[发明专利]一种电致热辐射发光阵列器件及其制备方法和应用

说明书

提供了一种电致热辐射发光阵列器件，它包括硅片、硅片上的石墨烯薄膜阵列、蒸镀在石墨烯薄膜阵列中每个石墨烯薄膜两端的金属电极，以及最上层的三氧化二铝绝缘层，所述三氧化二铝绝缘层沉积在整个硅片最外层，以覆盖石墨烯薄膜阵列、金属电极、以及石墨烯薄膜阵列和金属电极区域外的硅片表面，用于将硅片上的石墨烯薄膜与空气隔绝，避免石墨烯薄膜被氧化；还提供了其制备方法，以及由该方法制备的器件在光通信领域的应用。本发明的电致热辐射发光阵列器件具有体积小、分辨率高、开关速度快、辐射波长可调节、可大规模生产、易于和硅基工艺集成等优良特性，在片上集成高速光通信中有很好的应用前景。

技术领域

本发明总体地属于电致热辐射发光器件或石墨烯纳米器件制备及应用技术领域，具体地涉及一种电致热辐射发光阵列器件及其制备方法和应用。

背景技术

在过去几十年里，纳米光子学器件得到了飞速发展，其中包括波导、光学调制器和光电探测器等，从而极大地促进了片上集成光通信领域的进步。但是作为片上集成光子学的一个重要组成部分：具有高速调制功能的片上光源，依然面临很多挑战。

石墨烯是一种只有单层或几层碳原子厚度的蜂窝状晶格材料，它具有高热导率、低热容和超快光电响应等优异特性，并且在高温下依然能够保持稳定的晶体结构和良好的机械性能，可以用于实现具有超快时间响应的有效热辐射光源。

对石墨烯施加一个偏压，在焦耳热效应的作用下，石墨烯的温度逐渐升高，同时辐射出光波，温度越高，辐射的波长越小，这一过程可用普朗克黑体辐射定律描述。在之前的研究中，置于硅片表面的石墨烯暴露在空气中，通过施加偏压其最高温度可以达到700K左右，大部分热量通过硅片基底进行扩散，而继续提高偏置电压会导致石墨烯在空气中的氧化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中石墨烯容易被氧化、石墨烯热辐射发光阵列制备工艺复杂的缺陷，提供了一种电致热辐射发光阵列器件及其制备方法和应用，该电致热辐射发光阵列器件基于硅片上的石墨烯薄膜阵列，充分利用三氧化二铝的绝缘特性，将其覆盖在石墨烯薄膜阵列器件的表面，使其与空气隔绝，同时石墨烯辐射阵列的制备相比于传统方法也采取了更为简单、便捷的工艺。

本发明的技术方案是，一种电致热辐射发光阵列器件，它包括硅片、硅片上的石墨烯薄膜阵列、蒸镀在石墨烯薄膜阵列中每个石墨烯薄膜两端的金属电极、以及最上层的三氧化二铝绝缘层，所述三氧化二铝绝缘层沉积在整个硅片最外层，以覆盖石墨烯薄膜阵列、金属电极、以及石墨烯薄膜阵列和金属电极区域外的硅片表面，所述三氧化二铝绝缘层用于将硅片上的石墨烯薄膜与空气隔绝，避免石墨烯薄膜被氧化。

本发明还提供了上述电致热辐射发光阵列器件的制备方法，它包括在表面设置有石墨烯薄膜阵列、金属电极的整个硅片表面沉积三氧化二铝绝缘层的防氧化工艺，所述防氧化工艺包括以下步骤：

a)通过电子束蒸发方式，在硅片上每个石墨烯薄膜两端连接有金属电极的石墨烯薄膜阵列表面热蒸发1nm厚的铝原子，作为前驱体；因为铝原子上没有悬挂键，无法再往上沉积原子，所以必须先得到一层氧化铝的薄膜，再进行后续的原子层沉积；

b)将步骤a)所得的样品放在空气中氧化5-10min，得到薄层三氧化二铝；

c)通过原子层沉积方式在步骤b)所得的样品表面沉积三氧化二铝层，方法为：沉积温度设置450℃，将三甲基铝以气相的方式充入，三甲基铝分子被吸附在样品表面，达到吸附饱和；然后，充入高纯氮气，将多余的三甲基铝分子吹干净；再将水以水蒸气的形式进入，与吸附在样品表面的三甲基铝分子发生化学反应，生成稳定的氧化铝固体薄膜，重复该过程并通过循环次数控制氧化二铝层的厚度，即在石墨烯薄膜阵列器件表面得到三氧化二铝绝缘层。