[發明專利]一種納米晶體圖形轉印的方法及納米晶體圖形材料

無效

• 申請號: 200710040307.4
• 申請日: 2007-04-29
• 公開（公告）號: CN101261443A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 林健
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G03F7/00
• 分類號: G03F7/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于光電子信息技術和光學玻璃表面改性技術領域，具體涉及在氧化物玻璃或單晶基片中圖形化轉印技術及其材料。

背景技術

玻璃材料是一種結構穩定、性能優良的光學材料，廣泛應用于建筑、汽車、裝潢、包裝等技術領域；同時在光電子信息技術領域作為一種優質的基片材料，在信息顯示、存儲、傳輸、處理等領域得到大量應用。應用于這些領域的玻璃材料包括硅酸鹽系統、磷酸鹽系統、硼酸鹽系統以及重金屬氧化物系統玻璃等。

在光學玻璃材料中引入各種納米晶體，既不破壞玻璃材料原有的光學性能，又能利用納米晶體具有的量子效應及其他各種特性，制成具有各種使用效能的功能玻璃材料。如在玻璃基體中引入金、銀、銅等貴金屬及其化合物納米晶體、以及稀土納米晶體，可以獲得優良的熒光、非線性光學、光吸收等獨特光學效應；在玻璃基片中引入鐵、鈷、鎳等納米晶體，則在磁記錄、磁光器件等領域具有廣泛的應用前景。各種納米晶體在玻璃基片中的按需圖形化分布，則可應用于各種光學元器件的設計、制造，融材料制備和器件制作于一體。此外，在傳統建筑玻璃、包裝玻璃、裝飾玻璃中引入金、銀、銅、氧化鈦等納米晶體，則在玻璃著色、滅菌、自潔等領域得到廣泛應用。

目前，通常采用溶膠-凝膠法、熱處理法、多孔玻璃法、離子交換法等在玻璃基片表面或內部獲得納米晶體，或者采用物理濺射、化學沉積等手段在基片表面進行功能化鍍膜。這些納米晶體和薄膜制備方法通常只能實現在整個玻璃基片表面或內部的均勻分布，較難實現按需圖形化分布。在集成電路芯片的制造過程中，通常采用光刻技術在玻璃或單晶基片上制備各種微米、納米尺寸圖形，近年來還出現一種納米壓印的納米圖形制備新技術。如在國內外已經公開的專利中，CN1800984A先后采用反應離子刻蝕、濕化學腐蝕等方法在硅片上復制納米圖形，US6943117則采用納米印章和紫外曝光等手段在基片上壓印納米圖形。這些納米圖形制造技術一般制備成本較高，同時也僅在玻璃或單晶基片上形成納米尺度的圖形，而非納米晶體的圖形。

為了充分發揮納米晶體在光學、光電子玻璃或單晶基片中的量子效應，進一步開發各種實用的、高效能的納米器件，發明一種集納米晶體摻雜玻璃材料制備和納米圖形元器件制造于一體的、簡單而實用的納米晶體圖形制造新技術，對于推動納米材料及納米器件的制造及實際應用具有重要意義。

發明內容

現有技術中，采用溶膠-凝膠法、熱處理法、多孔玻璃法、離子交換法等方法在玻璃基片中獲得的納米晶體是非圖形化的，而現有的納米壓印技術在單晶基片上形成的納米圖形并不是由納米晶體構成的。如果能夠在玻璃或單晶基片中形成納米晶體的圖形，則即可以充分發揮納米晶體的量子效應，又可應用于納米光電子芯片的開發，具有廣闊的應用前景。

針對上述問題，本發明的目的在于提出一種直流電場誘導下的玻璃或改性的單晶基片中納米晶體圖形轉印的制備技術及其得到的納米晶體圖形材料。

針對現有納米圖形制備技術的局限性，本發明采用簡便可行的直流電場誘導下熱處理方法，利用高強度直流電場分布在玻璃基片內的垂直于基片表面的電力線，誘導圖形轉印膜層中帶正電的金屬離子沿電力線方向定向擴散進入玻璃或單晶基片的改性層，并在直流電場與熱處理溫度場的共同作用下成核長大，析出所需納米晶體圖形，進而可制成具有各種復合納米晶體圖形的光電子芯片和光學材料。

其具體的方法是，首先在玻璃或表面改性的單晶基片的單面或雙面覆蓋含所需納米晶體前驅物的圖形轉印膜層；然后利用金屬電極在玻璃或表面改性的單晶基片上下表面施加直流電場，同時置于熱處理裝置中在一定溫度下熱處理，在直流電場的誘導下引導所需金屬離子定向擴散進入玻璃或單晶基片改性層；這些金屬離子可以在直流電場與溫度場的共同推動下析晶長大，也可以在后續熱處理過程中析出所需納米晶體圖形。納米晶體前驅物是指在納米晶體析出過程中所需的各種元素或各種離子。單晶基片改性層是指通過向單晶基片引入網絡調整離子、網絡形成離子而在單晶基片表面附近形成的結構相對疏松的玻璃薄層，以利于圖形轉印膜層中的金屬離子擴散進入該玻璃薄層并成核、生長，進而獲得目標納米晶體圖形。

如上所述的方法還可制備得到產品為：玻璃或單晶基片改性層中含有納米晶體圖形；其中納米晶體為包括IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB、IIB族單質金屬納米晶體或金屬化合物納米晶體；不同種類、不同形狀的納米晶體圖形在同一玻璃或單晶基片改性層中重疊。

在本發明中，采用的金屬電極可以是不銹鋼電極片，也可以是耐高溫的金、鉑等貴金屬電極片。金屬電極需在熱處理過程中保持良好的穩定性，不能被氧化或與納米圖形轉印膜層發生反應。