一种光学相变材料及其制备方法、光开关器件及其应用技术

技术编号：42539623 阅读：10 留言：0更新日期：2024-08-27 19:44

本申请属于微纳光电子相关技术领域，其公开了一种光学相变材料及其制备方法、光开关器件及其应用，光学相变材料为N掺杂的Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;相变材料，化学通式为N<subgt;X</subgt;(Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;)<subgt;1‑X</subgt;，本申请从材料掺杂的角度出发，向超低损耗相变材料Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;中掺入N，成功地提高了Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;的晶态和非晶态之间的折射率差异Δn值，在保持低损耗的同时增大了开关折射率对比度。而且，掺杂N之后，相变材料发生相移的临界温度变高，说明相变材料的结晶温度提高，从侧面说明N掺杂同时提高非晶态的热稳定性。基于该相变材料设计的光开关器件，通过电加热的方式可以获得更多相移状态，使得光开关器件的调控更加灵活，使用场景更广。

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【技术实现步骤摘要】

本申请属于微纳光电子相关，更具体地，涉及一种光学相变材料及其制备方法、光开关器件及其应用。

技术介绍

1、随着光子学计算和光存储等领域的发展，人们对于能够在光子学器件中实现存储、逻辑运算等功能的新型材料和结构的需求不断增加。相变材料凭借其在相变过程中物理性质的巨大变化，以及其特有的能量效率、非易失性、可重构性和超快切换速度等一系列优势，为光学器件的调控、纳米光子学器件的发展提供了一种全新的思路。将相变材料与硅基光子学结合的研究领域不仅有望推动光子学的发展，还可能为光存储、光计算等领域带来创新的解决方案。

2、近年来，相变材料在集成光子学领域显示出巨大的潜力，其大折射率对比度和非易失性特性被用来减小器件尺寸，降低器件功耗。用于光开关、存储器和神经形态光学计算的集成光子学器件已被广泛报道。然而目前被采用的主流相变材料是ge2sb2te5，虽然其表现出极大的非晶态和晶态之间的光学折射率差异，但晶体状态下其在红外通讯波段的波导传输损耗很大，不适合纯相位调制领域，也限制了其进一步的大规模应用。新型相变材料sb2s3和sb2se3在红外波段具有极低的吸收损耗，但是它们的折射率对比度在红外波段较小，如何基于现有的超低损耗相变材料开发出一种低损耗、折射率对比度大、稳定性好的光学相变材料对现有
具有重大意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本申请提供了一种光学相变材料及其制备方法、光开关器件及其应用，其目的在于解决现有相变材料在红外通讯波段提高折射率差异和减小损耗无法兼顾的问题。

2、为实现上述目的，按照本申请的一个方面，提供了一种光学相变材料，所述光学相变材料为n掺杂的sb2se3相变材料，化学通式为nx(sb2se3)1-x。

3、在其中一个实施例中，所述光学相变材料呈薄膜状，薄膜厚度为10-50nm。

4、在其中一个实施例中，4％<x<12％。

5、按照本申请的另一方面，提供了一种光学相变材料的制备方法，包括：采用磁控溅射法溅射sb2se3靶材的同时通入氮气，得到n掺杂的sb2se3相变材料。

6、按照本申请的又一方面，提供了一种光开关器件，包括光波导和沉积于所述光波导上的相变材料功能层，其中，所述相变材料功能层的材料为如上任一项所述的光学相变材料。

7、在其中一个实施例中，所述光波导为微环谐振器结构或者马赫-曾德干涉器结构。

8、在其中一个实施例中，还包括隔离层、电极加热层和电极，所述隔离层沉积于所述相变材料功能层上；所述电极加热层沉积于所述隔离层上；所述电极沉积于所述电极加热层的两侧上方。

9、在其中一个实施例中，所述隔离层为alo3、sio2、zns：sio2中的任一种。

10、在其中一个实施例中，所述电极加热层为ito或者in2o3薄膜。

11、按照本申请的再一方面，提供了一种如上任一项所述的光开关器件作为光调控结构在光计算或光存储或光通信中的应用。

12、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，本申请提供的光学相变材料主要具有以下有益效果：

13、本申请从材料掺杂的角度出发，向超低损耗相变材料sb2se3中掺入n，成功地提高了sb2se3的晶态与非晶态之间的折射率差异δn值，在保持低损耗的同时增大了开关折射率对比度。而且，掺杂n之后，发生相变材料发生相移的临界温度变高，说明相变材料的结晶温度提高，从侧面说明掺杂n同时提高了非晶态的热稳定性。基于该相变材料设计的光开关器件，通过电加热的方式可以获得更多的相移状态，使得光开关器件的调控更加灵活，使用场景更广。

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【技术保护点】

1.一种光学相变材料，其特征在于，所述光学相变材料为N掺杂的Sb2Se3相变材料，化学通式为NX(Sb2Se3)1-X。

2.如权利要求1所述的光学相变材料，其特征在于，所述光学相变材料呈薄膜状，薄膜厚度为10-50nm。

3.如权利要求1或2所述的光学相变材料，其特征在于，4％<X<12％。

4.一种光学相变材料的制备方法，其特征在于，包括：采用磁控溅射法溅射Sb2Se3靶材的同时通入氮气，得到N掺杂的Sb2Se3相变材料。

5.一种光开关器件，其特征在于，包括光波导和沉积于所述光波导上的相变材料功能层，其中，所述相变材料功能层的材料为如权利要求1至3任一项所述的光学相变材料。

6.如权利要求5所述的光开关器件，其特征在于，所述光波导为微环谐振器结构或者马赫-曾德干涉器结构。

7.如权利要求5或6所述的光开关器件，其特征在于，还包括隔离层、电极加热层和电极，所述隔离层沉积于所述相变材料功能层上；所述电极加热层沉积于所述隔离层上；所述电极沉积于所述电极加热层的两侧上方。

8.如权利要求

9.如权利要求7所述的光开关器件，其特征在于，所述电极加热层为ITO或者In2O3薄膜。

10.一种如权利要求5至9任一项所述的光开关器件作为光调控结构在光计算或光存储或光通信中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种光学相变材料，其特征在于，所述光学相变材料为n掺杂的sb2se3相变材料，化学通式为nx(sb2se3)1-x。

2.如权利要求1所述的光学相变材料，其特征在于，所述光学相变材料呈薄膜状，薄膜厚度为10-50nm。

3.如权利要求1或2所述的光学相变材料，其特征在于，4％<x<12％。

4.一种光学相变材料的制备方法，其特征在于，包括：采用磁控溅射法溅射sb2se3靶材的同时通入氮气，得到n掺杂的sb2se3相变材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：杨蕊，龚俊桀，夏剑，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：

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