利用光响应行为制备异质结构材料的方法及其应用
技术领域
本发明涉及异质结构材料技术领域，具体涉及一种利用光响应行为制备异质结构材料的方法及其应用。
背景技术
随着科技的发展，现代技术逐渐进入了需要对微纳米尺度的器件进行精确性质调控、制备的阶段。如芯片的发展已经逐渐进入了7nm的制程时代，而新一代的光子芯片也正在崛起，要求大量微纳米尺度的复杂结构制备。此外，在发光二极管、激光器、晶体管等领域，也对微纳米尺度的结构控制提出了更高的要求。其中异质结构，是一种尤其重要的结构。
异质结构是指将多种材料结构集成为一个整体的结构，由于不同结构的协同作用和多功能性，其能将多种特性整合在一起产生特殊的性能。根据材料划分，可将异质结构简单划分为有机异质结构、无机异质结构、有机无机杂化异质结构三种。在半导体电子学中，按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结(P-p结或N-n结)和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。根据不同结构的复合界面来分，可以将异质结分为突变异质结和缓变异质结两种。随着科技的发展，异质结构在各类领域中有着十分广泛且重要的应用，如典型的有机异质结太阳能电池、有机发光二极管、激光二极管、异质结构双极晶体管、高速电子迁移率晶体管等。
晶态材料由于其周期性的结构排列，而相对非晶态材料拥有更本征的、更稳定的性质，其光学性质、形貌等特性可通过掺杂、化学反应等方式进行调节。而异质结构的晶体在光子学器件的制备中可以将多种材料的特性整合，从而带来更优异的性能。
目前异质结制备的一些常用方法有分子束外延技术、金属氧化物-化学气相沉积(MO-CVD)技术、液相外延技术、化学池沉积技术、物理气相沉积法、辅助化学法和溶胶-凝胶(Sol-Gel)技术。如在有机异质结太阳能电池的制备过程中，常常使用物理气相沉积的技术，将材料粉末置于蒸镀腔室中，加热材料直至升华，随后沉积在基底上；分别沉积不同材料之后，则可以得到异质结构。又如，分子束外延是在超高真空条件下，把构成晶体的各个组分和掺杂的原子(分子)，以一定的热运动速度，按一定的比例从喷射炉中喷射到基片上去进行晶体外延生长而制备单晶膜的一种方法；通过多次外延生长，则可以得到不同的异质结构。
现有技术主要缺点在于：难以对微纳米尺度的晶态材料进行精确、高度可控的异质结构晶体制备。如常用的物理气相沉积，其所制备的材料尺度往往是在宏观尺度(>1cm)的薄膜样品；而如果要制备复杂、精确的异质结构，则十分困难。此外，在实际异质结构制备过程中，往往结合光刻过程，对材料的结构进行图形化，从而制备出更为精确的结构。光刻方法高度依赖于光刻胶，整个工艺过程对非硅基材料显得兼容性很低。除此之外，其他诸如刻蚀法、分子束外延法等，都具有一样的难题。然而，在很多器件的制备过程中，往往在单个微纳米尺度的材料作为器件，而如何制备高度空间上准确、结构上紧密、性质上差异的异质结晶体，仍然是一个难题。总之，现有技术存在以下缺点：
(1)难以制备连接紧密、形貌规则的异质结构晶体；
(2)难以对微纳米尺度的晶体，在不加入其他材料的情况，进行直接改性，制备异质结构晶体；
(3)难以对晶体异质结构转变的部位实现高度的空间位置分辨；
(4)现有的方法难以实现对有机材料、无机材料、有机无机杂化材料等各类材料的兼容。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用光响应行为制备异质结构材料的方法，该方法可以在不加入其他材料的情况下，直接对材料进行改性，从而制备异质结构晶体。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用光响应行为制备异质结构材料的方法，包括：
将材料部分地曝光于光辐射下，使得被辐射的部分与辐射光发生光响应行为，从而未被辐射的部分与被辐射的部分产生性质差异，形成异质结构材料。
进一步地，所述光响应行为包括结构转变、光学性质变化(如光吸收、光发射等)、形貌变化、力学性质变化(如弹性、拉伸性能等)和化学性质变化(如催化性质等)。
进一步地，所述将材料部分地曝光于光辐射下具体为：
在光路上加入掩模版或使用点光源照射材料。
本发明中，所述方法可以在宏观尺度(>1000μm)、介观尺度(1～1000μm)、微观尺度(<1μm)上进行；优选地，所述材料为尺寸小于1000μm的微纳米材料。
本发明中，所述材料包括有机材料、无机材料、有机无机杂化材料；优选地，所述材料为晶体材料。
本发明得到的异质结构材料中，光响应部分和未响应部分的界面连接包括但不限于晶格匹配、化学键(包括共价键、金属键、离子键)、分子间作用力(如氢键、卤键、π-π堆积等)。
本发明的另一目的是提供所述的方法在制备有机单晶异质结构的光波导器件中的应用。
本发明一个较佳实施例中，所述应用具体为：
将o-BCB棒状晶体置于显微镜下，利用氙灯作为照明光源，氙灯灯光依次通过CCD和光栅后，经过显微镜镜头聚焦照射在所述o-BCB棒状晶体上；在光路中插入掩模板，使得o-BCB晶体部分地被遮挡；照射20～40分钟后，被照射的部分转变为蓝光发射的晶体，从而得到o-BCB异质结构晶体光波导器件。
进一步地，所述o-BCB异质结构晶体光波导器件为具有多嵌段异质结构的晶体。
本发明的有益效果：
1、本发明的方法可以在不加入其他材料的情况下，直接对材料进行改性，包括结构转变、光学性质改变等，从而制备异质结构晶体。
2、本发明通过光辐射的方法，可以在大至宏观尺度、小至纳米尺度的材料上进行。
3、本发明通过光辐射的方法，可以通过显微镜精确控制在特定区域上进行，从而实现对材料进行空间位置高度精确的性质转变；
4、本发明所制备的异质结构材料，界面连接可通过晶格匹配、化学键等进行连接，连接十分紧密、稳定。
5、本发明使用的光辐射办法可以和现有的光刻工艺相兼容，从而可以在有机材料、无机材料、有机无机杂化材料等各类材料上进行操作，适用性广。
附图说明
图1是实施例1中的o-BCB分子结构图；
图2是实施例1中所使用的显微光谱系统光路示意图；
图3是实施例1中o-BCB棒状晶体的显微镜照片；
图4是实施例1所使用的掩模版形状示意图；
图5是实施例1中o-BCB晶体一半被掩模版遮挡住的照片；
图6是实施例1所制备的o-BCB晶体异质结构照片；
图7是实施例2所使用的掩模版形状示意图；
图8是实施例2中被掩模版间断遮挡的晶体照片；
图9是实施例2所制备的三嵌段异质结构晶体被紫外光激发的显微镜照片；
图10是实施例2所制备的五嵌段异质结构晶体被紫外光激发的显微镜照片；
图11是实施例2所制备的七嵌段异质结构晶体被紫外光激发的显微镜照片；
图12是实施例3中基于异质结构晶体的光波导器件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
以下各实施例中，所采用的o-BCB晶体是一种可在氙灯光照下发生光致变色反应的分子，图1显示了其分子结构。在氙灯照射下，其会发生双键顺反异构，从而使得聚集态的性质也发生改变。
o-BCB微纳米晶体是通过溶液析出法制备的，具体步骤：将o-BCB粉末溶解在二氯甲烷，配置成200微升、浓度为5mmol/L溶液，随后往里面迅速加入2mL乙醇，同时剧烈搅拌，则晶体会在溶液中大量析出，从而形成晶体悬浮液，用吸管吸出，滴在石英片上，待其挥发干燥，则可以得到大量棒状晶体。
以下各实施例中，所使用的以下实施例中所使用的荧光显微镜系统均为德国Leica荧光显微镜(Fluorescence Optical Microscope)DM4000M显微镜，所使用的显微光谱系统为自行搭建的显微光谱系统，基本光路如图2所示。
实施例1
将o-BCB棒状晶体(长度5～200微米)置于光学显微镜下(如图3)，利用氙灯作为照明光源，灯光通过上光路，经过显微镜镜头聚焦照射在晶体上。在光路中插入一块掩模板(形状如图4所示)，使得o-BCB棒状晶体的一半被遮挡。如图5所示，黑暗部分是被掩模版遮挡的部分，明亮部分是被照射的部分。约30分钟后，被照射的部分转变为蓝光发射的晶体，得到o-BCB的两嵌段的异质结构晶体(图6)。
实施例2
具体操作同实施例1。将实施例一中的掩模板形状更换成镂空状的形状，如图7所示，选择更长长度的晶体，使其间断性地被掩模版遮挡(如图8所示)，从而可以得到三嵌段(图9)、五嵌段(图10)、七嵌段(图11)，甚至可以是任意嵌段的异质结构晶体。
实施例3
如图12所示，使用图2所示的显微光谱系统，用一束波长为375的激光激发两嵌段的异质结构的一端，可以在另一端得到输出光，且其输出光为两种结构光谱的蓝光和绿光的混合光谱，从而构建了一个简单的基于异质结构晶体的光波导器件。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
