專(zhuān)利名稱:含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及玻璃,尤其是一種含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃及其制備方法。
背景技術(shù):
由于金屬納米粒子與介質(zhì)間的相互作用,以及納米粒子的表面效應(yīng)和量子尺寸效 應(yīng),含金屬納米顆粒的玻璃材料具有優(yōu)越的非線性光學(xué)特性,使這種材料具有獨(dú)特的光學(xué)、 電學(xué)和光電轉(zhuǎn)換特性,在開(kāi)發(fā)具有特定光功能的光學(xué)元器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。另外 在激光脈沖作用下,它具有多光子光電發(fā)射特性,在飛秒超短激光脈沖作用下,它表現(xiàn)了超 快時(shí)間響應(yīng)的光學(xué)瞬態(tài)弛豫,這種玻璃在超快光電子器件中有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。在玻璃材 料中制備金屬納米顆粒、研究金屬納米顆粒的形成機(jī)制與行為,是目前光學(xué)與材料學(xué)領(lǐng)域 的一大研究前沿。金屬納米顆??梢酝ㄟ^(guò)不同的方式引入玻璃基體中,如傳統(tǒng)的熱處理方法、離子 注入法、離子交換法、光熱誘導(dǎo)法和溶膠凝膠法等。相比其他方法,傳統(tǒng)的熱處理方法是最 簡(jiǎn)單方便的,不需要昂貴的設(shè)備,但現(xiàn)階段還很難得到除金、銀、銅以外的其它金屬顆粒。而 其他方法,如離子注入法,引入金屬納米顆粒的過(guò)程比較簡(jiǎn)單直接,可以在玻璃中注入幾乎 所有的金屬元素,但其缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、昂貴,必須利用加速器離子注入,主要集中在日本、 美國(guó)和歐盟的幾個(gè)著名實(shí)驗(yàn)室。還有其他方法現(xiàn)階段也是很難得到除金、銀、銅以外的其他 金屬納米顆粒。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種含有金屬或半導(dǎo)體納米晶玻璃及其制備方法。這種玻璃具 有優(yōu)越的非線性光學(xué)特性,在特定光功能的光學(xué)元器件領(lǐng)域如超快光電子器件以及玻璃工 藝品等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用傳統(tǒng)的熔融冷卻法制備的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃,其特點(diǎn)在于 所述的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶玻璃包括硅Si納米晶玻璃、鍺Ge納米晶玻璃、鉛Pb納米 晶玻璃、鉍Bi納米晶玻璃、銅Cu納米晶玻璃或鎵Ga納米晶玻璃所述的硅納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分mol%Na205 15B20340 48Si0240 45A10. 5 4 ;所述的鍺納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分mol%Na205 15
b2o340 45
Si0240 45
Ge021 -、g
A11 -~ 5 ;
所述的鉛納米i晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為
組分mol%
Na205 -一 15
b2o340 45
Si0240 45
Pb021 -、g
A11 -~ 5 ;
所述的鉍納米i晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為
組分mol%
Na205 -一 15
b2o340 45
Si0240 45
Bi2031 --6
A11 -~ 5 ;
所述的銅納米i晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為
組分mol%
Na205 -一 15
b2o340 45
Si0240 45
CuO0.2 4
A10.5 4 ;
所述的鎵納米i晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為
組分mol%
Na205 -一 15
b2o340 45
Si0240 45
Ga021 -、g
A11 -~ 5。
本發(fā)明含有金屬或半導(dǎo)體納米晶玻璃制備的原理是玻璃的基本原料為Na2C03、B203、 SiC>2等,同時(shí)加入強(qiáng)的金屬還原劑A1粉,然后通過(guò)傳統(tǒng)的熔融冷卻制備得到母玻璃,
通過(guò)熱處理,即可獲得整塊含有金屬或半導(dǎo)體納米顆粒的玻璃。所述的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃的具體制備方法,即含有Si、Ge、Pb、Bi、 Cu、Ga納米晶的玻璃的制備方法,包括以下步驟①根據(jù)需要制備所含含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃,選定玻璃的成分和摩爾百 分比,按該配比稱量一定總量的各原料,在瑪瑙研缽中研磨2小時(shí)將原料混合均勻;
②將研磨好的原料放入剛玉坩堝內(nèi),于1450°C進(jìn)行熔化,保溫時(shí)間0. 5 2小時(shí)形 成玻璃熔液;③將所述的玻璃熔液澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一鋼板輕壓平,降溫至室溫 得到透明玻璃;④將所述的透明玻璃放在馬弗爐里進(jìn)行熱處理先以200°C /h的升溫速率從室溫 升到430 600°C,保溫2 24小時(shí),然后關(guān)閉電源,讓玻璃隨爐冷卻至室溫,取出即獲得含 有相應(yīng)元素的納米晶的玻璃。這種玻璃組成為鈉硼硅,這種玻璃基質(zhì)具有很強(qiáng)的還原性,在玻璃熔制過(guò)程中,加 入的金屬粉末如果金屬活性比較低的就會(huì)直接以原子團(tuán)簇的形態(tài)存在,加入還原性金屬時(shí) 就會(huì)與玻璃基質(zhì)中活性比較低的金屬發(fā)生置換反應(yīng),這樣制得的玻璃中也會(huì)含有置換出來(lái) 的原子團(tuán)簇。然后通過(guò)熱處理方法,這些原子團(tuán)簇不斷長(zhǎng)大,就可以獲得整體含有相應(yīng)納米 晶的玻璃。本發(fā)明的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃及其制備方法與其他方法如熱處理、離 子注入法等具有以下優(yōu)勢(shì)本發(fā)明與在先技術(shù)相比,獲得了以前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的含有Si、Ge、Pb、Bi、Ga等金屬或 半導(dǎo)體納米晶的玻璃。這種玻璃具有優(yōu)越的非線性光學(xué)特性,在特定光功能的光學(xué)元器件 領(lǐng)域如超快光電子器件以及玻璃工藝品等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理方法即可實(shí)現(xiàn),不需要?dú)夥盏攘硗獾妮o助,設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明,但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)例1制備含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-48% B203"45% Si02-2% A1,按組分配比稱大約50g原料,在瑪瑙坩堝中 研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃熔液;然 后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得到透明 的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中460°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出即可得 到整塊含有半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃。實(shí)例2制備含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下13% Na20-46. 5% B203"40% Si02-0. 5% A1,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪瑙 坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃熔 液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得到 透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中480°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出即 可得到整塊含有半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃。實(shí)例3制備含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15% Na20-40% B203"41 % Si02-4% A1,按組分配比稱大約50g原料,在瑪瑙坩堝中 研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得到透 明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中450°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出即可得 到整塊含有半導(dǎo)體Si納米晶的玻璃。實(shí)例4制備含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-44% B203"40% Si02-6% Ge02-5% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻 璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可 得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中450°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃。實(shí)例5制備含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下8% Na20-45% B203"45% Si02-1% Ge02-i % Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃 熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得 到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中460°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃。實(shí)例6制備含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15%Na20-41%B203"41% Si02-1. 5%Ge02-l. 5% A1,按組分配比稱大約 50g 原料, 在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融1小時(shí)形成 玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫 可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中450°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫 取出即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ge納米晶的玻璃。實(shí)例7制備含金屬Pb納米晶的玻璃該含金屬Pb納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-44% B203"40% Si02-6% Pb02-5% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻 璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可 得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中480°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有金屬Pb納米晶的玻璃。實(shí)例8制備含金屬Pb納米晶的玻璃該含金屬Pb納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下8% Na20-45% B203"45% Si02-1% Pb02-1% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃 熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得 到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中500°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有金屬Pb納米晶的玻璃。實(shí)例9制備含金屬Pb納米晶的玻璃
該含金屬Pb納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15%Na20-41%B203"41% Si02-1. 5%Pb02-l. 5% A1,按組分配比稱大約 50g 原料, 在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融1小時(shí)形成 玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫 可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中490°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫 取出即可得到整塊含有金屬Pb納米晶的玻璃。實(shí)例10制備含金屬Cu納米晶的玻璃該含金屬Cu納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-44% B203"43% Si02-4% CuO-4% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻 璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可 得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中430°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有金屬Cu納米晶的玻璃。實(shí)例11制備含金屬Cu納米晶的玻璃該含金屬Cu納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下9. 3%Na20-45%B203"45% Si02_0. 2% Cu0-0. 5% A1,按組分配比稱大約 50g 原料, 在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成 玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫 可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中450°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫 取出即可得到整塊含有金屬Cu納米晶的玻璃。實(shí)例12制備含金屬Cu納米晶的玻璃該含金屬Cu納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15% Na20-41% B203-41 % Si02-1% Cu0-2% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融1小時(shí)形成玻璃 熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得 到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中440°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有金屬Cu納米晶的玻璃。實(shí)例13制備含金屬Bi納米晶的玻璃該含金屬Bi納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-44% B203"40% Si02-6% Bi203"5% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻 璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可 得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中560°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有金屬Bi納米晶的玻璃。實(shí)例14制備含金屬Bi納米晶的玻璃該含金屬Bi納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下8% Na20_45% B203_45% Si02-1% Bi203-1 % A1,按組分配比稱大約50g原料,在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨 好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在 一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中600°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出即可得到整塊含有金屬Bi納米晶的 玻璃。實(shí)例15制備含金屬Bi納米晶的玻璃該含金屬Bi納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15% Na20-41 % B203"41 % Si02-1. 5%Bi203"l- 5% Al,按組分配比稱大約 50g原料, 在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融1小時(shí)形成 玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫 可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中580°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫 取出即可得到整塊含有金屬Bi納米晶的玻璃。實(shí)例16制備含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下5% Na20-44% B203"40% Si02-6% Ga02-5% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融0. 5小時(shí)形成玻 璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可 得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中500°C處理2小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃。實(shí)例17制備含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下8% Na20-45% B203"45% Si02-1% Ga02-1% Al,按組分配比稱大約 50g 原料,在瑪 瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融2小時(shí)形成玻璃 熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫可得 到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中540°C處理24小時(shí),隨爐冷卻至室溫取出 即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃。實(shí)例18制備含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃該含半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃的組分及摩爾百分比如下15%Na20-41%B203"41% Si02-1. 5%Ga02-l. 5% A1,按組分配比稱大約 50g 原料, 在瑪瑙坩堝中研磨2小時(shí),然后將研磨好的原料置于剛玉坩堝中在1450°C熔融1小時(shí)形成 玻璃熔液;然后將玻璃熔液快速澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一塊鋼板輕壓,降溫至室溫 可得到透明的玻璃;最后將得到的玻璃放在馬沸爐中520°C處理12小時(shí),隨爐冷卻至室溫 取出即可得到整塊含有半導(dǎo)體Ga納米晶的玻璃。
權(quán)利要求
一種用傳統(tǒng)的熔融冷卻法制備的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃,其特征在于所述的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶玻璃包括硅納米晶玻璃、鍺納米晶玻璃、鉛納米晶玻璃、鉍納米晶玻璃、銅納米晶玻璃或鎵納米晶玻璃所述的硅納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~48SiO2 40~45Al 0.5~4;所述的鍺納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~45SiO2 40~45GeO2 1~6Al 1~5;所述的鉛納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~45SiO2 40~45PbO2 1~6Al 1~5;所述的鉍納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~45SiO2 40~45Bi2O3 1~6Al 1~5;所述的銅納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~45SiO2 40~45CuO0.2~4Al 0.5~4;所述的鎵納米晶玻璃的組分及其摩爾百分比含量為組分 mol%Na2O 5~15B2O3 40~45SiO2 40~45GaO2 1~6Al 1~5。
2.權(quán)利要求1所述的含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃的制備方法,其特征在于包括以 下步驟①根據(jù)需要制備所含金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃,選定玻璃的成分和摩爾百分比,按 該配比稱量一定總量的各原料,在瑪瑙研缽中研磨2小時(shí)將原料混合均勻;②將研磨好的原料放入剛玉坩堝內(nèi),于1450°C進(jìn)行熔化,保溫時(shí)間0.5 2小時(shí)形成玻 璃熔液;③將所述的玻璃熔液澆注在一塊不銹鋼板上,并用另一鋼板輕壓平,降溫至室溫得到 透明玻璃;④將所述的透明玻璃放在馬弗爐里進(jìn)行熱處理先以200°C/h的升溫速率從室溫升到 430 600°C,保溫2 24小時(shí),然后關(guān)閉電源,讓玻璃隨爐冷卻至室溫,取出即獲得含有相 應(yīng)元素的納米晶的玻璃。
全文摘要
一種含有金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃及其制備方法,玻璃原料為Na2CO3、B2O3、SiO2等,同時(shí)加入強(qiáng)的金屬還原劑Al粉,然后通過(guò)傳統(tǒng)的熔融冷卻制備得到母玻璃,通過(guò)熱處理,即可獲得整塊含有金屬或半導(dǎo)體納米顆粒的玻璃。本發(fā)明與在先技術(shù)相比,獲得了以前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的含有Si、Ge、Pb、Bi、Ga等金屬或半導(dǎo)體納米晶的玻璃。這種玻璃具有優(yōu)越的非線性光學(xué)特性,在特定光功能的光學(xué)元器件領(lǐng)域如超快光電子器件以及玻璃工藝品等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C03B32/02GK101891391SQ20101023242
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者俆至展, 林耿, 趙全忠, 邱建榮, 駱?lè)挤?申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所