掺偶氮苯无机氧化物基有机改性硅酸盐复合薄膜的制备及其性能研究.pdf

摘要

偶氮苯具有良好的光响应特性，可以通过改变光照、温度等外部因素来控制其异构化反

应，含偶氮苯的聚合物材料被广泛应用在光开关、光存储和生物医疗等领域。此外，有机-无

机复合材料同时具备有机组分和无机组分的优点，不仅具有良好的韧性，还拥有较高的机械

强度，在光学、电学和热学等领域具有广泛的应用。然而，目前将偶氮苯引入到有机-无机复

合材料的相关研究较少。本文将偶氮苯引入到有机-无机复合材料中，研究了该复合薄膜材料

的光波导特性、光响应特性以及光化学结构特性等，本文制备得到的复合薄膜材料在光开关、

光存储等集成光学领域具有重要的应用价值。具体研究工作如下：

（一）通过溶胶-凝胶法制备得到掺偶氮苯GeO2基有机-无机复合薄膜，并采用紫外纳米

压印技术在其表面制备得到微透镜阵列结构。利用棱镜耦合仪研究了不同热处理温度以及不

同锗含量下薄膜的光波导特性，结果表明，在633nm波长下，当热处理温度低于200℃时，

随着温度的升高，薄膜的折射率和厚度减小，薄膜TE传输模式的数量减少。当热处理温度保

持不变时，随着锗含量的增加，薄膜的折射率增大，厚度减小。研究了热处理温度、偶氮苯

浓度以及锗含量对复合薄膜光响应特性的影响，结果表明，当热处理温度为50℃时，薄膜的

光响应特性较好。进一步，通过对复合薄膜进行紫外光和可见光交替曝光，研究其光开关特

性，薄膜光开关性能具有良好的稳定性和可逆性。此外，分析了不同偶氮苯浓度以及不同锗

含量下复合薄膜的傅里叶红外吸收光谱，测试了该复合凝胶材料的热失重性能，结果表明，

在一定温度范围内，该复合材料具有良好的热稳定性。通过光学显微镜观察了薄膜微透镜阵

列的表面形貌，结果表明，薄膜微透镜排列整齐，分布均匀。最后，研究了薄膜微透镜阵列

的光学成像性能，结果表明六边形微透镜阵列的成像性能更好。

（二）通过溶胶-凝胶法制备得到掺偶氮苯TiO2基有机-无机复合薄膜，并采用紫外纳米

压印技术在其表面制备得到条形波导阵列结构。研究了复合薄膜在633nm、1312nm和1538nm

三种不同波长下的传输模式，结果表明，薄膜在633nm和1312nm波长下为多模传输，而在

1538nm波长下为单模传输。测量了不同偶氮苯浓度以及不同热处理温度下薄膜的折射率与厚

度，当热处理温度低于200℃时，随着温度的升高，薄膜的折射率和厚度都减小；随着偶氮苯

浓度的增加，薄膜的折射率和厚度都逐渐增大。研究了不同偶氮苯浓度下复合薄膜的光响应

特性，结果表明，偶氮苯浓度为3wt.%的薄膜具有良好的光响应特性，另外，该复合薄膜同样

表现出良好的光开关性能。进一步，通过光学显微镜观察到，该薄膜表面的条形波导阵列排

列整齐，分布均匀。

关键词:溶胶-凝胶，偶氮苯，有机-无机，光开关，复合薄膜

Abstract

Azobenzenehasgoodopticalresponseproperties,anditsisomerizationreactioncanbecontrolled

bychangingexternalfactors,suchasilluminationandtemperature.Polymermaterialscontaining

azobenzenehavebeenwidelyusedinthefieldsofopticalswitches,opticalstorage,andbiomedical

applications.Inaddition,organic-inorganiccompositematerialshavetheadvantagesofbothorganic

andinorganiccomponents,andtheynotonlyhavegoodtoughnessbutalsohavebettermechanical

strength,sotheyhaveawiderangeofapplicationsinoptics,electronics,andthermalfields.However,

therearefewrelatedstudiesonintroducingazobenzeneintoorganic-i