43. Когда пластину 17, включающую молекулы 18 углеродной нанопочки с насыщаемым поглощением, располагают в кольцевом резонаторе, как представлено на Фиг.9, функцию насыщаемого поглощения выполняет пластина 17, модулируя лазерные моды, что приводит к пассивной синхронизации мод кольцевого лазера.
2
4
3
Молекулы углеродной нанопочки с характеристиками насыщаемого поглощения можно синтезировать способом, описанным в WO 2007/057501 А1. Для присоединения хромофоров, например ФСФ, к этим молекулам, молекулы углеродной нанопочки можно сперва обработать кислотой, например HSO/HNO, для образования карбоксильных групп на трубчатой и/или фуллереновой части молекулы углеродной нанопочки. Молекулы ФСФ можно затем присоединить к этим карбоксильным группам путем погружения карбоксилированных углеродных нанопочек в содержащую ФСФ деионизированную воду.
Другая конструкция устройства по одному воплощению настоящего изобретения представлена на Фиг.10. Эта конструкция включает слой 22, содержащий молекулы 23 углеродной нанопочки с нелинейным поглощением между двумя зеркалами, задним зеркалом 24 и передним зеркалом 25. Можно использовать интерферометрическую конструкцию для увеличения взаимодействия входного света 26 с молекулами 23 углеродной нанопочки. Зеркало позади слоя молекул нанопочки (если смотреть со стороны падающего света 26), заднее зеркало 24, имеет очень высокую отражательную способность, так что падающий свет 26 не может выйти из конструкции с обратной стороны. Когда свет поступает в конструкцию, он проникает через менее отражающее переднее зеркало 25 и проходит через множество отражений между двумя зеркалами 24 и 25 перед выходом из конструкции со стороны переднего зеркала 25. При каждом прохождении через слой 22, включающий молекулы 23 углеродной нанопочки, часть падающего света 26 взаимодействует со слоем 22 молекул нанопочки, что увеличивает общий объем взаимодействия. Этот тип интерферометра дополнительно проявляет спектральную селективность, поскольку оптический резонатор между двумя зеркалами 24 и 25 поддерживает только определенные длины волн, зависящие от длины резонатора. Конструкция устройства на Фиг.10 дополнительно включает электрические контакты 27, так что можно прикладывать напряжение V к слою 22, содержащему молекулы 23 углеродной нанопочки. Это напряжение V можно использовать, например, для электрического модулирования оптических свойств слоя 22.
Для того, чтобы пластина 17 на Фиг.5 или слой 22 на Фиг.10 эффективно действовали как нелинейный оптический компонент, поглощающий свет объем пластины 17 или слоя 22 нужно максимизировать. Для этого нужно максимизировать среднее сечение поглощения света молекулами углеродной нанопочки на одну молекулу углеродной нанопочки. Среднее сечение поглощения света можно увеличить путем обеспечения разъединения молекул друг от друга в пластине 17 или в слое 22. Один способ увеличения разъединения молекул углеродной нанопочки состоит в отделении их от пучков этих молекул уже на стадии осаждения. Это можно выполнять, например, используя разность электрических зарядов между соединенными в пучок углеродными нанопочками и отдельными молекулами углеродной нанопочки. Увеличенное сечение поглощения света приводит к усилению оптических процессов в материале, включающем молекулы углеродной нанопочки.
60
В одном воплощении изобретения в устройстве используют функцию обратного насыщаемого поглощения молекулы углеродной нанопочки. В случае, например, Фиг.5, обратное насыщаемое поглощение означает, что поглощение входного луча 16 увеличивается в зависимости от интенсивности входного луча 16. Поэтому молекулы 18 углеродной нанопочки или фрагмент материала, включающий молекулы углеродной нанопочки, такой как пластина 17 на Фиг.5, можно использовать в качестве оптического ограничителя в защитных устройствах. Эти устройства могут найти применения, например, в оптических датчиках и средствах защиты глаз. Функция обратного насыщаемого поглощения показана на Фиг.12. Неожиданно наблюдали, что фуллереновая часть молекулы углеродной нанопочки эффективно действует как обратный насыщаемый поглотитель. В особенности наблюдали, что фуллеренподобная структура или фуллерен, например, бакминстерфуллерен С, является эффективным обратным насыщаемым поглотителем в молекуле углеродной нанопочки. К тому же, поскольку трубчатая часть молекулы углеродной нанопочки сама по себе или посредством функционализации хромофорами проявляет описанные выше характеристики насыщаемого поглощения, молекулы углеродной нанопочки обеспечивают исключительную основу для анизотропного функционирования оптических или оптоэлектронных устройств.
К тому же, функцию обратного насыщаемого поглощения фуллереновых частей молекулы нанопочки можно использовать, в сочетании с функцией насыщаемого поглощения, для ограничения интенсивности электромагнитного излучения, проходящего через область, включающую молекулы углеродной нанопочки, в любом из вышеупомянутых воплощений по изобретению. Регулируя концентрацию фуллереновых частей в нанопочках, можно регулировать эффект обратного насыщаемого поглощения. Эту функцию можно использовать, например, для ограничения интенсивности на выходе устройства или для защиты устройства от повреждения из-за избытка электромагнитной энергии.
Так как молекулы углеродной нанопочки показывают как характеристики насыщаемого поглощения (трубчатая часть молекулы нанопочки), так и обратного насыщаемого поглощения (фуллереновая часть молекулы нанопочки), эти молекулы можно легко использовать для создания соотношения входного-выходного сигнала согласно Фиг.13, объединяющего функции насыщаемого поглощения и обратного насыщаемого поглощения. Это соотношение можно наблюдать, например, в конструкции устройства на Фиг.5 между входным лучом 16 и проходящим лучом 19. Этот тип гибкой функции входного-выходного сигнала можно эффективно использовать, например, при обработке оптического сигнала, генерировании импульса, формировании сигнала оптическом переключении.
Как показано на Фиг.14а, функция обратного насыщаемого поглощения, объединенного с насыщаемым поглощением, позволяет задавать форму электромагнитного импульса. На Фиг.14а показано, как первоначальную последовательность 45 импульсов изменяют посредством только одной функции 46 насыщаемого поглощения, только одной функции 47 обратного насыщаемого поглощения и посредством объединенных функций 48 насыщаемого и обратного насыщаемого поглощения по одному из воплощений изобретения для получения, например, более прямоугольных импульсов, имеющих более короткие времена нарастания и спада фронта импульса из широкой, слабо оформленной первоначальной последовательности 45 импульсов, имеющих более длительные времена нарастания и спада фронта импульса. Такой видоизмененный импульс является более узким и его легче выделять с помощью регистрационного устройства, что позволяет обеспечить увеличение частоты импульсов и ширины диапазона оптического информационного потока, например, в оптическом волокне. Улучшенное разделение импульсов показано на Фиг.14с и Фиг.14а для импульса до (Фиг.14с) и после (Фиг.14а) переформирования с помощью описанного способа. Возможность увеличения частоты импульсов в результате сужения импульсов становится очевидной из Фиг.14b, на которой показаны четыре различных последовательности импульсов различно начерченными линиями. В этих последовательностях импульсов отдельные импульсы можно легко регистрировать.
Регулирование, например, концентрации фуллереновых частей молекул углеродной нанопочки, концентрации молекул нанопочки в материале матрицы, диаметра молекул нанопочки и типа и степени функционализации молекул нанопочки, например, хромофорами, можно использовать для определения модулирующей функции углеродных нанопочек, перекрывающих электромагнитное излучение и, таким образом, для определения конечной формы и интенсивности импульса.
Используя поляризацию, являющуюся следствием асимметричной формы молекулы углеродной нанопочки, молекулы углеродной нанопочки можно располагать на одной линии в конкретном направлении, воздействуя на них внешним электрическим полем. Так как такое расположение определяет относительную ориентацию фуллереновой части с обратным насыщаемым поглощением и трубчатой части с насыщаемым поглощением молекулы углеродной нанопочки, возможно сконструировать устройства, в которых входной луч (например, входной луч 16 на фиг.5) электромагнитного излучения подвергается насыщаемому или обратному насыщаемому поглощению в зависимости от угла падения входного луча по отношению к молекулам углеродной нанопочки.
Как ясно специалисту в данной области техники, изобретение не ограничено описанными выше примерами, но воплощения можно свободно изменять в пределах области защиты формулы изобретения.