一种基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管及其制备方法和应用转让专利
申请号 : CN202010350225.5
文献号 : CN111624684B
文献日 : 2021-09-24
发明人 : 李金瑛 , 吴雷明 , 康建龙
申请人 : 深圳瀚光科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,包括正面Mxene层和反面C3N4层,所述正面Mxene层与反面C3N4层叠加在一起;
所述正面Mxene层及反面C3N4层均设置成透光层。
2.如权利要求1所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述正面Mxene层包括第一透明容器以及容置于第一透明容器中的Mxene分散液,所述反面C3N4层包括第二透明容器以及容置于第二透明容器中的C3N4分散液。
3.如权利要求2所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述第一透明容器及第二透明容器均为比色皿。
4.如权利要求3所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述比色皿的厚度为1mm、2mm、5mm或者10mm。
5.如权利要求2所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述Mxene分散液及C3N4分散液中的溶剂均为乙醇、异丙醇、甲基吡咯烷酮及去离子水中的一种或者多种的混合。
6.如权利要求1所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述正面Mxene层为Mxene薄膜,所述反面C3N4层为C3N4薄膜。
7.如权利要求6所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,其特征在于,所述Mxene薄膜为MXene/PMMA薄膜、MXene/PVA薄膜和MXene/PVP薄膜中的一种,所述C3N4薄膜为C3N4/PMMA薄膜、C3N4/PVA薄膜和C3N4/PVP薄膜中的一种。
8.一种基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,提供正面Mxene层和反面C3N4层,将正面Mxene层与反面C3N4层叠加在一起,得到基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管;
所述正面Mxene层及反面C3N4层均设置成透光层。
9.如权利要求8所述基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,所述正面Mxene层包括第一透明容器以及容置于第一透明容器中的Mxene分散液,所述反面C3N4层包括第二透明容器以及容置于第二透明容器中的C3N4分散液;
将装有Mxene分散液的第一透明容器与装有C3N4分散液的第二透明容器叠加在一起。
10.如权利要求8所述基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,所述正面Mxene层为Mxene薄膜,所述反面C3N4层为C3N4薄膜。
11.如权利要求10所述基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,所述Mxene薄膜为MXene/PMMA薄膜、MXene/PVA薄膜或者MXene/PVP薄膜,所述C3N4薄膜为C3N4/PMMA薄膜、C3N4/PVA薄膜或者C3N4/PVP薄膜。
12.如权利要求11所述基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,所述MXene/PMMA薄膜及C3N4/PMMA薄膜的制备过程包括以下步骤:向溶解液中添加二维材料,分散均匀,继续添加PMMA,混合均匀,制得二维材料和PMMA的混合液,其中,所述二维材料为二维Mxene材料或者二维C3N4材料,所述PMMA为PMMA颗粒或者PMMA粉末;
将二维材料和PMMA的混合液涂敷于玻片上、烘干,制得MXene/PMMA薄膜或者C3N4/PMMA薄膜。
13.如权利要求12所述基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法,其特征在于,所述溶解液为氯仿、二氯甲烷、苯甲醚和乳酸乙酯中的一种或者多种的混合。
14.如权利要求1‑7任一项所述的基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管在光量子计算领域的应用。
说明书 :
一种基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管及其制备方
法和应用
技术领域
MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管在光量子计算领域的应用。
背景技术
道的MXene材料超过70种,它非天然存在,而是从MAX相材料中通过化学手段获得,通式为
Mn+1AXn,其中M代表过渡族金属,A为Ⅳ族元素,X 为碳或者氮。通过化学刻蚀的方法将元素
“A”从MAX相材料中刻蚀掉,即可得到相应的梳状结构材料,最后通过超声获得二维层状结
构MXene材料,其通式为 Mn+1XnTx“, Tx”是刻蚀后附着在MXene材料表面上的一些官能团(‑
F,‑OH,‑O)。二维材料具有各种与体材料完全不同的优异的物理化学特性,是未来工业化,
信息化实现小型化、集成化、多功能化,高效化的必然需求,探索研究新型二维多功能材料
的应用已是现今科技发展的热门课题。
能材料,在未来材料科学应用发展中将发挥举足轻重的作用。现今,探索研究基于二维
MXene材料的先进功能器件已引起了科学家们的广泛关注与浓厚的兴趣。在不久的将来,我
们也将看到越来越多的基于MXene的功能器件井喷式的展现在我们的眼前。在这些功能器
件中,基于二维材料的非线性光子二极管是目前投入研究较少的热点之一。
种采用信号光透射率非互易性传播的光子二极管,主要利用 Z‑scan的方法,将两者具有相
反光学特征的二维材料紧贴在一起构成一个复合结构,即将MXene材料与C60材料制作成薄
膜的复合结构,当激光从MXene/C60复合薄膜结构的两侧分别透射时,我们可以发现激光从
两侧透射的透射率变化趋势完全相反,一侧是透射率增强,一侧是透射率减弱。该成果发表
于Adv.Mater.2018, 1705714。而第二种类型光子二极管采用空间自相位调制的方法来研
究材料的非线性特性已经引起了研究者们的浓烈兴趣,相关报道也是层出不穷,但是在空
间自相位调制应用研究方面却鲜有报道。
发明内容
一种基于空间自相位调制方法的全新功能器件,即本发明中的基于MXene/C3N4材料复合结
构的光子二极管,实现了对可见光宽带光谱的非互易性传播。本发明还提供了一种基于
MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法以及该基于MXene/C3N4材料复合结构的
光子二极管在光量子计算机领域应用。
的C3N4分散液。
极管。由克尔定律知道,光在介质中传播,光强促使了介质折射率的改变,而折射率的改变
将引起一个光束的非线性相移,从而使得光束产生衍射图案,这就是我们所说的空间自相
位调制。空间自相位调制近年来被广泛用于研究二维材料的非线性特性,相比于四波混频
法和Z‑can的研究方法,采用空间自相位调制方法研究二维材料,在实验方法上更为简便,
易于实现。MXene是一类具有很强非线性响应特性的二维材料,在不同波长(532~671nm之
间)情况下具有优异的非线性响应特征,将其与另外一种反饱和吸收材料C3N4复合在一起即
可打破时间反转对称,实现对光的非互易性传播。本发明基于MXene/C3N4材料复合结构的光
子二极管结构简单、成本低、可操作性强,能够丰富现有光子二极管的种类。
MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管;
的C3N4分散液;
粒或者PMMA粉末;
MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管。532nm至671 nm之间的可见光从正面Mxene层输入、
从反面C3N4层输出和从反面C3N4层输入、从正面Mxene层输出所获得的光传输效果不同,实
现光的非互易性传播。本发明基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管的制备方法还具
有步骤简单、成本低、可用于大规模工业化生产等优点。
扰,扩展现有计算机的计算速率。
附图说明
性响应图表;
具体实施方式
本发明的保护范围。
播,光强促使了介质折射率的改变,而折射率的改变将引起一个光束的非线性相移,从而使
得光束产生衍射图案,这就是我们所说的空间自相位调制。相比于四波混频法和Z‑can的研
究方法,采用空间自相位调制方法研究二维材料,在实验方法上更为简便,易于实现。本发
明的目的就是以二维MXene材料为代表来探索其在光子二极管中的应用,丰富二维材料在
光子二极管中应用的多样化。
类具有很强非线性响应特性的二维材料,在不同波长(532~671nm) 情况下具有优异的非
线性响应特征,将其与另外一种反饱和吸收材料C3N4复合在一起即可打破时间反转对称,实
现对光的非互易性传播。图1(a)为本发明测试 MXene材料非线性响应特性的原理图。图1
(b)和图1(c)分别表示用532nm和 671nm激光激发MXene材料获得的衍射环图案,从中表明
MXene材料在532nm至 671nm之间的波段都村存在较强的非线性响应特性。具体的非线性响
2
应情况如图 1(d)所示,532nm(对应于左上方曲线)激发波长的非线性响应强度为0.23cm /
2
W, 672nm(对应于右下方曲线)激发波长的非线性响应强度为0.17cm/W,这意味着MXene材
2 2
料在532nm至671nm波段的非线性响应强度范围为:0.23cm/W至 0.17cm/W。
正面Mxene层与反面C3N4层叠加在一起组建成基于 MXene/C3N4材料复合结构的光子二极
管,MXene是一类具有很强非线性响应特性的二维材料,在波长为532~671nm的光传输过程
中具有优异的非线性响应特征,将其与另外一种反饱和吸收材料C3N4复合在一起即可打破
时间反转对称,实现对光的非互易性传播。
C3N4材料复合结构的光子二极管,称为基于 MXene/PMMA和C3N4/PMMA复合结构的光子二极
管。在具体实施方式中, MXene/PMMA薄膜与C3N4/PMMA薄膜之间还可以设置光导介质,例如
石英或者玻璃,光导介质起到传输光的作用。MXene/PMMA薄膜与C3N4/PMMA薄膜分别贴合于
光导介质的两端面上,可以起到固定MXene/PMMA薄膜及C3N4/PMMA薄膜的作用。
图2(b)展示的是本发明的模型图—基于MXene/PMMA和 C3N4/PMMA复合结构的光子二极管,
一束532nm激光从反向透射过基于 MXene/PMMA和C3N4/PMMA复合结构的光子二极管。如图2
(a)所示,当激光从正向入射基于MXene/PMMA和C3N4/PMMA复合结构的光子二极管时,激光束
将首先穿过MXene/PMMA薄膜。这种情况下,若入射光具有足够强的光强(优选为 532~
671nm之间的激光束,本实施例中优选为532nm激光)就能够与MXene材料相互作用,从而激
发光学克尔效应,进而产生衍射环。通过MXene/PMMA薄膜产生衍射环后,激光束的能量被
MXene部分吸收,同时光斑扩散成衍射环,直径增大,激光强度减弱。此后,被弱化的光束(被
MXene材料激发的衍射环)继续穿过C3N4/PMMA薄膜,但是由于C3N4具有较大的禁带宽度,并
且是一种反饱和吸收材料,所以衍射环难以被激发。最终,如图2(c)所示,我们可以看到从
正方向产生的衍射环图案。如图图2(b)所示,当激光从反向入射基于MXene/PMMA和 C3N4/
PMMA复合结构的光子二极管时,则无法激发衍射环。首先,激光束先穿过 C3N4/PMMA薄膜,激
光束的强度将受到C3N4吸收特性的影响而被大大削弱。之后,激光束继续通过MXene/PMMA固
体薄膜,但此时激光束已经没有足够的强度来激发MXene的非线性衍射环。如图2(d)所示,
最终我们只能从反方向得到一个类似高斯光的光斑。通过两种不同的透过光以及对应的信
号检测,即能实现光量子信号的单向导通,产生一个类似于二进制的信号,并最终应用于光
量子计算领域。
光从反向入射时,随着光强的增加,衍射环始终未被激发,未产生衍射环,如图3下方曲线所
示。
C3N4层叠加在一起,得到基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管。其中,正面Mxene层为
MXene/PMMA薄膜,反面C3N4层为C3N4/PMMA薄膜。
者粉末)替换成聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 相应的颗粒或者粉末。
正面Mxene层与反面C3N4层叠加在一起组建成基于 MXene/C3N4材料复合结构的光子二极
管。在本实施例中,正面Mxene层包括比色皿以及容置于比色皿中的Mxene‑乙醇分散液,反
面C3N4层包括比色皿以及容置于比色皿中的C3N4‑乙醇分散液。具体制备过程为:首先,将
Mxene‑乙醇分散液和 C3N4‑乙醇分散液分别装填到两个5mm厚的比色皿中,之后将两个比色
皿紧靠在一起构成复合结构,即基于MXene/C3N4材料复合结构的光子二极管,称为基于
MXene/C3N4液态分散液的光子二极管。使用上述实施例3中的基于MXene/C3N4材料复合结构
的光子二极管进行双向照射测试,测试结果如下。
发明的模型图—基于MXene/C3N4液态分散液的光子二极管,一束671nm激光从反向透射过基
于MXene/C3N4液态分散液的光子二极管。如图4 (a)所示,当激光从正向入射基于MXene/
C3N4液态分散液的光子二极管时,激光束将首先穿过Mxene‑乙醇分散液。这时如果入射光具
有足够强的光强就能够与 MXene材料相互作用,从而激发衍射环。通过Mxene‑乙醇分散液
激发衍射环后,激光束的能量被MXene部分吸收,同时光斑扩散成衍射环,直径增大,激光强
度减弱。此后,被弱化的671nm激光束(由MXene材料激发的衍射环)继续穿过C3N4‑ 乙醇分散
液,但是由于C3N4具有较大的禁带宽度,并具有反饱和吸收特性,所以衍射环无法被激发。最
终,如图4(c)所示,我们可以看到从正方向激发的衍射环图案。反之,如图4(b)所示,当激光
从反向入射基于MXene/C3N4液态分散液的光子二极管时,激光束先穿过C3N4分散液,由于
C3N4具有较大的带隙,衍射环无法被激发,并且激光束的强度将受到C3N4吸收特性的影响而
被大大削弱。之后,被弱化的激光束继续通过MXene分散液,但此时激光束已经没有足够的
光强来与MXene材料产生非线性效应。最终,如图4(d)所示,只能从反方向得到一个光斑。通
过两种不同的透过光以及对应的信号检测,即能实现光量子信号的单向导通,产生一个类
似于二进制的信号,并最终应用于光量子计算领域。
图5下方的曲线所示,当激光从反向入射时,随着光强的增加,衍射环始终未被激发。
来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保
护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。