[发明专利]一种光驱动形变材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种光驱动形变材料及其制备方法和应用，属于无机非金属纳米材料制备、探测器以及激励器技术领域。利用体相金属元素掺杂的技术手段，将具有光生电荷存储与释放能力的元素均匀掺杂进半导体氧化物晶体中，进而通过掺杂元素选择性地存储与释放光生电荷的方式调整半导体氧化物的晶体结构，实现氧化物晶格的可逆膨胀，将光学信号转换为力学信号，从而可以直接用于光波的探测器、激励器以及可变光学窗口领域，同时解决了传统光学探测器材料只能将光学信号转换成电信号的缺陷。

技术领域

本发明涉及无机非金属纳米材料制备、光探测与激励器以及可变光学窗口技术领域，具体涉及一种光驱动形变材料及其制备方法和应用。

背景技术

光探测器能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。由于光信号在光纤中有损耗和失真所以对光探测器的性能要求很高。现有的光探测器都是基于将光信号转变为电信号来检测入射光辐射。常用的光探测技术需要半导体探测材料结合热电探测器以及光电倍增管来实现，这就对半导体材料以及光电线路的设计提出了很高的要求。如果能够通过新型半导体材料的设计，此类型的半导体材料能够将光信号转变成其他形式的信号，该形式的信号能够易于探测或者收集，那将会大大促进光探测器领域技术的发展。

力学信号，比如应变，是较为易于观测的信号之一，现有的研究表明在外加电场的作用下，纳米金属材料能把外界的激励信号转化为力学信号，从而可以作为一种探测器或激励器材料[J.Weissmüller et al.,Science 300,312(2003)]。而在光场的作用下，一些有机物的结构会发生变化[D.Polli et al.,Nature 467,440(2010)]，但尚无在光场作用下氧化物晶体结构发生可逆形变的报道(光致变色材料由于是产生了新的相，不在此范畴)。在合适的入射光的激发下，半导体材料会产生电子-空穴对，电子与空穴最终会以复合或者迁移到表面参与氧化还原反应的形式损耗掉，已有的研究报道已经表明通过材料设计，能够将光生电子进行捕获与存储[K.Ariga et al.,Adv.Mater.24,158(2012)；Q.Li etal.,Adv.Mater.20,3717(2008)；Q.Li et al.,J.Mater.Chem.20,1068(2010)]，来充分的利用光能。如果将这一技术进一步的应用于光探测器或激励器领域，通过光生电子捕获后半导体氧化物中金属离子的价态变化而带来的离子半径以及配位的变化，从而改变材料物理化学性质、甚至是改变材料的晶体结构，那将能够通过这种新型的材料把光信号转化为其他便于测量的信号(如力学信号)，实现新型的光探测技术的获得。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光驱动形变材料及其制备方法和应用，利用体相金属元素掺杂的技术手段，将具有光生电荷存储与释放能力的元素均匀掺杂进半导体氧化物晶体中，进而通过掺杂元素选择性地存储与释放光生电荷的方式调整半导体氧化物的晶体结构，实现氧化物晶格的可逆膨胀，将光学信号转换为力学信号，从而可以直接用于光波的探测器、激励器以及可变光学窗口领域，同时解决了传统光学探测器材料只能将光学信号转换成电信号的缺陷。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种光驱动形变材料，其为具有光生电荷存储与释放能力的金属元素体相掺杂的半导体氧化物纳米材料；所述光驱动形变材料通过掺杂元素选择性地存储与释放光生电荷的方式调整半导体氧化物纳米材料的晶体结构，实现半导体氧化物纳米材料晶格的可逆膨胀，从而将光学信号转换为力学信号。

所述具有光生电荷存储与释放能力的金属元素为钨、钼和钒元素中的一种或几种；所述半导体氧化物纳米材料为具有太阳光局部谱或全谱响应的半导体纳米材料。

所述光驱动形变材料中，具有光生电荷存储与释放能力的金属元素均匀掺杂于半导体氧化物晶格中，具有光生电荷存储与释放能力的金属元素的原子百分含量为0.1-20％。