close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 07371

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7371
(13) C1
(19)
(46) 2005.09.30
(12)
7
(51) G 02B 5/26,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 01D 21/26,
C 30B 28/04
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ФОТОННОГО
КРИСТАЛЛА ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
(21) Номер заявки: a 20020971
(22) 2002.12.02
(43) 2004.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(72) Авторы: Витязь Петр Александрович;
Шелехина Виктория Михайловна;
Прохоров Олег Александрович;
Лютич Андрей Андреевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) MAYORAL R, Advanced Materials,
1997. - V. 9. - № 3. - Р. 257-260.
BY 3453 C1, 2000.
RU 2112578 C1, 1998.
SU 1665868 A3, 1991.
WO 00/60388 А1.
US 3670888 A, 1972.
BY 7371 C1 2005.09.30
(57)
Способ изготовления трехмерного фотонного кристалла для видимой области спектра,
включающий получение суспензий монодисперсных порошков кремнезема диаметром
200-400 нм, осаждение порошков из суспензий до формирования упорядоченной суперструктуры, высушивание полученной суперструктуры и ее спекание при температуре
950 °С, отличающийся тем, что осаждение производят путем центрифугирования в интервале ускорений 6000-20000 м/с2, высушивание осуществляют при комнатной температуре, а спекание производят в течение двух часов.
Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных
на основе порошков кремнезема диаметром 209±
±4 нм при различных режимах осаждения
Фиг. 2
BY 7371 C1 2005.09.30
Изобретение относится к технологии изготовления трехмерных фотонных кристаллов
- периодических структур в субмикронном диапазоне размеров, способных отражать узкий диапазон длин волн спектра, падающего на поверхность материала излучения, которые могут использоваться в оптике и оптоэлектронике в качестве элементов оптических
фильтров, волноводов, оптических переключателей, лазерной техники и т.д.
Структура фотонного кристалла (ФК), в самом общем виде, представляет собой трехмерную периодическую решетку, сформированную из диэлектрического или полупроводникового материала [1, 2].
При падении на поверхность фотонного кристалла световых волн видимого диапазона
(400-760 нм) наблюдается рассеяние, дифракция и интерференция света, обусловленные
регулярной структурой ФК. В результате этих явлений происходит селективное отражение части излучения в узком диапазоне длин волн, соответственно в спектре пропускания
наблюдается фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), соответствующая длинам волн, отраженным от поверхности ФК. Интенсивность и ширина этой спектральной зоны в значительной степени обуславливаются регулярностью структуры и отсутствием дефектов.
Известно [8], что свойствами фотонных кристаллов обладают трехмерные периодические упаковки сферических монодисперсных порошков оксида кремния. Расположение
частиц оксида кремния в таких суперструктурах аналогично расположению атомов в кристаллической решетке гранецентрированного кубического типа.
Для видимой части спектра размер частиц, формирующих структуру ФК, согласно закону Вульфа-Брэгга, должен лежать в интервале 200-400 нм [8].
Известны способы получения трехмерных фотонных кристаллов, включающие свободное
осаждение монодисперсных порошков оксида кремния из жидкой среды, их самоорганизацию в высокоупорядоченную трехмерную суперструктуру гранецентрированного кубического типа и термообработку сформованного материала для удаления влаги и его
упрочнения [8]. В [6, 7] описан метод осаждения порошков на текстурированную подложку,
при этом параметры упорядоченной структуры материала предопределяются характером
текстуры поверхности такой подложки. Однако использование такой методики ограничивается сложностью и высокой стоимостью оборудования, необходимого для производства
таких подложек.
В качестве прототипа выбран способ [9], основанный на получении суспензии монодисперсных порошков кремнезема по методу Штобера [3], основанному на гидролизе тераэтилортосиликата в спиртоводной среде в присутствии аммиака, трехмерной периодической упаковке частиц в процессе свободного осаждения и спекании (950 °С). Таким
образом получены образцы ФК толщиной от нескольких монослоев до 3 мм, проявляющие хорошие оптические характеристики (отражают световые волны в узком диапазоне,
полуширина спектральной линии отражения составляет порядка 30 нм).
Процессы получения фотонных кристаллов, основанные на свободном осаждении
ультрадисперсных порошков, отличаются существенной длительностью процесса формирования структуры кристалла.
Технической задачей заявляемого способа является снижение временных затрат на
стадии формирования структуры без ухудшения спектральных характеристик материала.
Решение данной задачи достигается тем, что в способе изготовления трехмерного фотонного кристалла для видимой области спектра, включающем получение суспензий монодисперсных порошков кремнезема диаметром 200-400 нм, осаждение порошков из
суспензий до формирования упорядоченной суперструктуры, высушивание полученной
суперструктуры на воздухе и ее спекание при температуре 950 °С в течение двух часов,
осаждение производят путем центрифугирования в интервале ускорений 6000-20000 м/с.
Причем, чем меньше размер частиц порошков, тем выше ускорение осаждения для получения ФК с оптимальными оптическими характеристиками.
2
BY 7371 C1 2005.09.30
Ускорение в центробежном поле на три порядка больше ускорения свободного падения (9,81 м/с2). В связи с этим формирование ФК в заявляемом способе происходит за гораздо меньшее время чем в прототипе.
Осаждение в центрифуге, как и при свободном осаждении порошков оксида кремния
(концентрация в жидкости порядка 1,5 вес. %) происходит в два этапа. На первом этапе
частицы движутся независимо друг от друга. На втором этапе, вблизи подложки, тормозящей движение частиц, происходит их сближение. Здесь начинают играть роль силы
взаимодействия между частицами, обусловленные как их взаимным притяжением (силы
Ван-дер-Ваальса-Лондона) так и отталкиванием (в результате наличия отрицательного заряда на поверхности оксида кремния, возникающего при его синтезе) [4].
Совокупность взаимодействия этих сил при формировании фотонного кристалла вызывает появление энергетического барьера, который определяет взаимное расположение
частиц друг относительно друга. При свободном осаждении моноразмерных сферических
частиц энергетически выгодно трехмерное регулярное расположение частиц которое со
временем приводит к образованию правильных твердотельных структур гранецентрированного кубического типа.
Действие центробежного поля оказывает большое влияние на баланс сил, ускоряет
процесс сближения частиц друг с другом и формирование структуры фотонного кристалла. При одном и том же ускорении чем выше размер частиц, тем больше центробежные
силы действующие на них.
В центробежных полях существует оптимальный интервал ускорений, при которых
формируется материал с регулярной структурой. Центробежные силы, превышающие оптимальный уровень (20000 м/с2), вследствие значительного снижения величины энергетического барьера ведут к ухудшению регулярности пространственного расположения
частиц, определяющего формирование регулярной структуры.
Нижняя граница интервала ускорений (6000 м/с2) объясняется следующими причинами.
При малых ускорениях частицы в жидкости формируют регулярную структуру, но силы
недостаточны, чтобы их жестко зафиксировать в правильной твердотельной суперструктуре. Таким образом, система подвижна и, вследствие этого, возможно разупорядочение
структуры при последующих операциях.
При свободном осаждении "отвердевание" структуры происходит за счет длительности процесса и прохождения химических реакций между частицами через жидкую среду.
Для оценки качества проводилось сравнение спектров отражения образцов, полученных
свободным осаждением по прототипу и в центробежных полях. Сравнивалась полуширина линии отражения, характеризующая оптические свойства и регулярность структуры
материалов.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Синтезированные по методу Штобера суспензии порошков кремнезема с размером
частиц 209 ± 4 нм, 294 ± 7 нм и 386 ± 9 нм (1,5 вес. % твердой фазы) помещались в пробирки длиной 12 см и подвергались центрифугированию до полного осаждания. Полученные образцы (высотой порядка 3 мм) высушивались на воздухе при комнатной
температуре и подвергались термической обработке 950 °С (2 ч). Типичная структура полученного материала представлена на фиг. 1. Оптические спектры отражения от верхней
поверхности образцов приведены на фиг. 2-4. Зависимость оптических характеристик полученных материалов от режима осаждения приведены в таблице.
Пример 2 (прототип).
Синтезированные по методу Штобера суспензии порошков кремнезема с размером
частиц 209 ± 4 нм, 294 ± 7 нм и 386 ± 9 нм (1,5 вес. % твердой фазы) помещались в про3
BY 7371 C1 2005.09.30
бирку длиной 12 см и выдерживались до полного осаждения. Оптические спектры
нормального отражения от верхней поверхности образцов приведены на фиг. 2-4. Зависимость оптических характеристик полученных материалов от режима осаждения приведены в таблице.
№ п/п
Средний
диаметр
частиц, нм
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
209 ± 4
209 ± 4
209 ± 4
294 ± 7
294 ± 7
294 ± 7
386 ± 9
386 ± 9
386 ± 9
10.
11.
12.
209 ± 4
294 ± 7
386 ± 9
Время
полного
осаждения
Заявляемый способ
17000
47 мин
20000
41 мин
23000
35 мин
7000
52 мин
10000
38 мин
13000
31 мин
3000
64 мин
6000
32 мин
9000
21 мин
Прототип
9,81
31 сут.
9,81
16 сут.
9,81
9 сут.
Ускорение,
м/с2
Спектральное Полуширина
положение
пика
ФЗЗ λmax, нм отражения, нм
395
400
400
560
560
560
725
730
735
40
34
55
50
33
40
50
36
66
395
555
730
34
34
36
Как следует из примеров, использование осаждения в центробежных полях 600020000 м/с2 порошков оксида кремния (200-400 нм) позволяет получать трехмерные фотонные кристаллы, характеризующиеся высоким уровнем упорядоченности структуры
(фиг. 1) и спектральными характеристиками (полуширина пика отражения 33-36 нм), не
уступающими прототипу (34-36 нм). Кроме этого, предложенный способ обеспечивает в
сравнении с известным способом снижение времени формирования фотонного кристалла
от 9-31 суток до 32-41 мин, т.е. в 400-1000 раз.
Источники информации:
1. Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics //
Phis. Rev. Lett. - 1987. - V. 58. - P. 2059.
2. John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices // Phis.
Rev. Lett. - 1987. - V. 58. - P. 2486.
3. Stöber W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J.Colloid and Interface Sci. - 1968. - V. 26. - No. 1. - P. 62-69.
4. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. - Л.: Химия, 1971. - C. 192.
5. Патент США 5,172,267, МПК7 G 02B 05/12, 1992.
6. Blaaderen A. van, Ruel R., Wiltzius P. Template-directed colloidal crystallization // Nature, 1997. - V. 385. - No. 23. - P. 321-324.
7. Патент США 6,436,187, МПК7 C 30B 25/02, 2002.
8. Miguez H., Lopez C., Meseguer F. et al. Photonic crystal properties of packed submicrometric SiO2 spheres // Applied Physics Letters. - 1997. - V. 71. - No. 9. - P. 1148-1150.
9. Mayoral R, Requena J., Moya J.S. et al. 3D long-range ordering in an SiO2 submicrometer
sphere sintered superstructure // Advanced Materials. - 1997. - V. 9. - No. 7. - P. 257-260 (прототип).
4
BY 7371 C1 2005.09.30
Микроструктура излома материала, полученного с использованием центробежного поля
Фиг. 1
Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных
на основе порошков кремнезема диаметром 294±
±7 нм при различных режимах осаждения
Фиг. 3
Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных
на основе порошков кремнезема диаметром 386±
±9 нм при различных режимах осаждения
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
148 Кб
Теги
07371, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа