[发明专利]一种全光二极管及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种全光二极管及其制备方法和应用。所述全光二极管中含有二维层状材料Mxenes层、纳米氧化锌层和衬底；所述纳米氧化锌层附着在衬底上，所述二维层状材料Mxenes层附着在纳米氧化锌层上。本发明所设计的全光二极管，光从该二极管的正向和反向入射时其透过率改变了32％，实现了在光在传播方向上的非互易性传播即对输入光达到正向导通，反向截止的效果。本发明通过涂覆的方法实现了全光二极管的制备。本发明所设计和制备的全光二极管具有高单向透射率、光损伤阈值高、对工作环境要求低、非常好的光的非互易性传播特性、工作波段可调等诸多优点。同时所得全光二极管稳定性好，在光子芯片和全光网络通信中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及全光网络通信领域，特别涉及基于二维层状材料Mxenes和纳米氧化锌复合薄膜的全光二极管及其制备方法和应用。

背景技术

发展新一代信息技术是构建具有国际竞争力的现代产业技术体系的重要组成部分。其中，光电子器件及集成、纳米材料与器件、先进功能材料等是未来信息技术发展的重点领域。传统硅基滤波器、放大器、波长转换器、电二极管等是基本的光电应用元件。然而，对于硅基光电器件更快速度、超高集成密度、极低功耗的不断需求，使得硅基光电子器件逐渐逼近器件物理极限。针对信息技术在速率、能耗等方面的核心技术瓶颈，研制基于纳米光子学基本原理和新兴纳米材料的全光器件是替代硅基光电器件的极具潜力的策略。基于物理本质分析，光子超快响应速度接近10^-12乃至10^-15s远大于电子响应速度10^-9s,因此，光子作为信息载体有望大幅度的提高器件的下一代光电子器件响应速度。

光学二极管，又称“光隔离器”(optical diodes，OA)，是一类空间非互易性无源器件。类似于电学二极管能够实现电信号的单向传播，光学二极管在光传播方向打破时间反演对称从而能够有效地实现光信号的单向传播。因此，光学二极管在光学隔离器、光学存储、光学放大器、光学滤波器等领域都有着巨大的应用潜力。目前，实现光学二极管主要通过纳米工程构建新奇的纳米结构或光学效应实现光在传播方向上的非互易性传播，例如，光子晶体，二次谐波产生，磁光效应，液晶作用，光声效应，热光效应等。这些实现光二极管的思路仍然面临着成本高、稳定性差、不利于系统微型化、集成化等劣势。近年来，科学家提出利用光学克尔介质引起的非线性光学效应实现光学二极管应用。介质材料的非线性吸收响应主要包括非线性饱和吸收过程和非线性反饱和吸收过程。基于这一基础光学原理，利用不同非线性光学响应的纳米材料构建复合材料薄膜满足光学非互易性传播过程是实现光学二极管的有效途径。以石墨烯、类石墨烯材料(石墨炔等)、过渡金属硫族化合物等为代表的二维材料不仅具有超薄厚度，易于制备等特点，而且具有优异的非线性光学响应特性，同时非线性光学吸收和非线折射特性得到充分的研究。因此，充分研究新型二维材料的非线性光学响应过程，构建基于二维材料体系的光学非互易性传播体系，这为新型光学二极管器件应用研究开辟了新的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明首次尝试了一种基于二维层状材料Mxenes和纳米氧化锌复合薄膜的全光二极管，该全光二极管具有高单向透射率、光损伤阈值高、对工作环境要求低、非常好的光的非互易性传播特性、工作波段可调等诸多优点。同时本发明所设计的全光二极管的稳定性好，在光子芯片和全光网络通信中具有广泛的应用前景。

本发明一种基于二维层状材料Mxenes和纳米氧化锌复合薄膜的全光二极管，所述全光二极管中含有二维层状材料Mxenes层、纳米氧化锌层和衬底；所述纳米氧化锌层附着在衬底上，所述二维层状材料Mxenes层附着在纳米氧化锌层上；

所述全光二极管利用二维层状材料Mxenes的饱和吸收特性以及纳米氧化锌的反饱和吸收特性，光从该薄膜的正向和反向入射时其透过率改变了32％，实现了输入光的正向导通，反向截止效果。在本发明中，从二维层状材料Mxenes层一侧入射定义为正向入射，从衬底一侧入射定义为反向入射。