專利名稱：抗氫氧離子和氫的硅材料的制作方法
背景技術(shù)：
和概述本發(fā)明涉及光學(xué)介質(zhì)或能傳輸光學(xué)信號的材料，更具體地說，本發(fā)明涉及抗氫氧離子(OH)和氫(H)的材料及其制備方法。
由于其透明度，二氧化硅玻璃或硅石為用于光學(xué)纖維的一種玻璃。已使用了包括硅的其他的光學(xué)材料。硅基纖維具有傳輸損耗。這些傳輸損耗具有三種部分OH吸收，瑞利散射(Rayleigh scattering)和烏-維氏拖尾(Urbach tail)。
硅基材料是吸收OH的親水性材料。這個吸收產(chǎn)生傳輸損耗。通常，傳輸損耗如參考1的圖1中的曲線圖10所示。這是作為波長函數(shù)的傳輸損耗曲線圖。OH吸收在約1400納米處產(chǎn)生峰，該峰約為基頻OH模式(fundamental OH mode)的二分之一。瑞利散射的結(jié)果如曲線圖12所示。瑞利散射與1/λ4成比例。因此，瑞利散射是由波長或λ決定的。散射來自玻璃的不均勻性，這種不均勻性本質(zhì)上來講是無規(guī)律的，盡管在制造過程中非常小心地控制純度和均勻度。光在折光率有變化的任何一點進(jìn)行散射。如所示的烏-維氏作用(contribution)從約1,600納米處開始產(chǎn)生烏-維氏拖尾14。這是由硅氧鍵(S-O)的振動造成的。穿過底邊的實線16顯示出瑞利和烏-維氏作用的總和，這可以是硅基玻璃的透明度限制。
沿著傳播路徑的光的空間散布為分散。能夠使用適當(dāng)?shù)膿诫s來控制分散。摻雜物通過提高折射率來改變纖維的折射率。抑制過程和內(nèi)折射相似。使用哪種摻雜物以及怎樣將其加入用來使與高容量的光傳輸系統(tǒng)有關(guān)的所有系數(shù)最佳化。特殊的配置用于確定分散和非線性之間的相互作用最優(yōu)化。
圖2A顯示損耗機理對硅標(biāo)準(zhǔn)(單)模纖維SMF的頻譜波長的相關(guān)性。圖2B顯示在多模和單模纖維中傳輸信號的模態(tài)色散對比。見參考2。
在歷史上，通過應(yīng)用例如分散補償器、中繼放大器等某些修正和最優(yōu)化設(shè)備來在光纖的限定周圍設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。所以，使用各種設(shè)計來減少纖維的傳輸損耗。這包括將基礎(chǔ)纖維包層(cladding)。參考3和4顯示用來減少固有纖維損耗的兩個最新加工方法。
參考5和參考6是通過摻加硅來在理想波長下，以相對低的成本產(chǎn)生具有相對高透過率的濾光片的最早嘗試之一，但其與前面所述兩個參考一樣，容易受水的影響。參考6為在參考5中應(yīng)用的方法。將Si和Te在1075℃加熱72小時。必須將得到的SiTe2結(jié)構(gòu)置于真空中，防止其通過與水蒸氣的相互作用而在大氣中分解。這不僅在材料成本方面很昂貴，而且制造成本也很昂貴。最近的分析顯示在參考7中。
本發(fā)明涉及一種形成至少在1,200到1,700納米的波長上具有基本上線性響應(yīng)的單晶體結(jié)構(gòu)的方法，生成的結(jié)構(gòu)以及其作為光學(xué)介質(zhì)的應(yīng)用。因此，提供了具有零衰減的最大可獲得的光傳輸。沒有本征物質(zhì)的吸收。
對于硅基材料，所述方法產(chǎn)生抗氫氧離子(OH)的硅材料。在最低程度，由于在1,000納米到在2,000納米的烏-維氏拖尾之間沒有吸收峰，傳輸對波長響應(yīng)是平面的。在1,400納米處沒有氫氧離子振動峰的第二諧波。基本上消除了瑞利散射。
通過本方法制備的硅基材料的實施例是硅石-碲單晶體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為SiO2Tex，其x在1/3到5/3范圍之內(nèi)。硅石和碲的結(jié)構(gòu)包括孿晶結(jié)構(gòu)。孿晶角為90度。該方法還包括硅-碲單晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個方法包括將兩種物質(zhì)插入到坩鍋中，并且將坩鍋密封在封袋(envelope)中。在烤箱中加熱這兩種物質(zhì)，加熱的溫度和時間足以使得這兩種物質(zhì)產(chǎn)生單晶體材料，該單晶體材料至少在1,200到1,700納米的波長上具有基本線性的響應(yīng)。
另一方法包括將兩種物質(zhì)插入到基本上球形的坩鍋中。將坩鍋密封在基本上球形的封袋中。在烤箱中加熱這兩種物質(zhì)，加熱的溫度和時間足以使得這兩種物質(zhì)產(chǎn)生單晶體材料。加熱要進(jìn)行足夠長的時間，以使得所有插入的材料能夠轉(zhuǎn)化為這兩種物質(zhì)的單晶體材料。坩鍋的開口應(yīng)該足夠大，以使得在保持坩鍋球形形狀的同時接收物質(zhì)。例如，坩鍋的直徑至少是從其加入物質(zhì)的坩鍋開口的直徑的二倍。
兩種方法所生成的材料是單晶體材料的聚集物?？梢酝ㄟ^處理將任意一種產(chǎn)品的生成的材料加入到光學(xué)介質(zhì)中。該材料還可以作為保護(hù)涂層用于金屬或陶瓷上。其可以是晶體、晶片、棒或纖維。對于獲得上述的傳輸特征，包層或其他處理過程是不必要的。
當(dāng)考慮結(jié)合附圖時，本發(fā)明的這些方面和其他方面通過下述對本發(fā)明的詳細(xì)描寫將變得更清晰。


圖1為作為纖維中信號傳播的標(biāo)準(zhǔn)模式硅光纖中每波長傳輸損耗的曲線圖。
圖2A為另一個損耗機理對標(biāo)準(zhǔn)模式硅光纖的頻譜波長的曲線圖。
圖2B是在多模和單模光纖中傳播信號的模態(tài)色散對比。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法流程圖。
圖4A是作為根據(jù)本發(fā)明裝載方法一部分的坩鍋和物質(zhì)的分解圖。
圖4B是圖4A的坩鍋和物質(zhì)的裝配圖。
圖5A-5C顯示根據(jù)本發(fā)明將坩鍋密封在封袋中的方法。
圖6是生成的帶有破碎坩鍋的聚集材料的放大圖。
圖7A和7B分別顯示在200微米和20微米分辨率的單晶體結(jié)構(gòu)的聚集物的掃描電子顯微圖。
圖7C是在5微米分辨率處理后的單晶體結(jié)構(gòu)的顯微光譜圖。
圖8是顯示粉狀生成材料結(jié)構(gòu)的x線衍射圖。
圖9是圖7C和圖8材料的16個晶體的FTIR傳輸響應(yīng)。
圖10是圖9的16個晶體中3個晶體的FTIR傳輸響應(yīng)。
具體實施例方式
圖3所示方法包括在20制備用來形成單晶體材料的兩種組分的混合物。然后在22，將制備的材料插入到坩鍋中。在24將坩鍋密封在封袋中。在26，將材料加熱，加熱的溫度和時間足以形成兩種物質(zhì)的單晶體結(jié)構(gòu)。時間和溫度應(yīng)該足以使得所有的材料形成單晶體結(jié)構(gòu)。在28，將材料從封袋的坩鍋中移出。然后在29，將單晶體材料加工成光傳遞介質(zhì)。
圖4A和B顯示坩鍋作為中空球或球體30的實施例。球或球體30具有至少一個開口31。在實驗運行中，市場上可買到的坩鍋30有第二個開口32。由于第二個開口32是在坩鍋30上，所以必須閉合開口31和32，以使材料保持在坩鍋中。為使實驗運行，如圖4A和B所示，提供一個材料薄片33蓋住開口32。例如薄片33可以是金制的。如果第二個開口32不存在，可以去除薄片33。然后將樣品34放入坩鍋30，并且用薄片35和36蓋住。例如，薄片35和36可以是銀制或金制的。最后，用兩個可以是銀制的薄片37和38包裹整個坩鍋30。在圖4B中顯示出獲得的結(jié)構(gòu)的橫截面。
在坩鍋30上的開口31應(yīng)該足夠大，使得在保持坩鍋球狀的同時接收物質(zhì)。
應(yīng)該注意的是用于坩鍋30的材料可以是石英、金、銀、或其他材料。同樣的，例如，覆蓋材料33，35，36也可以是石英網(wǎng)。
然后如圖5A所示，將包裹的坩鍋30置于封袋50中。如圖5B所示，在52處收縮封袋50并且接收導(dǎo)管54。抽空封袋50的內(nèi)部。如圖5C所示，將導(dǎo)管從封袋50中移出并將封袋在56處密封。生成的結(jié)構(gòu)通常是類似淚滴的球形。封袋50形成壓縮52以及在56的密封的方法是在加熱下以兩步法進(jìn)行的，并且要足夠慢以致無需預(yù)熱或不會影響坩鍋30中的材料。例如，封袋50可以是石英的。
作為實施例，坩鍋30可以是具有大約12毫米直徑Dc的球或球體，其帶有至少一個大約3.5毫米直徑的開口32、33。坩鍋的直徑Dc至少應(yīng)該是開口的直徑Do的二倍，以保持坩鍋的球形。獲得的封袋50可以有大約22毫米的直徑De，以及50.8毫米的高度。封袋50的厚度可以是大約1毫米。
然后將其中帶有坩鍋30和樣品34的封袋50插入到烤箱中。加熱足夠的溫度和時間來產(chǎn)生樣品或兩種物質(zhì)的單晶體材料。加熱的時間也應(yīng)該足以使所有材料形成單晶體材料。結(jié)構(gòu)為單晶體的聚集物。
為繼續(xù)該實施例，在將其放入烤箱以前，可以將樣品34、坩鍋30和封袋50裝入罐中。對于本實驗，將其放置在核技術(shù)等級管鋼的罐中。該罐在加熱過程中保護(hù)烤箱免受任何碎片。而且發(fā)現(xiàn)，由于其也被加熱，罐可以延長冷卻時間。
將罐插入到冷的烤箱中。例如，將烤箱設(shè)定在800攝氏度。然后將材料加熱5小時，之后關(guān)閉使其冷卻。冷卻時間要持續(xù)到觸摸時感到冷。這個冷卻時間大約為10小時。將封袋50撕開。溫度可以在大約700到1000攝氏度的范圍內(nèi)，時間在約為3.5到7小時的范圍內(nèi)。溫度范圍可以高于或低于物質(zhì)的離子化溫度，而且足以產(chǎn)生單晶體材料。具體的時間和溫度取決于樣品材料和烤箱性質(zhì)。
該實施例是用來形成抗氫氧離子的二氧化硅。例如，摩爾比為SiO2Te4/3。例如在生產(chǎn)1g最終產(chǎn)品的實施例中，將0.260g二氧化硅與0.38g碲結(jié)合。通過將兩種物質(zhì)加入到例如瑪瑙研缽中來制備混合物。然后使加工后的材料在壓力下形成片劑。將全部或部分的片劑插入坩鍋中。對于給定的溫度和時間，使用一半片劑。
結(jié)果顯示在圖6中。坩鍋30顯示為黑灰色，并且生成的材料的聚集物60在球內(nèi)和球外均有所顯示。聚集物為略帶白色/淺灰色/微褐色，沒有單獨的硅石和碲的明顯跡象。由于可在顯微鏡下觀察到晶體表面，聚集物多少有點易碎。結(jié)構(gòu)中的單晶體為孿晶。其具有90度的孿晶角。
來自掃描電子顯微鏡的圖7A和7B分別顯示在200和20微米分辨率下，單晶體SiO2Te4/3在聚集物中的分布的實施例。圖7C顯示出在將材料從聚集物中刮出，接著將其壓碎或研碎之后的單晶體結(jié)構(gòu)SiO2Te3/4在5微米分辨率下的顯微光譜圖。黑箱在參考點的每一邊上為5微米。平均微晶大小為1微米。
進(jìn)行x線衍射測試來確定存在于粉狀單晶體材料中的結(jié)構(gòu)。如所知，確定的晶體結(jié)構(gòu)為α低溫型石英(alpha-low quartz)(SiO2)，α低溫型方石英(SiO2)，以及不確定的材料結(jié)構(gòu)。基于使用大方差的衍射測試結(jié)果的再運行，最接近于不可辨別材料的晶體結(jié)構(gòu)的可辨別材料的晶體結(jié)構(gòu)為氧化鋅(ZnO)。α低溫型石英(SiO2)，α低溫型方石英(SiO2)和氧化鋅的晶格對比顯示出氧化鋅是六角錐形，成對底對底(twined base to base)，石英也是六角形，方石英是立方體或四角形的。
還應(yīng)該注意的是石英和方石英是架狀硅酸鹽。實際上，其需要高于1400攝氏度的溫度和極限壓力來形成。本方法是在這個溫度下和真空中進(jìn)行的。
然后通過高壓壓縮將生成的材料研碎或加工成薄的晶片、棒、纜或纖維形式。不再需要高溫加熱步驟。作為選擇，可以將其熔化為所需形狀的上游材料(pre-form)，如同其他二氧化硅材料一樣撕裂或進(jìn)一步加工。單晶體結(jié)構(gòu)不會由于施壓或熔化而轉(zhuǎn)變。
圖9顯示上述實驗中16個樣品的傳送損耗，其作為由FTIR測量的波數(shù)的函數(shù)?？v座標(biāo)不是損耗的連續(xù)百分比，用來顯示基本上線性和/或平面的響應(yīng)。每個縱座標(biāo)的刻度是5％。波數(shù)7000到5000對應(yīng)于1000納米到2000納米的波長。由于氫氧離子的第二諧波，沒有峰形，并且沒有烏-維氏拖尾。
圖10顯示4個選擇樣品的透射率百分比對波數(shù)的曲線圖。再一次，即使透射率百分比變化，所有樣品基本上為平面。透射率的區(qū)別來自透射率測試之前對生成材料的加工。當(dāng)樣品壓制成細(xì)粉和較少的微粒時，透射率有所改善。一個重要方面是響應(yīng)為平面的，并且制備用于測量的樣品的進(jìn)一步技術(shù)預(yù)期能得到基本上100％的透射率。
配方物SiO2Te4/3為本方法產(chǎn)生的新材料，但該方法可以用于生產(chǎn)兩種物質(zhì)的其他單晶體化合物。材料可以是SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范圍內(nèi)。單晶體材料可以是其他硅基材料，例如硅和碲化物。對SiTe2實施上述方法，顯示出類似結(jié)果。不過這些僅僅是實施例，并且該方法能夠用于其他物質(zhì)。
還應(yīng)該注意的是在與上述實施例相同的溫度和時間下，實驗在矩形坩鍋和試管形封袋中通過使用硅和帶有碲的二氧化硅來實施，但是沒有獲得相同結(jié)果。極少形成結(jié)合材料的單晶體。普通球形坩鍋和封袋增加了所有材料的可結(jié)晶性。
由本方法制成的材料不僅抗OH，也抗H2O和H。因此，本材料可以用作例如金屬、陶瓷或其他表面的基底上的阻擋層，來阻擋OH，H2O和H。如上所述將材料進(jìn)行研碎，并且根據(jù)金屬或陶瓷的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用到金屬或陶瓷的表面。其將阻止金屬表面的氧化、表面損壞和碎裂以及陶瓷的損壞或碎裂。其同樣也能應(yīng)用于集成電路基底和其上面的各種金屬層上。
盡管對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述和圖解，應(yīng)確知僅通過圖解和實施例來解釋本發(fā)明，但不是進(jìn)行限定。本發(fā)明的精神和范圍只通過權(quán)利要求的條款來限定。
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權(quán)利要求
1.一種形成兩種物質(zhì)的單晶體結(jié)構(gòu)的方法，包括將兩種物質(zhì)插入基本上球形的坩鍋中；將坩鍋密封在基本上球形的封袋中；在足以產(chǎn)生兩種物質(zhì)的單晶體結(jié)構(gòu)的溫度和時間下，在烤箱中加熱兩種物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩種物質(zhì)是硅基物質(zhì)和碲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中選定插入的硅石和碲的量來形成SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法形成具有孿晶結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中孿晶結(jié)構(gòu)具有90度的孿晶角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中坩鍋的直徑至少是通過其插入物質(zhì)的坩鍋開口的直徑的兩倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中坩鍋是石英和金之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括將通過其加入物質(zhì)的坩鍋開口覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)行加熱直到所有的材料都形成兩種物質(zhì)的單晶體材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在低于兩種物質(zhì)的離子化溫度的溫度下進(jìn)行加熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱是在700到1000攝氏度的溫度范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法形成兩種物質(zhì)的單晶體材料的聚集體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一種物質(zhì)包括硅。
14.一種形成具有至少在1,200到1,700納米的波長上基本上線性響應(yīng)的單晶體結(jié)構(gòu)的方法，包括將兩種物質(zhì)插入坩鍋中；將坩鍋密封在封袋中；在足以產(chǎn)生具有至少在1,200到1,700納米的波長上基本上線性響應(yīng)的兩種物質(zhì)的單晶體材料的溫度和時間下，在烤箱中加熱兩種物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中兩種物質(zhì)是硅基物質(zhì)和碲。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中選定插入的硅石和碲的量來形成SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法形成具有孿晶結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中孿晶結(jié)構(gòu)具有90度的孿晶角。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述坩鍋的直徑至少是通過其加入物質(zhì)的坩鍋開口的直徑的兩倍。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述坩鍋是石英和金之一。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括將通過其加入物質(zhì)的坩鍋開口覆蓋。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中進(jìn)行加熱直到所有的材料都形成兩種物質(zhì)的單晶體材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在低于兩種物質(zhì)的離子化溫度的溫度下進(jìn)行加熱。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中加熱是在700到1000攝氏度的溫度范圍內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法形成兩種物質(zhì)的單晶體材料的聚集體。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中一種物質(zhì)包括硅。
27.一種光學(xué)介質(zhì)，包含具有至少在1,200到1,700納米波長上基本上線性響應(yīng)的硅化合物的單晶體結(jié)構(gòu)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中所述結(jié)構(gòu)為SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范圍內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中單晶體結(jié)構(gòu)具有孿晶結(jié)構(gòu)。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中孿晶結(jié)構(gòu)具有90度的孿晶角。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中所述結(jié)構(gòu)具有至少在1,200到1,700納米波長上基本上平面的響應(yīng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中所述光學(xué)介質(zhì)是纖維、棒、晶片和晶體中的一個或者多個。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的介質(zhì)，其中光學(xué)介質(zhì)是晶片。
34.一種光學(xué)介質(zhì)，包含具有圖8所示結(jié)構(gòu)的硅石和碲的單晶體結(jié)構(gòu)。
35.一種光學(xué)介質(zhì)，包含具有SiO2Tex的單晶體結(jié)構(gòu)，其中x在1/3到5/3的范圍內(nèi)。
36.一種具有由材料進(jìn)行表面涂層的基底，所述材料包含具有至少在1,200到1,700納米波長上基本上線性響應(yīng)的硅化合物的單晶體結(jié)構(gòu)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的基底，其中基底是金屬和陶瓷之一。
全文摘要
一種形成至少在1,200到1,700納米的波長上具有基本上線性響應(yīng)的單晶體結(jié)構(gòu)的方法，生成的結(jié)構(gòu)以及其作為光學(xué)介質(zhì)或屏蔽涂料的應(yīng)用。因此，提供了具有零衰減的最大可獲得的光傳輸。沒有本征材料的吸收。
文檔編號C23C14/24GK1656029SQ02829386
公開日2005年8月17日 申請日期2002年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者S·庫拉托洛 申請人:Czt公司