專利名稱：摻入聚合物-無機顆粒摻合物的結構的制作方法
本專利申請案申請Kambe等人，名稱為“Index-Engineering WithNano-Polymer Composites”的美國待審專利申請第60/309,887號的優(yōu)先權，該案列入本文以作參考。
發(fā)明范圍本發(fā)明是關于使用聚合物-無機粒子摻合物形成的結構，其包含在各粒子與聚合物之間具有鍵合的聚合物-無機粒子復合材料。本發(fā)明進一步關于由聚合物-無機粒子摻合物形成結構的處理方法，例如，自組裝法。此外，本發(fā)明也關于由聚合物-無機粒子摻合物形成的裝置，特別為光學裝置，例如，光子晶體。
背景技術：
由于在各領域的進展，已經為多種新材料創(chuàng)造各種用途。特別是，可以在許多不同處理情況下使用各種化學粉末。在各種情況下，無機粉末可引入所要求的功能性。同樣，在許多領域中可以使用聚合物以形成各種裝置?？衫酶鞣N聚合物以獲得使適合應用的所要求的性質和/或功能性，以及提供加工方面的通用性。
而且，科技的進展對于處理參數方面以嚴格容差的改良性材料處理的興趣日益增加。由于進一步持續(xù)小型化，所以材料參數必需要在嚴格的參數范圍內?，F行的集成電路技術對于處理尺寸已要求次微米規(guī)模的容差。使機械，電子及光學組件合并和整合至集成裝置內對于材料處理已產生其它限制?？梢允褂脧秃喜牧弦越M合不同材料的所要性質和/或加工能力以獲得改良材料及特性。
通信及訊息技術(包括因特網基系統(tǒng))的突飛猛進已引起全世界努力實施可運用光學通信系統(tǒng)有利的大帶寬的光學通信網路。光學通信系統(tǒng)可摻入轉輸用的光學纖維，且可包括，例如，用以處理較小腳印的光學信號的平面光學結構?；蛘咭迅鶕酆衔锘驘o機材料而形成光學裝置，例如，石英玻璃。
發(fā)明簡述本發(fā)明第一方面是關于一種光學結構，其在第一光學材料與第二光學材料(其各含一種聚合物)之間含有一種界面。該第一光學材料包含一種聚合物-無機粒子摻合物，其中該摻合物含無機粒子，當離析時，該無機粒子為電絕緣體或電導體。
本發(fā)明另一方面是關于一種結構，其在各含一種聚合物的第一材料與第二材料之間含一種界面。該第一材料含聚合物-無機粒子復合物。該復合物含有是電半導體或電導體的無機粒子，且該無機粒子的平均顆粒大小不超過約1微米。
本發(fā)明又一方面是關于一種含聚合物-無機粒子摻合物的材料。該摻合物含有導電性的無機粒子，且該摻合物于100微米厚度時對可見光是透明的。
本發(fā)明再一方面是關于一種反射型顯示器，其包含分散在聚合物-無機粒子摻合物內的液晶。該聚合物-無機粒子摻合物為光學材料。
而且，本發(fā)明是關于一種互連光學結構，其含第一光學通道，第二光學通道及光學性連接該第一光學通道與第二光學通道的光學互連器，該光學互連器含聚合物-無機粒子摻合物。
本發(fā)明也關于一種含有近乎周期性折射率變換的周期性結構。該結構包含第一聚合物-無機粒子摻合物及分散在有聚合物-無機粒子摻合物的各區(qū)域之間的第二光學材料。該第二光學材料為選自第二聚合物-無機粒子摻合物，聚合物，非聚合物無機材料中的材料。
本發(fā)明其它方面是關于一種光子晶體結構，其包含分散有光學材質的聚合物-無機粒子摻合物的周期性排列。
在其它具體實例中，本發(fā)明是關于一種光學結構，其在均勻光學無機材料與光學聚合物-無機粒子摻合物之間含一種界面。該摻合物含無機粒子，該無機粒子是電絕緣體或電導體。
此外，本發(fā)明是關于一種顯示器裝置，其含一層可形成顯示器可視部分的光學聚合物-無機粒子摻合物。該摻合物含無機粒子，該無機粒子是電絕緣體或電導體。
本發(fā)明另一方面是關于一種含有聚合物-無機粒子摻合物的光學裝置，其中該摻合物含具有非線性光學性質的無機粒子。
而且，本發(fā)明是關于一種吸光裝置，其包含第一電極及以周期性結構排列的聚合物-無機粒子摻合物。該周期性結構可吸收在所要頻率的電磁輻射。
本發(fā)明也關于一種含有一對電極及一種聚合物-無機粒子復合物的電機結構。施加電壓至該電極會導致部分電機結構產生偏轉現象。
本發(fā)明其它方面是關于在第一材料與第二材料之間產生界面的方法，其中各材料含一種聚合物，且至少一種材料含有聚合物-無機粒子摻合物。該方法包括共擠壓第一光學材料，使其與第二光學材質相接觸以在該第一材料與第二材料之間形成界面。
本發(fā)明其它方面是關于在第一材料與第二材料之間產生界面的方法，其中各材料含一種聚合物，且至少一種材料含聚合物-無機粒子摻合物。該方法包括將第一材料旋涂在第二材料層頂層以在該第一材料及第二材料之間形成界面。在該旋轉涂布法的期限內，該第一材料并不會溶解該第二材料中。
本發(fā)明另一方面是關于在折射率不同的兩種光學材料(其折射率彼此相差至少約0.005)之間產生界面的方法。該方法包括使用聚合物/無機粒子摻合物進行自組裝以形成第一光學材料，然后定位第二光學材料，使其與該摻合物接觸以形成該界面。
附圖簡述

圖1為聚合物-無機粒子摻合物與第二材料間的平面界面透視圖。
圖2為沿著聚合物-無機粒子摻合物與第二材料間的邊緣的界面透視圖。
圖3為在3種材料之間具有各種界面結構的透視圖。
圖4為波導結構的透視圖。
圖5為以虛線注明的結構內具有光學耦合器/分光器的平面光學結構上視圖。
圖6為該圖5光學結構的側視圖。
圖7A為折射率逐步改變的互連器的剖視圖。
圖7B為在第一波導與第二波導之間的逐漸變細的互連器的剖視圖。
圖8為用作連接兩個光學通道的光學粘著劑的聚合物-無機粒子摻合物的剖視圖。
圖9為具有一彎曲部位的光學通道的剖視圖。
圖10為具有兩個顯示元件(其取自通過各該元件的中央的片斷表示)的反射型，聚合物分散的液晶顯示器剖視圖。
圖11為加入微電機系統(tǒng)的具有取自微電機系統(tǒng)的膜片安裝桿區(qū)的可轉動的垂直腔表面-發(fā)射激光器的剖視圖。
圖12為已排列波導光柵的上視圖。
圖13為具有由聚合物-無機粒子摻合物形成3個光學開關的光學結構的上視透視圖。
圖14為圖13光學結構以沿著線13-13所取得的部分的側視圖。
圖15為具有取自開關元件部分的交連光學開關的剖側視圖。
圖16為具有聚合物-無機粒子摻合物桿的周期性排列的結構透視圖。
圖17為在光學結構內具有較高折射率材料的周期性排列的光學結構。
圖18為具有較高折射率材料的二維排列的光學結構(其可以是較大光學結構的一部分)透視圖。
圖19為具有較高折射率材料的三維排列的光學結構(其可以是較大光學結構的一部分)透視圖。
圖20為具有折射率逐步逐漸改變以形成折射率中周期性變化的光學結構的上視圖。
圖21為對圖20光學結構的折射率作為距離的函數圖。
圖22為具有取自該可調諧電極的部分的可調濾光器的剖視圖。
圖23為具有兩個布拉格(Bragg)光柵作為部分反射鏡的激光器的剖面?zhèn)纫晥D。
圖24為用于制備氧化鈦的激光熱解裝置的透視圖。
圖25為該圖24激光熱解裝置的剖面?zhèn)纫晥D。
圖26為取自沿圖24線26-26的激光熱解裝置剖視圖。
圖27為對各3種不同TiO2粉末試樣的3種X-射線衍射圖的示圖。
圖28為通過激光熱解所形成氧化鈦納米粒子的穿透式電子顯微相片。
圖29為以任意單位的吸收光譜作為以0.003重量％TiO2-3的乙醇分散液的波長的函數所作的圖。
圖30為以任意單位的吸收光譜作為以0.003重量％商業(yè)品牌TiO2在乙醇中的分散液的波長的函數所作的圖。
圖31以折射率作為以聚丙烯酸中的氧化鈦納米粒子的粒子填充量的函數所作的圖。
發(fā)明詳述可以從含有聚合物及無機粒子的摻合物中形成多用途的材料及結構。具體地，聚合物-無機粒子摻合物可以和另一種材料(其可是或可不是另一種摻合物)組合以形成在不同材料間具有適合界面的結構?？梢允褂脽o機粉末及對應的聚合物-無機粒子摻合物以制備各種裝置，例如，平面顯示器，電子電路，光學及電子-光學材料，光學裝置與集成光學電路。在有些具體實例中，聚合物及無機粒子可化學性地鍵合以穩(wěn)定化所形成的復合物。就光學材料及光學結構的形成而言，根據光學材料的各組份，聚合物-無機粒子摻合物材料可具有光學性質。通常，可通過選擇組合物及粒子的填充量，可相應選擇摻合物的性質，例如，光學性質。理想的光學結構可在聚合物/無機粒子摻合物與另一種聚合物材料(例如，另一種聚合物-無機粒子摻合物)，或均勻無機材料(例如，光學玻璃)之間包含界面。具體地，光學結構通常在具有不同光學性質(例如，折射率)的各光學材料之間包含界面?？梢杂行褂酶鞣N處理方法以形成所要光學結構。摻合聚合物-無機粒子摻合物以有利地形成光學及非光學裝置。某些相關的結構在材料方面(其中具有一種或多種是聚合物-無機粒子摻合物的材料)具有周期性變化性。
可以使用聚合物-無機粒子摻合物以處理具廣范圍性質(例如，折射率)的可加工材料。除了具有功能性質的多用途外，聚合物-無機粒子摻合物可具有所要求的機械性質，例如，耐久性。適于摻入復合物內的一些聚合物包括有機聚合物及無機聚合物，例如，聚硅氧烷。無機粒子通常包括呈元素或化合物型式的金屬或類金屬元素。具體地說，該無機粒子可包括，例如，元素金屬或元素類金屬，即，非離子化元素，金屬/類金屬氧化物，金屬/類金屬氮化物，金屬/類金屬碳化物，金屬/類金屬硫化物，金屬/類金屬硅酸鹽，金屬/類金屬磷酸鹽及其組合物。如文中所使用的，無機粒子包括碳粒子，例如，富勒烯(fullerenes)，碳黑，石墨及其組合物。除了碳粒子外的無機粒子可稱為非碳的無機粒子。類金屬為呈現具有介于或包括金屬與非金屬在內的化學性質的元素。類金屬元素包括硅，硼，砷，銻，碲。雖然元素周期表內磷的位置接近金屬元素，但是其通常不被視為類金屬元素。然而，P2O5及摻雜型式的P2O5為類似于一些類金屬氧化物的良好光學材料，且其它已摻雜磷(例如，呈P2O5型式)的光學材料可具有所要求的光學性質。如文中(包括專利要求范圍)所使用的，為方便起見，磷也被視為類金屬元素。
以填充量范圍將無機粒子加入摻合物內?？梢允褂弥粮呒s50重量％或更高的高無機粒子填充量以獲得良好分散性的粒子。此外，在包含化學性鍵合復合物的具體實例中，可以調整與該無機粒子鍵合的鍵合劑化合物含量以改變使用該聚合物所獲得的交聯(lián)程度。
在本發(fā)明某些方面中，聚合物-無機粒子摻合物包含一種在其無機粒子與聚合物之間具有化學鍵合的聚合物-無機粒子摻合物。在其它具體實例中，該摻合物含無機粒子與聚合物的混合物。可以選擇摻合物的各組份的組成，及各組份的相對含量以得到所要性質，例如，光學性質。
在聚合物與無機粒子之間含有化學鍵合的聚合物-無機粒子摻合物具體實例中，可選擇或改性聚合物，使其含有可以與無機粒子或鍵合劑化合物的功能基化學性鍵合的適合官能基。鍵合劑化合物可促進所得復合物的形成。具體地，在這些具體實例中，該復合物包含單體/聚合物組份，無機粒子，及可橋接無機粒子與單體/聚合物的鍵合劑化合物。就可以與該鍵合劑化合物連接的單體單位而言，可隨著該復合物形成而形成聚合的。為了表示簡便起見，可以與該鍵合劑連接并組合成為復合物的單體/聚合物單位通?？杀环Q為聚合物，然而，在某些情況下，該單位可以是單體或聚合物，例如，二聚物，三聚物或更大的聚合物結構?？梢赃x擇聚合物的分子量以改變所形成復合物的性質。
在某些具體實例中，最好使用平均直徑小于約500納米(nm)的無機粒子的聚集物。可通過，例如，火焰合成法，燃燒法，或溶膠凝膠法而形成適合的粒子。用于合成具有特高均勻性的無機粒子的方法包括輻射基的熱解法/激光熱解法，其中自強輻射源產生的光引起形成粒子的反應。為方便起見，本申請認為輻射基的熱解法及激光熱解法可交替，因為可以使用適合的強烈電磁輻射源以取代激光?？墒褂眉す鉄峤夥ㄒ孕纬删哂懈呔鶆蚪M成，結晶性及大小的粒子。
在聚合物/無機粒子摻合物內使用毫微級粒子可以使某些應用得到改良和/或所要的性質。特別是，就光學材料的形成而言，由于理想的光學性質(例如，通常減少散射性)，毫微粒子可提供理想的光學特性。優(yōu)選使用高質量的毫微粒子以產生具有定義明確的光學性質的均勻混合毫微粒子-聚合物摻合物。具體地，優(yōu)選顆粒為其中主要顆粒不會附聚，因此該主要粒子可以有效分散以形成復合物。如Bi等人的美國專利第5,958,348號，名稱“EfficientProduction of Particles By Chemical Reaction，”(列入本文以作參考)所述并如下文進一步所述，可以以工業(yè)規(guī)模制造用以形成毫微級復合物的高質量的毫微粒子。
由于可以將廣范圍的無機粒子及聚合物加入本文中所述的復合物內，所以該復合物適合廣范圍應用。具體地，本文中所述的各材料及結構適于下述應用包括，例如，結構應用，電子工程學應用，光學應用。雖然就含聚合物-無機粒子摻合物的改良結構而言，包括所有應用，但是光學應用在文中將有更詳細描述。使用該聚合物-無機粒子摻合物的一個重大優(yōu)點為可以廣范圍控制物理性質，例如，光子或電子參數。例如，若該無機粒子具有高折射率，則可以形成具有廣范圍且可控制的折射率值的各種光學裝置或光學涂料。理想使用高折射率材料以控制光傳播?？赏ㄟ^調整粒子填充量以控制該復合物的折射率。
通過研究毫微粒子-聚合物復合物的光子/光學性質已說明控制折射率的能力。例如，可以研究決定光在材料或裝置結構內的傳播的折射率作為摻合物的參數的函數。從聚合物-無機毫微粒子復合物進行光學觀測的方法列于以下各實例。尤其是也描述個別毫微-TiO2粒子的結構及光學性質以表示毫微粒子性質及后續(xù)毫微復合物性質的相關性。使用以毫微-TiO2基的聚合物復合物進行光學測定以確認可獲得高折射率聚合物-無機粒子摻合物的能力。
就光子裝置應用而言，該折射率(n)的受控管理很重要。如本文中所述的指數工程包括形成具有所要的折射率的各種材料并與光學結構中的各界面處的相鄰材料的折射率比較。也可通過外場調制折射率而達到。
通常，聚合物-無機粒子摻合物可提供關于組合物及對應性質的相當多的用途以及對從簡單至復雜的結構的形成的處理多用途。就光學應用而言，可通過相應選擇摻合物的各組份及粒子的填充量以選擇折射率。根據摻雜劑及摻雜程度，通常的石英玻璃顯示n～1.45。在該范圍的另一末端，化合物半導體(例如，InP)的n為～3.4。這兩個區(qū)域之間有很大的差異，其尚未適當地通過現有的材料系統(tǒng)彌補，即使該差異可通過多種材料彌補，仍然很難在其間形成可利用的界面。反之，使用無機粒子(例如，毫微粒子)及聚合物基質所形成的聚合物-無機粒子摻合物可選擇特別要求的折射率值。發(fā)現一旦選出高指數粒子(特別為毫微粒子)及聚合物主材料，則該毫微粒子的填充量可直接決定該完整復合物的指數。
通過組合多種材料(其中一或多種聚合物-無機粒子摻合物)，可以在結構內的各材料間形成界面，因此總性質和/或功能性質具有所要求的特性。就光學應用而言，光學界面可包含其在不同材料間具有選擇性的折射率差異的各光學材料?？墒褂迷摼酆衔?無機粒子摻合物以設計折射率，可以使用以減少該光學組件的大小。特別是，各光學界面處的高折射率差異可用于減少器件大小，亦即，小型化。
此外，聚合物-無機粒子摻合物可形成成為設計用于特殊應用的雜結構。就某些光學應用而言，可以使聚合物-無機粒子摻合物形成周期性結構。特別有利于形成，例如，在具有周期性調諧折射率的結構的光學結構中形成周期性結構?？梢允褂迷谡凵渎噬暇哂兄芷谧兓缘墓鈱W材料以形成光柵或光子晶體。周期性可以以一維，二維或三維的型式延伸。
通過使用聚合物-無機粒子摻合物，可以形成能夠與低折射率材料(例如，不含粒子填充量的聚合物)結合的高折射率摻合物。通過這些結合材料，可以形成在界面處的兩種材料間具有折射率大變化的界面。這種折射率大變化有利于用在反射及/或限制材料內的光。特別是，這些大折射率變化有利地用于形成顯示器及其它光學裝置。
特別是，尤其適合使用聚合物/無機粒子復合物以形成具有選擇性介電常數/折射率的器件。通過折射率設計處理，可通過該折射率的對應選擇而設計特別適于特定應用的材料。就電或光學材料的制備而言，選定合適的折射率很重要。當沒有光損失時，折射率約為該介電常數的平方根，因此，折射率的設計處理相當于該介電常數的設計處理。所以，折射率/介電常數與特定材料的光學及電反應有關。在設計光學或電互連器時折射率工程特別有利。可以使用文中所述的處理法(其包括，例如，自組裝法)以控制形成裝置材料的域大小和/或材料組成/折射率的周期性。可獲得亞微米規(guī)模的結構直徑及周期性。所要的大小和/或周期性長度規(guī)模通常取決于光波長。此外，如在界面處的折射率值以大量改變，則可以使用小尺寸/周期性規(guī)模。該毫微粒子的使用和/或可形成亞微米規(guī)模結構的能力可提供形成量子效應裝置。
可使用許多標準聚合物處理法處理聚合物-無機粒子摻合物。特別適合的方法通常取決于要形成的特定結構。然而，特別可使用某些方法以形成聚合物-無機粒子摻合物與其它材料間的界面。例如，可通過將溶劑化的摻合物旋涂在基材(例如，硅晶片)上以涂敷均勻層?？赏ㄟ^連續(xù)旋涂材料以層疊各層?？蛇x擇溶劑以致在涂敷一層時所使用的溶劑不會溶解先前涂敷的層。此外，可以使用溶劑化摻合物或熔融物的擠壓法以形成界面。多層可共擠出或不可共擠出?？梢允褂脡貉臃ㄒ愿牧冀缑娴馁|量。也可以使用其它模制法及涂布法。通常，該聚合物-無機粒子摻合物的處理可或不可包括基材。
此外，可以使用自裝配技術處理聚合物-無機粒子摻合物以形成周期性結構。更具體地，就某些光學應用而言，可使用自裝配法以形成在兩種具有不同折射率值的材料間具有周期性界面的周期性光學結構。通常，周期性結構包括聚合物-無機粒子摻合物，其中周期性結構中的一或兩種周期性變化材料呈一維，二維或三維型式。可以使用折射率的二維變化性以構建二維光子晶體。同樣，可以使用折射率的三維變化性的構建三維光子晶體。由于光子帶隙，可以使用三維光子晶體以形成不會自然發(fā)射的理想固態(tài)激光。另一方面，二維光子晶體可導致整合表面發(fā)射裝置與波導器以形成波分復用器。
聚合物-無機粒子摻合物有利于加入各種裝置(特別為光學裝置)內。相關裝置包括，例如，光衰減器，分光器/偶合器，光學開關，調諧器，互連器，光隔離器，光學add-drop多路轉換器(OADM)，光放大器，光偏振器，光學環(huán)行器，移相器，光學鏡/反射器，光相位延遲器，光探測器，顯示器，微電機結構(MEMS)，可調濾器，光開關，布拉格光柵，鏡子，帶通濾波器，排列波導光柵(AWG)，激光，光子晶體，準晶體?？梢詫⒏餮b置放在光纖內或平面光學結構上。特別是，在平面光學結構內，該裝置可以是具有集成光學裝置的平面光學電路的一部分。
聚合物-無機粒子摻合物聚合物-無機粒子摻合物所含的無機粒子分布遍及聚合物基質，以致所形成的摻合物可摻入無機粒子及聚合物的多種形態(tài)。無機粒子可以或不可與聚合物化學性鍵合。無機粒子與聚合物的鍵合可包括一種使用以活化無機粒子表面以便與聚合物鍵合的鍵合劑。根據特定應用，適合的摻合物可包括低粒子填充量或高粒子填充量。同樣，可以選擇聚合物組份及無機粒子組份的組成以獲得所形成摻合物的所要性質。該摻合物(特別為聚合物-無機粒子摻合物)可產生組合組份的協(xié)同效應。
以一定范圍的填充量摻入無機粒子至該復合物內。可制成具有高均勻性的低粒子填充量的復合物。對某些應用而言，低填充量(例如，1或2％或更小)是理想的。此外，可以使用分散性良好的粒子獲得高的無機粒子填充量。此外，可以使用分散性良好的粒子獲得至高約80重量％或更高的高無機粒子填充量。通常，無機粒子填充量為約0.1重量％至約90重量％，在其它具體實例中，無機粒子填充量為約1重量％至約85重量％，在另一些具體實例中，無機粒子填充量為約3重量％至約80重量％，在再一具體實例中，無機粒子填充量為約5重量％至約65重量％，在某些具體實例中，無機粒子填充量為約10至約50重量％。熟悉本技術的人員可認識到這些詳述范圍內的其它范圍，也屬于本發(fā)明的范圍。此外，可以調整與鍵合無機粒子的鍵合劑化合物含量以改變使用聚合物所獲得的交聯(lián)程度。
如上述，聚合物-無機粒子摻合物可包括無機粒子與聚合物之間的化學鍵合。為方便起見，在至少部分無機粒子與聚合物之間具有化學鍵合的摻合物稱為聚合物-無機粒子復合物?；瘜W鍵合被認為廣泛涉及具有部分共價性質的鍵結，其具有或不具有部分離子鍵合，且可具有配位體-金屬鍵合的性質。在其它具體實例中，可通過基質的物理性質而簡單地使無機粒子包埋在基質內。
為方便起見，在無機粒子與該聚合物基質不含化學鍵合的摻合物稱為聚合物-無機粒子混合物。當然，聚合物-無機粒子混合物通常在聚合物與無機粒子之間包含非鍵合的靜電交互作用，例如，范德華(Van der Waals)交互作用。
雖然在許多方面中，混合物都適合，但是聚合物-無機粒子復合物的形成具有使摻合物穩(wěn)定及均勻的優(yōu)點。特別是，可以在復合物內獲得高粒子填充量，且不會使粒子產生附聚作用，但其前提為粒子可通過不會輕易與其本身鍵合的基團進行官能化，它可導致硬附聚物的形成。此外，在相關具體實例中，可調整與無機粒子鍵合的鍵合劑化合物的含量以改變使用聚合物所獲得的交聯(lián)程度。
在聚合物與粒子之間具有鍵合的復合物包含單體/聚合物組份，無機粒子，及可橋接無機粒子及單體/聚合物的鍵合劑化合物。在與鍵合劑化合物連接的單體情況下，可隨著復合物的形成而形成聚合物。雖然已知在某些情況下，該單位可以是單體或聚合物(例如，二聚物，三聚物或較大聚合物結構)，但是為了簡化表示，與該鍵合劑連接并可以組合成為復合物的單體/聚合物單體通常被稱為聚合物。
鍵合劑化合物具有2個或更多個官能基。該鍵合劑中的一個官能基適于與該無機粒子化學鍵合。化學鍵合廣泛地指具有部分共價性質的鍵合，其具有或不具有極性鍵合，并可以具有配位體-金屬鍵合的性質的同時有不同程度的離子鍵合。官能基的選用取決于無機粒子的組成。該鍵合劑的另一種官能基適于與聚合物進行共價鍵合。共價鍵合廣泛地指具有σ鍵，π鍵，其它非定域共價鍵和/或其它共價鍵合種類，并可以是具有或沒有離子鍵合組份的極化鍵等。最好的鍵合劑包括官能化有機分子。
可根據形成化學鍵合的聚合物/無機粒子復合物的基本構思以形成各種結構。所獲得各結構通常取決于聚合物/單體，鍵合劑及無機粒子的相對量與其合成法本身。鍵合劑也可視為偶合劑或交聯(lián)劑。而且，在某些具體實例中，聚合物-無機粒子復合物及聚合物-無機粒子摻合物可含有許多不同聚合物和/或許多不同無機粒子。同樣，如聚合物-無機粒子摻合物含有許多不同聚合物和/或許多不同無機粒子時，全部聚合物及/或無機粒子可以在復合物內化學性鍵合，或者，只有部分聚合物及/或無機粒子可以在復合物內化學鍵合。若只有部分聚合物及/或無機粒子化學鍵結，則已鍵結的部分可以是該總聚合物及/或無機粒子的無規(guī)部分或特定部分。
為了形成所要的復合物，可通過與一個或多個鍵合劑分子進行化學鍵合。在無機粒子表面上進行無機粒子的改性。該鍵合劑組合物對無機粒子的比率可以是每一個無機粒子一個鍵合劑分子。該鍵合劑分子可以表面修飾無機粒子，亦即使該無機粒子官能化。雖然鍵合劑分子可以與無機粒子鍵合，但是其可以(或未必)在與聚合物鍵合之前先與無機粒子鍵合。其可以首先與聚合物鍵合，然后才與粒子鍵合?；蛘?，其可以同時與聚合物及無機粒子鍵合。
在某些具體實例中，可涂敷鍵合劑以在粒子表面上至少形成單層的重要部分。尤其是，可在該粒子上涂敷至少約20％單層，且在其它具體實例中，可涂敷至少約40％單層。根據所測定粒子的BET表面積，該鍵合劑的使用量可以相當于至高覆蓋相對于該鍵合劑單層的粒子表面的約1/2，1及2。熟悉本技術的一般技術人員應認識到在這些詳述范圍內的其它范圍是預料的，且屬于本發(fā)明范圍內?？筛鶕Ｗ拥臏y定表面積及根據原子半徑的公認值所估計的鍵合劑的分子半徑值計算單層。由于并非全部鍵合劑鍵合，且產生鍵合劑的部分自聚合反應，所以可添加過量鍵合劑。為了計算該覆蓋范圍，可假設鍵合劑能夠與垂直于該表面的粒子鍵合。計算提供涵蓋范圍的估計量。根據實驗可發(fā)現粒子表面上覆蓋范圍可以比從這些計算法所估計的覆蓋范圍更高。由于這些高鍵合劑覆蓋范圍，可推測鍵合劑可以與聚合物形成高交聯(lián)的結構。在各無機粒子上，可形成多分支交聯(lián)結構。
無機粒子可通過鍵合劑化合物鍵合在聚合物結構內，或可以使粒子接枝在聚合物側基。在大多數具體實例中，已鍵合無機粒子可以交聯(lián)聚合物。特別是，大部分具體實例包括單一無機粒子與幾種聚合物基團的星形交聯(lián)。通?？赏ㄟ^以下因素控制復合物的結構，這些因素包括鍵合劑的密度，鍵合劑的長度，偶合反應的化學反應性，聚合物上反應性基團的密度，以及粒子的填充量，聚合物的分子量范圍(亦即，單體/聚合物單位)。在其它具體實例中，聚合物的官能基可在末端位點或側基團處直接與無機粒子鍵合。在這些具體實例中，聚合物的官能基可與用以與無機粒子鍵合的適合鍵合劑官能基相比較。
適于加入復合物內的一些聚合物包括(但不限于)有機聚合物，無機聚合物(例如，聚硅氧烷)及其組合物和其共聚物。如果聚合物是在與該官能化無機粒子反應前形成，則可以選擇聚合物的分子量以改變所得復合物的性質?？蛇x擇或合成該聚合物以包含可以與該鍵合劑化合物的官能基共價鍵結的適合官能基。
承載該官能基的鍵合劑構架通常為一種有機化合物，但是，其也可包含甲硅烷基及/或甲硅烷氧基部分。有機鍵合劑構架可含有任何適合的有機部分，其包括，例如，直鏈或支鏈碳鏈，環(huán)狀碳部分，飽和碳部分，不飽和碳部分，芳香族碳單位，鹵代碳基及其組合物?？梢赃x擇鍵合劑的結構以獲得復合物所要性質。例如，鍵合劑的大小可影響復合物的周期性及自組合性質的控制參數。
只要具有可以與鍵合劑鍵結的端基及/或優(yōu)選為側基，則許多不同類型的聚合物都適合。適合的有機聚合物包括，例如，聚酰胺(尼龍)，聚酰亞胺，聚碳酸酯，聚氨基甲酸酯，聚丙烯腈，聚丙烯酸，聚丙烯酸酯，聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚氯乙烯，雜環(huán)聚合物，聚酯，改性聚烯烴及其共聚物與混合物。使用尼龍聚合物(亦即，聚酰胺)與無機毫微粒子所形成的復合物可稱為NanonylonTM)。適合的聚合物包括在該聚合物主鏈內的共軛聚合物，例如，聚乙炔；在聚合物主鏈內的芳香族聚合物，例如，聚(對-亞苯)，聚(亞苯基亞乙烯基)，聚苯胺，聚噻吩，對聚苯硫，聚吡咯及其共聚物與衍生物。部分聚合物可以于官能性側基團處與鍵合劑鍵結。聚合物本質上可包含所要的官能基，可以經化學改性以導入所要官能基或經與單體單位共聚以導入所要官能基部分。同樣，有些復合物只含有可以鍵合進復合物的單一聚合物/單體組合物。除了不被認為是聚合物的烴鏈(除非在該鏈內具有重復側基團或至少約50個碳-碳鍵)以外，可通過鏈上的3個或更多個重復單位而確認鍵合結構內的聚合物。
以硅基的優(yōu)選聚合物包括聚硅烷，聚硅氧烷(硅酮)聚合物[例如，聚甲基硅氧烷(PDMS)]及其共聚物與混合物以及與有機聚合物的共聚物與混合物。
聚硅氧烷尤其適于形成具有接枝無機粒子的復合物。為了形成這些接枝復合物，聚硅氧烷可以通過氨基及/或羧酸基改性。聚硅氧烷為理想的聚合物，因為對可見光及紫外線具有透明性，具有高熱穩(wěn)定性，抗氧化降解，及具有疏水性。其它無機聚合物包括，例如，磷腈聚合物(磷酸腈聚合物)。
可以與聚合物結合的適合官能基取決于聚合物的官能性質。通常，可根據已知鍵合性質適當地選擇聚合物與鍵合劑的官能基。例如，羧酸基可以與硫醇，胺(伯胺及仲胺)及醇基共價鍵合。作為特定實例的尼龍可含有適于與鍵合劑形成共價鍵合的未經反應羧酸基，胺基或其衍生物。此外，為鍵合到丙烯酸聚合物，可以自丙烯酸或其衍生物形成部分聚合物，以致使丙烯酸的羧酸可以與鍵合劑的胺(伯及仲胺)，醇或硫酸鍵合。該鍵合劑的官能基可以選擇性地只與具有特定組合物的粒子及/或具特定官能基的聚合物鍵合。該鍵合劑的其它適合官能基包括，例如，鹵素，甲硅烷基(-SiR3-xHx)，異氰酸根，氰酸根，硫氰酸根，環(huán)氧基，乙烯基甲硅烷基，甲硅烷基氫化物，甲硅烷基鹵，單-，二-及三鹵代有機硅烷，膦酸根，有機金屬羧酸根，乙烯基，烯丙基及通常為任何不飽和碳基(-R′-C＝C-R″)，其中R′及R″為可以在該結構內鍵合的任何基團。可使用選擇性鍵合以形成具有顯示自組合作用的復合結構。
在聚合物官能基與該鍵合劑官能基進行反應時，初始官能基的本性可并入該已鍵合結構的所形成的或產物官能基內?？尚纬蓮木酆衔镅由斓逆I合。
從聚合物延伸的鍵合可包括，例如，有機部分，甲硅烷氧基，硫化物部分，磺酸根部分，膦酸根部分，胺部分，羰基部分，羥基部分，或其組合物。根據所形成官能基，原有官能基的本性可明顯或可不明顯。通常所形成的官能基可以是，例如，酯基，酰胺基，酸酐基，醚基，硫化物基，二硫化物基，烷氧基，烴基，氨基甲酸酯基團，胺基，有機硅烷基，氫化碘硅烷基，硅烷基，氧硅烷基，膦酸根基團，磺酸根基團或其組合物。
若使用鍵合劑化合物，通?？尚纬梢环N其中聚合物與該鍵合劑鍵合的官能基，并可形成其中該鍵合劑與該無機粒子鍵合的另一種官能基。在無機粒子上，該官能基的確認可取決于特定原子是否與粒子或官能基結合。這只是一種命名法的問題，且不需要考慮該官能基上各特定原子的位置，熟悉本技術人員即可確認所形成的結構。例如，羧酸與無機粒子的鍵合可產生一種包含與該粒子的非金屬/類金屬鍵合的基團；然而，不管該粒子的組成，氧基通常存在于所形成官能基內。最后，一個鍵可延伸至金屬/類金屬原子。
可以與該無機粒子鍵合的適合官能基取決于該無機粒子的性質。在Kinkel等人的名稱“SURFACE-MODIFIED OXIDE PARTICLES AND THEIRUSE AS FILLERS AND MODIFYING AGENTS IN POLYMER MATERIALS，”的美國專利5,494,949號(引入本文以作為參考)中描述使用甲硅烷化劑以鍵合金屬/類金屬氧化物粒子的方法。粒子具有可與該粒子鍵合的經烷氧基改性的硅烷。例如，用于與金屬/非金屬氧化物粒子鍵合的優(yōu)選鍵合劑包括R1R2R3-Si-R4，其中R1，R2，R3為烷氧基，其可以水解并與該粒子鍵合，且R4為適于與聚合物鍵合的基團?？赏ㄟ^縮合反應使三氯硅酸鹽(-SiCl3)官能基與該金屬氧化物粒子表面處的羥基反應。
通常，可以使用硫醇基與金屬硫化物粒子及某些金屬粒子(例如，金，銀，鎘，鋅)結合。羧基可以與其他金屬粒子(例如，鋁，鈦，鋯，鑭，錒)結合。同樣，可預料胺及羥基可以與金屬氧化物粒子及金屬氮化物粒子以及過渡金屬原子(例如，鐵，鈷，鈀，鉑)結合。
與無機粒子鍵合的該鍵合劑官能基的本性也可以由于與無機粒子鍵合的特性而進行改性。無機粒子中的一個或多個原子可包括在形成鍵合劑與無機粒子間的鍵中。若在所形成的鍵合中的一個原子來自鍵合劑化合物或無機粒子，則可以是多義性的。于任何情況下，可以與鍵合劑分子及無機粒子結合所形成得到的或產物的官能基。所形成官能基可以是，例如，鍵合劑與聚合物鍵合所產生的上述各該官能基之一。于無機粒子上的官能基最后可以與一種或多種金屬/類金屬原子鍵合。
在某些具體實例中，聚合物可以使無機粒子摻入聚合物網絡內。這可通過鍵合劑化合物的官能基與聚合物分子的端基反應而預成形。或者，在進行聚合過程時，可以有無機粒子，以致使在形成聚合物結構時，官能化無機粒子可以直接摻入該結構內。在其它具體實例中，可通過使鍵合劑官能基與聚合物側基團上的官能基反應而使無機粒子接枝在聚合物上。在任何一種這些具體實例中，若有足夠鍵合劑分子(亦即足以克服高能能壘并與聚合物形成至少2或更多個鍵合)，則該表面改性/官能化無機粒子可以交聯(lián)聚合物。通常，無機粒子具有許多與粒子結合的鍵合劑。因此，該交聯(lián)作用實際上取決于該聚合物-粒子排列，與分子動力學和化學動力學組合的兩種交聯(lián)基團的統(tǒng)計相互作用。
在某些具體實例中，復合物可通過自裝配作用而形成定域結構?？梢赃x擇復合物的組成和/或結構以誘發(fā)復合物本身的自組合。例如，可以使用嵌段共聚物以使聚合物的不同嵌段分離(其是許多嵌段共聚物的標準性質)。適合的嵌段共聚物包括，例如，聚苯乙烯-嵌段-聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酰胺，聚硅氧烷-嵌段-聚丙烯酸酯及其混合物。這些嵌段共聚物可以改性以包含與該鍵合劑鍵合的適合官能基。例如，聚丙烯酸酯可以水解或局部水解以形成羧酸基，或如果酸基不干擾聚合反應，則在形成聚合物時丙烯酸部分可被用于取代全部或部分丙烯酸物?；蛘?，在丙烯酸酯中的酯基可以用與二醇鍵合的酯或二胺鍵合的酰胺取代，以使該官能基中之一仍然可以與鍵合劑鍵合?？梢允褂镁哂衅渌康那抖渭捌渌愋偷木酆衔锝M合物的嵌段共聚物。
無機粒子可以只與嵌段內聚合物組成中之一結合，以使無機粒子可以與分離嵌段共聚物內的聚合物組成一起分離。例如，AB二-嵌段共聚物可只在嵌段A內包含無機粒子。無機粒子的分離作用的官能性優(yōu)點為可利用無機粒子的性質。同樣，如果無機粒子及對應聚合物具有不同溶劑化性質，可以通過類似嵌段聚合物的不同嵌段，使結合的無機粒子從聚合物分離。此外，該毫微粒子本身可以對聚合物分離以形成自組合的結構。
其它有序共聚物包括，例如，接枝共聚物，蜂窩狀共聚物，星形-嵌段共聚物，枝狀聚合物，其混合物及諸如此類?？梢哉J為全部有序共聚物可以是一種聚合物摻合物，其中各聚合物組份可彼此化學性鍵合。如下文實例所述，也可以使用物理聚合物摻合物并也可具有自組合作用。聚合物摻合物包括化學上有區(qū)別的聚合物的混合物。如上文有關嵌段共聚物的描述，無機粒子可以只與一些聚合物種類的亞組鍵合。物理聚合物摻合物可具有類似于嵌段共聚物的自組合作用。無機粒子的存在足以修飾復合物的性質，使聚合物與無機粒子的相互作用可以與不同于該原有聚合物的其它聚合物種類進行物理性相互作用。特別是，由于小粒子尺寸，所以聚合物-無機粒子摻合物內的毫微粒子的存在可以形成一種對弱場具有靈敏性的摻合物。這種靈敏性用于形成各種器件時是有利的。利用小粒子的方法通?？煞Q為軟物質方法。
不論該自組合機制，部分自組合的復合物包含可以與在超結構或超晶體結構中的周期性一致的毫微粒子，也就是，晶狀粒子的周期性排列。由于粒子的有序結構粒子本身可以是晶狀或不是晶狀，但是仍具有性質。如下文進一步所述，光子晶體可利用這些晶體超結構。
聚合物-無機粒子復合物的具體實例在Kambe等人的，名稱為“Polymer-Inorganic Particle Composites，”的待審申請中且稱為美國專利申請案第09/818,141號(列入本文以作參考)中有進一步描述。
無機粒子通常，可以使用任何適合的無機粒子以形成摻合物。在某些具體實例中，該粒子的平均直徑不超過約1微米。對某些相關應用，可選擇粒子的組成以使該復合物具有所要性質。因此，在形成，例如，光學材料時，聚合物及無機粒子的光學性質都很重要。根據無機粒子與聚合物的折射率對很高的粒子填充量的重量的重量比，可預知復合物材料的折射率大約為其線型組合。
可通過，例如，激光熱解法，火焰合成法，燃燒法，溶膠凝膠方法形成適合的毫微粒子。特別是，可使用激光熱解法以形成在組成，結晶性及大小方面都具高度均勻性的粒子。激光熱解法包括從密集光源產生可誘發(fā)該反應以形成該粒子的光。激光熱解法為一種能有效產生寬范圍的具有選定組成及窄分布平均粒子直徑的毫微粒子?；蛘撸梢允褂没鹧姘l(fā)生裝置(例如，在Helble等人，名稱為“Apparatus for Producing Nanoscale Ceramic Particles，”的美國專利第5,447,708號(引入本文以作參考)中所述的裝置)以制備亞微米粒子。而且，可以使用熱反應室(例如，在Inoue等人，名稱為“Ultrafine SphericalParticles of Metal Oxide and a Method for the Production Thereof”的美國專利第4,842,832號(列于本文以作參考)中所述的裝置)以制備亞微粒子。此外，可以使用各種基于溶液的方法(例如，溶膠凝膠方法)以產生亞微粒子。
可通過基于輻射的熱解法(例如，激光熱解法)以形成高均勻粒子，可以使用激光熱解法以形成具有各種可選擇組成的亞微粒子(其具極均勻的性質)。為方便起見，基于激光的熱解法被稱為激光熱解，因為這術語可反映以激光作為輻射源的方便性。文中所述的激光熱解法可合并一種反應物流(其可包括蒸汽，氣溶膠或其組合物)以將所要元素導入液流內。產生具有蒸汽及/或氣溶膠前身的反應物流的各種用途可以產生具有寬范圍的可能組成的粒子。
小粒子對形成小結構及平滑表面具有處理優(yōu)點。此外，小粒子具有光學應用所要的性質，其包括，例如，移位的吸收光譜及減少散射性(其導致降低散射損失)。因此，由于其尺寸小，所以小粒子具有可觀測的量子效應，其可影響對應聚合物-無機粒子摻合物的光學性質。
亞微的/毫微粒子的聚集物所含的原粒子的平均直徑小于約500毫微米，優(yōu)選約2毫微米至約100毫微米，或約2毫微米至約75毫微米，或約2毫微米至約50毫微米。熟悉本技術的一般技術的人應認識到文中該公開的內容包括這些特定范圍內的其它范圍?？赏ㄟ^透射式電子顯微鏡估計粒子的直徑。
原粒子可具有約球狀的粗大外觀，或其可具有棒狀形狀，板狀形狀，或其它非球狀形狀。在更嚴密檢查時，晶狀粒子通常具有相當于該基本晶格的小平面。非晶形粒子通常具有球形狀態(tài)。測定具有不對稱粒子直徑的方法是根據沿著該粒子的主軸所測得的長度的平均值。
由于其尺寸小，原粒子由于附近粒子間的范德華力及其它電磁力，而易于形成松弛的附聚物。根據原粒子，這些附聚物可以大量分散在分散劑內，且在某些具體實例中，基本上可完全分散以形成分散的原粒子。已分散粒子的大小可被稱為二級粒子大小。就特定粒子的聚集體而言，該原粒子大小，當然為二級粒子大小的下限，因此平均二級粒子大小優(yōu)選約為平均原粒子大小。二級或附聚粒子大小可取決于粒子在初形成后的后續(xù)處理及粒子的組成和結構。在某些具體實例中，二級粒子的平均直徑不超過約1000毫微米，在其它具體實例中，則不超過約500毫微米，在又另外具體實例中，約2毫微米至約300毫微米，在其它具體實例中，約2毫微米至約100毫微米，或者約2毫微米至約50毫微米。熟悉本技術的一般人員應理解包括這些特定范圍內的其它范圍，其屬于本發(fā)明范圍?？赏ㄟ^已知方法(例如，動態(tài)光散射)測定液體分散液內的二級粒子大小。適合的粒子大小分析器包括，例如，基于動態(tài)光散射的Microtrac UPA儀器(得自Honeywell)，得自日本，Horiba的Horiba Particle Size Analyzer，以及基于Photon Correlation Spectroscopy的ZetaSizer系列儀器(得自Malvern)。用以在液體中測定粒子大小的動態(tài)光散射的原理已很好地建立。
縱使粒子可形成松弛的附聚體，在粒子的電子透射顯微照片中仍然可清楚觀察到毫微米規(guī)模的原粒子。如顯微照片中觀察到，粒子的表面積通常相當于毫微米級的粒子。而且，由于其尺寸小且每一材料重量的大表面積，所以粒子可具有獨特的性質。例如，如下文各該實例所述，結晶狀，納米級TiO2粒子的吸收光譜可位移。
原粒子的大小具高度均勻性。激光熱解法通常可產生具有很窄范圍的粒子直徑的粒子。而且，在適當溫和的條件下進行熱處理并不會改變很窄范圍的粒子直徑。若使用氣溶膠傳遞各反應物以進行激光熱解，粒子直徑的分布對于反應條件特別敏感。然而，若適當控制反應條件，使用氣溶膠傳遞系統(tǒng)可獲得很窄分布的粒子直徑。如由電子透射顯微照片的測定，該原粒子的大小分布通?？梢允怪辽偌s95％(且較佳99％)的原粒子的直徑大于約40％的平均直徑并小于約160％平均直徑。該原粒子的直徑分布優(yōu)選是使至少約95％(且優(yōu)選99％)的原粒子的直徑大于約60％的平均直徑并小于約140％的平均直徑。熟悉本技術的一般人員應理解這些特定范圍內的其它范圍都包括在本文中所公開的內容內。
而且，在優(yōu)選的具體實例中，原粒子的平均直徑都不大于平均直徑的約4倍，且優(yōu)選不大于平均直徑的3倍，更佳不大于平均直徑的2倍。換言之，該粒子大小分布實際上并沒有具有明顯較大尺寸的少數粒子的拖尾。這是小反應區(qū)域及粒子的對應快速中止反應的結果。大小分布的尾部的有效截止表示在106個粒子中有少于約1個粒子具有大于超過該平均直徑的特定截止值的直徑。高的粒子均勻性可用于各種應用上。特別是，高的粒子均勻性可產生控制良好的光學性質。
此外，可并入摻合物內的毫微粒子可以具有很高的純度。而且，結晶狀毫微粒子(例如，由激光熱解法所制造的粒子)可具有高結晶度。同樣，使通過激光熱解法所產生的結晶狀毫微粒子可接著經熱處理以改良及/或修飾該結晶度及/或特定晶體結構?？赏ㄟ^加熱粒子以移除粒子表面上的雜質，不僅可獲得高結晶純度，而且可獲得高的總純度。
成功地應用激光熱解法以制備所要的無機毫微粒子的基本特征是產生一種含有一種或多種金屬/類金屬前身的化合物，輻照吸收劑，并且，在某些具體實例中的第二種反應物的反應物流。第二反應物可以是所要產物所需的非金屬/類金屬原子源(例如，氧)和/或可以是一種可以驅使所要產物形成的氧化劑或還原劑。在密集光輻照下如果前身可分解成為所要產物，則不需要第二種反應物。同樣，若金屬/類金屬前身及/或第二種反應物可吸收適合光輻射，則不需要個別輻射吸收劑?？赏ㄟ^密集輻射光束(例如，光束，如，激光光束)驅動反應物流的反應。當反應物流離開輻射光束時，粒子可快速中止反應。
已研發(fā)通過使用反應物進口管(其沿著激光光束的路徑方向顯著地延伸)的激光熱解法開發(fā)一種用于制造可大量生產的粒子的激光熱解裝置。該高容量激光熱解裝置(例如，每一小時生產1公斤或更多)在名稱為“EfficientProduction Of Particles By Chemical Reaction”的美國專利5,958,348號(列于本文以作參考)中有描述。用于傳送可通過激光熱解法大量制造粒子的氣溶膠前身的方法在Gardner等人的名稱為“Reactant Delivery Apparatus，”的待審申請的美國專利第6,193,936號(其以引用方式并于本文)中有描述。
通常，通過激光熱解法所制成的毫微粒子進行額外處理以改變粒子的性質，例如，組成及/或結晶性。例如，可以在使用前，使毫微粒子在氣體下進行熱處理。于適當溫和條件下，熱處理能有效修飾粒子的特性且不會破壞初始粒子的毫微規(guī)模大小或該窄的粒子大小分布。例如，亞微氧化釩粒子的熱處理描述于Bi等人，名稱為“Processing Of Vanadium Oxide Particles WithHeat，”的美國專利第5,989,514號(列于本文以作參考)中。
已通過激光熱解法(使用或不使用另外的熱處理)制成寬范圍的簡單及復雜的亞微米及/或納米級粒子。在用于形成聚合物-無機粒子摻合物的特別有關的具體實例中，無機粒子通常包含呈其元素型式或化合物型式的金屬或類金屬元素。具體地，該無機粒子可包括，例如，元素金屬或元素類金屬，亦即，非離子化元素，例如，銀，硅；金屬/類金屬氧化物；金屬/類金屬氮化物；金屬/類金屬碳化物；金屬/類金屬硫化物或其組合物。此外，可制備毫微粒狀的碳材料。也已制成具有三元及四元化合物的復雜系統(tǒng)。此外，這些高質量材料的均勻性很重要。如上述，這些粒子通常具有很窄的粒子大小分布。多類型毫微粒子的可用性可以使毫微粒子與聚合物間的可能組合物明顯增加。
就粒子的電性質而言，某些粒子含有諸如可以使該粒子成為電導體，電絕緣體或電半導體的組合物。適合的電導體包括，例如，元素金屬及一些金屬組合物。電導體(例如，金屬)的室溫電阻率通常不超過約1×10-3歐姆-厘米(Ohm-cm)。電絕緣體的室溫電阻率通常為至少約1×105歐姆-厘米。電半導體包含，例如，硅，CdS及InP。可將半導體晶體分類，而包括所謂II-VI化合物，III-V化合物及IV族化合物，其中該數字是指元素周期表中的族。半導體的特征以純的形式而隨著溫度增加導電性，且一旦摻雜電活性雜質時，可隨著數量級增加導電性。半導體通常具有導致觀測的導電性性質的帶隙。于室溫下，半導體的導電性通常在金屬導電度與良好電絕緣體導電度之間。
可通過激光熱解法產生幾種不同類型的毫微級粒子。如文中使用，無機粒子包含碳粒子作為碳質固體，例如，富勒烯(fullerenes)，石墨，碳墨。用于光反應性沉積作用的此種毫微級粒子通?？勺鳛楹环N具有多個各種相對比例存在的不同元素的組合物，其中根據使用毫微級粒子以選擇該元素的數量及相對比例。已制成(或許使用另外處理方法，例如，熱處理)或已詳述可通過激光熱解法制成的材料包括，例如，碳粒子，硅，非晶形SiO2，摻雜的SiO2，晶狀二氧化硅，氧化鈦(銳鈦礦及金紅石TiO2)，MnO，Mn2O3，Mn3O4，Mn5O8，氧化釩，氧化釩銀，氧化錳鋰，氧化鋁(γ-Al2O3，δ-Al2O3，θ-Al2O3)，摻雜的-結晶狀及非晶形氧化鋁，氧化錫，氧化鋅，稀土金屬氧化物粒子，稀土摻雜的金屬/類金屬氧化物粒子，稀土金屬/類金屬硫化物，稀土摻雜金屬/類金屬硫化物，銀金屬，鐵，氧化鐵，碳化鐵，硫化鐵(Fe1-xS)，氧化鈰，氧化鋯，鈦酸鋇(BaTiO3)，硅酸鋁，鈦酸鋁，碳化硅，氮化硅，及具有絡合陰離子(例如，磷酸根，硅酸根，硫酸根)的金屬/類金屬化合物。特別是，許多適于制造光學材料的材料可通過激光熱解法制成。通過激光熱解及相應沉積作用制備可作為具有各種組合物的涂料的方法描述于Bi等人，名稱為“ThreeDimensional Engineering of Optical Structures，”的待審申請并稱為美國專利申請第10/027/096號(其以引用方式并于本文)中。
可以使用激光熱解法及其它流動式反應器系統(tǒng)，以選擇的摻雜劑制成亞微米及毫微級的粒子。可以使用含多種選擇的摻雜劑的復合組合物以形成非晶形粉末及晶狀粉末?？梢允褂梅勰┮孕纬晒鈱W材料及諸如此類。非晶形亞微米及毫微規(guī)模粉末與具有摻雜劑(例如，稀土雜摻劑和/或其它金屬雜摻劑)的玻璃層描述于Home等人，名稱為“Doped Glass Materials，”的待審申請且稱為美國臨時專利申請案第60/313,588號(其以引用方式并于本文)中。具有摻雜劑(例如，稀土雜摻劑)的結晶狀亞微米與毫微級粒子已描述于Kumar等人，名稱為“High Luminescence Phosphor Particles，”的待審申請且稱為美國專利申請案第09/843,195號(列入本文以作參考)中。
可以導入所要量的摻雜劑以改變反應物流的組成?？赏ㄟ^適當選擇反應物流中的組成及處理條件以將摻雜劑導至適合宿主材料內。因此，可以形成加入一種或多種金屬或類金屬元素(作為主組合物)及選擇的摻雜劑(其包括，例如，稀土雜摻劑和/或雜摻劑組合物的復合摻合物)的亞微米粒子。對于其中主材料為氧化物的具體實例，氧源亦應該存在于該反應物流中。就這些具體實例而言，反應器中的條件應該可充分進行氧化以產生氧化物材料。
而且，可以引入摻雜劑以改變所形成粒子的性質。例如，可以導入摻雜劑以改變該粒子的折射率，然后將粒子并入聚合物-無機粒子摻合物內。就光學應用而言，可以改變折射率以形成可使用選擇頻率范圍的光操作的特定光學裝置。也可以導入摻雜劑以改變該材料的處理性質。而且，摻雜劑也可以在材料內相互作用。例如，可導入一些摻雜劑以增加其它摻雜劑的溶解性。
在某些具體實例中，一種或多種摻雜劑為稀土金屬或具有一種或多種其它摻雜劑元素的稀土金屬。稀土金屬包含元素周期表IIIb族的過渡金屬。具體地，稀土元素包含Sc，Y及鑭系。其它適合摻雜劑包含錒系元素。就光學玻璃而言，作為摻雜劑的特別重要的稀土金屬包含，例如，Ho，Eu，Ce，Tb，Dy，Er，Yb，Nd，La，Y，Pr及Tm。雖然Eu+2及Ce+4也重要，但是一般而言，重要的稀土離子具有+3離子化態(tài)。稀土摻雜劑可影響光吸收性質，因此可改變材料用于制備光學放大器及其它光學器件的應用。適于光學玻璃的非稀土金屬摻雜劑包含，例如，Bi，Sb，Zr，Pb，Li，Na，K，Ba，B，Ge，W，Ca，Cr，Ga，Al，Mg，Sr，Zn，Ti，Ta，Nb，Mo，Th，Cd及Sn。
此外，就光學玻璃形成而言，適于氧化鋁的金屬氧化物摻雜劑包括氧化銫(Cs2O)，氧化銣(Rb2O)，氧化鉈(Tl2O)，氧化鋰(Li2O)，氧化鈉(Na2O)，氧化鉀(K2O)，氧化鈹(BeO)，氧化鎂(MgO)，氧化鈣(CaO)，氧化鍶(SrO)及氧化鋇(BaO)。氧化鋁雜摻劑可影響，例如，該玻璃的折射率，固結溫度和/或孔隙率。適于紅外線發(fā)射體的金屬氧化物摻雜劑包含，例如，氧化鈷(Co3O4)，Er2O3，CrO2，Tm2O3，Nd2O3，Yb2O3，Pr2O3，Dy2O3及Ho2O3。
如上所述，已使用激光熱解法以制備一些粉末組合物。該組合物可包含多金屬/類金屬元素。也提供關于某種這些粉末材料的參考試樣實例。
作為毫微粒子生產的第一實施例，制備氧化硅毫微粒子描述于Kumar等人，名稱為“Silicon Oxide Particles，”的待審申請且稱為美國專利申請案第09/085,514號(列入本文以作參考)中。該專利申請案描述非晶形SiO2的制法。
通過激光熱解合成的碳化硅及氮化硅的方法描述于Reitz等人，1999年11月5日申請，名稱為“Particle Dispersions”的待審申請且稱為美國專利申請09/433,202號(引入本文以作參考)中。通過激光熱解制備硅粒子的方法描述于J.of the Americam Ceramic Society，第65冊，第7期，330-335頁(1982年)由Cannon等人的名稱為“Sinterable Ceramic Particles From Laser-DrivenReactionsII，Powder Characteristics And Process Variables，”的文章(引入本文以作參考)中。
氧化鈦毫微粒子及晶狀二氧化硅毫微粒子的制法描述于Bi等人的名稱為“Metal(silicon)Oxide/Carbon Composites，”的待審申請且稱為美國專利申請案第09/123,255號(引入本文以作參考)中。更特別是，申請案描述銳鈦礦及金紅石TiO2的制法。氧化鋁毫微粒子的制法描述于Kumar等人，名稱為“Aluminum Oxide Particles，”的待審申請且稱為美國專利申請案第09/136,483號(列入本文以作參考)中。更具體地說，本申請案公開了γ-Al2O3的制法。具有氣體傳輸的充份蒸汽壓的鋁前身，包括，例如，仲-丁氧化鋁(Al(OC4H9)3)。也可使用許多適合的固態(tài)鋁前身化合物，其包括，例如，氯化鋁(AlCl3)，乙氧化鋁(Al(OC2H5)3，異丙基氧化鋁(Al[OCH(CH3)2]3)。
而且，如Kumar等人，名稱為“Composite Metal Oxide Particles，”的待審申請且通稱為美國專利申請案第09/188,768號及Kumar等人，名稱為“Reaction Methods for Producing Ternary Particles，”的美國專利申請第09/334,203號與Horne等人的名稱為“Lithium Manganese Oxides andBatteries，”的美國專利第6,136,287號(全部3種專利資料都列于本文以供參考)所述，已經通過激光熱解法及使用或未使用后續(xù)加熱處理步驟而制備混合金屬氧化物毫微粒子。形成含有配位陰離子的金屬/類金屬化合物的亞微米及毫微規(guī)模粒子方法描述于Chaloner-Gill等人的名稱為“Phosphate PowderCompositons And Methods For Forming Particles With Complex Anions，”的待審申請并稱為美國專利申請案第09/845,985號(列入本文以作參考)中。適合的配位陰離子包括，例如，磷酸根，硅酸根及硫酸根。
聚合物-無機粒子摻合物的形成摻合物的形成包括使粒子分布在聚合物材料內，以致使所形成的摻合物形成一種單一材料?？梢栽诹Ｗ蛹熬酆衔锊牧辖M合前或在有無機粒子或其部分組合物存在下進行聚合。用于形成特定摻合物的方法通常取決于粒子是否簡單地分散在呈混合物型式的聚合物基質粘合劑內，或至少部分粒子是否與以復合物型式的聚合物共價性鍵合。用于形成摻合物的方法可包括分散無機粒子(尤其用于形成復合物的方法)。若形成復合物，可以使用鍵合劑分子以連接聚合物及無機粒子?？梢赃x擇鍵合鍵合劑，無機粒子及聚合物的順序以得到合適的制法。
形成粒子分散體的方法是準備分離各粒子，以使各粒子可充分分散在所形成的摻合物內。分散體的使用可產生一種更均勻的摻合物使其所含粒子幾乎均勻地分布遍及摻合物?？梢赃x擇溶劑，pH，離子強度及添加物以改良粒子的分散性。粒子的優(yōu)選分散性及分散液的穩(wěn)定性有助于減少在所形成摻合物中的粒子的附集作用。
然而，在另一具體實例中，可以將該粉末磨碎或直接與聚合物混合以使粒子分散遍及聚合物。可以在有或沒有溶劑/分散劑的存在下，進行混合?？梢允褂?，例如，工業(yè)用混合機或研磨機以形成粒子-聚合物混合物?？梢允褂脽幔瑝毫?或溶劑/分散劑的移除以使粒子結合在聚合物混合物內，其中該聚合物可作為粘合劑。除非在形成該混合物時及之前，該粒子可充分分散，否則，雖然混合物中粒子高填充量，但粒子呈高度聚集狀態(tài)。
在某些具體實例中，粒子分散體的形成可以是方法的不同步驟?？沙浞址稚⒘Ｗ尤绾廖⒘Ｗ拥木奂w以便均勻導入聚合物摻合物例如，復合物內。液相粒子分散體可提供能夠用以形成所要摻合物結構的小的二級粒子源。無機粒子的液態(tài)分散體的所要質量通常取決于粒子的濃度，分散體的組成及該分散體的形成方法。具體地，分散度本質上取決于粒子間的相互作用，粒子與液體的相互作用，粒子的表面化學性質。適合的分散劑包括，例如，水，有機溶劑例如，醇類及烴類及其組合物。適合分散劑/溶劑的選擇通常取決于粒子的性質。就制備均勻復合物而言，該分散度及分散體的穩(wěn)定性是很重要的特性，且其不會受顯著附聚粒子的大影響。
通常，液態(tài)分散體是指粒子濃度不超過約80重量％的分散體。對于形成粒子分散體，特定粒子濃度取決于所選擇的應用。在大于約50重量％的濃度下，相對于表征更稀釋的粒子分散體特性的參數而言，對所得粘性摻合物的形成及特征，不同因素很重要。粒子的濃度可影響粘度，并可影響分散體方法的效力。特別是，雖然使用剪切力有助于粒子分散，但是高粒子濃度可增加粘度，因此難以分散粒子以獲得小的二級粒子大小。
由于許多聚合物可溶于有機溶劑內，所以許多具體實例包括形成非水性分散體。此外，水基分散體可包含另外組成，例如，表面活化劑，緩沖劑，鹽。就特定粒子而言，可通過改變pH及/或離子強度以調整分散體的性質?？赏ㄟ^添加惰性鹽(例如，氯化鈉，氯化鉀或諸如此類)以改變離子強度。鍵合劑的存在可影響分散體的性質和穩(wěn)定性。pH通?？捎绊懸逊稚⒘Ｗ拥谋砻骐姾?。液體可以溶劑型相互作用型式在該粒子上施加物理/化學力，這有助于粒子的分散。溶劑化型互相作用可以具有高能性及/或熵性。
分散體的性質通常取決于形成分散體的方法。分散體中，除了由分散體的分散劑及其它化學物所施加的化學/物理力以外，可以使用機械力以分離原粒子，它通過鄰接粒子間的范德華力及其它短短電磁力而結合在一起。特別是，施加至分散體的機械力的強度及持續(xù)時間可大大影響分散體的性質?？梢栽谌軇﹥确稚⒅?，施加機械力至粉末。或者，可以在粉末(或多種粉末)及液體(或多種液體)組合后，使用機械力(例如，剪切力)以進行混合，攪動，射流碰撞及/或超音波處理。若原粒子間的附聚力愈分裂，則可獲得愈小的二級粒子大小。
在使用分散體以形成具有均勻性質的摻合物時，小的二級粒子大小(例如，接近該原粒子大小)的存在可產生明顯的優(yōu)點。例如，較小的二級粒子大小，及一般而言，小的原粒子大小皆有助于使用摻合物以形成具有較平滑和/或更小且更均勻的結構。在形成涂層時，可以使用具有較小二級粒子的無機粒子分散體所形成的摻合物以形成較薄且較平滑涂層。
一旦形成分散體時，該分散體最后分離，以致不需要連續(xù)機械攪拌或攪動，粒子可聚集在容器底部上。穩(wěn)定的分散體不會是為從分散體分離出來的粒子。不同分散體具有不同穩(wěn)定性。分散體的穩(wěn)定性取決于粒子的性質，分散體中的其它組成，用于形成分散體的處理方法，及穩(wěn)定劑的存在。適合的穩(wěn)定劑包括，例如，表面活化劑。在某些具體實例中，分散體具有適當穩(wěn)定性，以致雖然可以使用可形成摻合物的適合處理(其包括恒定的混合或諸如此類)以避免該粒子分散體分離，但是在進行形成摻合物的后續(xù)處理步驟時，可使用分散體而沒有明顯的分離。
對于復合物的形成，在形成粒子分散體時或其后，使分散體與鍵合劑分子及/或聚合物相互作用。為了形成所要的復合物，可通過與一個或多個鍵合劑分子化學鍵合而修飾無機粒子的表面。通常，對包含鍵合劑的具體實例，該鍵合劑是溶于用于形成無機粒子分散體及/或聚合物分散體的液體內，因此當從溶液鍵合時，鍵合劑實質上是均勻溶解。用于組合粒子分散體及聚合物分散體/溶液的條件適于在鍵合劑，無機粒子及聚合物之間形成鍵?？梢赃x擇添加鍵合劑至無機粒子及聚合物內的順序以獲得所要處理的效力。一旦已使用充分時間以完成復合物的各組份間的鍵合時，可進一步處理該復合物。
鍵合劑組合物與無機粒子的比率優(yōu)選為每一個無機粒子至少一個鍵合劑分子。鍵合劑分子可使無機粒子表面改性，即，使無機粒子官能化。在鍵合劑分子與無機粒子鍵合時，其不一定要在與聚合物鍵合前與無機粒子鍵合。其可以首先與聚合物鍵合，然后只與粒子鍵結?；蛘?，可以摻合各組份致使鍵合劑與聚合物及粒子間的鍵合可同時發(fā)生。
鍵合劑化合物及聚合物/單體/單體組份可以同時或連續(xù)添加至具有粒子分散體的液體內?？梢赃x擇組合各組份的順序以獲得所要結果。液體內的條件優(yōu)選適于與鍵合劑形成鍵及可能包括與聚合物/單體組份形成的其它鍵。一旦形成復合物時，可以移除或固化液體以留下由復合物所形成的結構。
聚合物/單體組合物可形成一種溶液/分散液，然后添加至無機粒子分散體內，或可以以固體型式將聚合物/單體添加至粒子分散體內。在優(yōu)選具體實例內，聚合物/單體組合物可溶于用于形成粒子分散體的液體內。如聚合物/單體不溶于/不分散于粒子分散體內，則可將聚合物/單體溶液或粒子分散體緩慢添加至另一個內，同時混合以進行反應。聚合物/單體是否首先從無機粒子分散體溶劑化分離可取決于聚合物/單體溶劑化的動力學并取決于各溶液/分散體的所要的濃度。同樣，鍵合動力學可影響混合程序的順序及細節(jié)。
在某些具體實例中，需要使反應條件和/或催化劑或諸如此類的存在以誘發(fā)鍵合劑與無機粒子和/或聚合物/單體的反應。在這些具體實例中，可以生成混合物組份，然后調整添加催化劑步驟的反應條件。因此，可以先形成充分混合的溶液/分散體，然后調節(jié)反應條件或該催化劑的添加步驟以形成更均勻復合物。
加入聚合物-無機粒子摻合物的結構雖然摻合物可形成游離固定結構，但是相關的結構可以在聚合物-無機粒子摻合物與另一種材料之間有界面。在界面處的其它材料本身可以是或不是聚合物-無機粒子摻合物。界面可沿著平面表面，沿著延伸材料的邊緣及/或沿著其它種類的表面(簡單或復雜表面)。在某些相關的具體實例中，聚合物-無機粒子摻合物是光學材料。在這些具體實例中，其它材料也可以是光學材料，因此界面為光學界面。可以將界面加入特定結構內以形成相關器件。
參考圖1，結構100包括聚合物-無機粒子摻合物的第一層102及第二材料的第二層104。于界面106處，第一層102與第二層104接觸。雖然可形成簡單或復雜形態(tài)的其它非平面界面，但是在本具體實例中，界面106是平面的?？梢詮木酆衔?無機粒子摻合物及/或其它材料形成附加層。具體地，結構可包括3層或更多層，且其鄰接層可具有相同或不同組成。若鄰接層都是聚合物-無機粒子摻合物，則各該層的聚合物，無機粒子及/或粒子填充量可不同。特別是，鄰接層可具有不同粒子填充量，以調整該鄰接材料間的折射率差異。層內的光學性質取決于該折射率以及尺寸(例如，厚度)。如圖1所示，平面結構具有以二維表示的長度，其大于沿著兩個延伸維垂直的一維的厚度至少一個數量級(亦即，10因數)。
參考圖2，結構112具有含聚合物-無機粒子摻合物的第一材料114及第二材料116。第一材料114及第二材料116沿著其邊緣形成界面118。該邊緣具有小于結構延伸長度維至少一個數量級的至少一維。圖3描述一種更復雜結構。結構124包括含有聚合物-無機粒子摻合物的第一材料126，第二材料128，第三材料130。第一材料126，第二材料128，第三材料130于界面132，134，136，138處彼此接觸?？尚纬珊酆衔?無機粒子摻合物的各種其它結構，包括，例如，在鄰接材料之間具有對應復雜界面的更復雜結構和/或具有可形成遍及該結構的光路界面網絡的結構。
一般而言，該相關結構內的材料之一含有聚合物-無機粒子摻合物。摻合物的各組份適合相對比例及組成已在上文詳述?？筛鶕Y構內材料的所要性質(例如，折射率)選擇特定組成。聚合物-無機粒子摻合物可以是混合物或復合物。假定使用適當方法以形成復合物，則聚合物-無機粒子復合物通常比混合物更穩(wěn)定并更分散性的無機粒子。此外，聚合物-無機粒子摻合物材料還可包含，例如，其它聚合物，例如，有機或無機聚合物粒子和/或非聚合物，非粒狀性質改性劑，例如，粘度改性劑，抗氧化劑，增塑劑，染料及諸如此類。
聚合物-無機粒子復合物也可含有不與無機聚合物鍵合的聚合物或不與已經和無機粒子鍵合的聚合物交聯(lián)的聚合物。這些非鍵合聚合物的化學組成可以或不可與已和復合物的無機粒子鍵合的聚合物相同。同樣，除了鍵合的無機粒子外，聚合物-無機粒子復合物可包含非鍵合的無機粒子。非鍵合的無機粒子可以具有或不具有與該鍵合粒子相同的性質，例如，組成，結晶性，平均大小，大小分布。
結構中的其它材料(多種材料)也可以或不可以是聚合物-無機粒子摻合物。例如，其它材料可以是聚合物或非聚合物無機材料。具體地，聚合物可以是或不是鄰接聚合物-無機粒子摻合物中所使用的相同聚合物。適于加入該結構內的聚合物包括，例如，如上述可加入該摻合物內的聚合物。這些不形成摻合物的聚合物可以與添加物(例如，粘度改性劑，增塑劑，抗氧化劑，染料及諸如此類)組合。當將聚合物置于鄰接聚合物-無機粒子摻合物時，鄰接層中聚合物及無機粒子的性質通常可決定界面的性質。關于界面處的其它材質，適合的非聚合物無機材料包括，例如，元素金屬，金屬合金，金屬/類金屬組合物，碳材料(例如，石墨，非晶形碳)及諸如此類。非聚合物無機材料包括不與線型聚合物單位共價鍵合的晶狀及非晶狀組合物。對光學結構的形成，適合的無機材料包括，例如，TiO2，SiO2，GeO2，Al2O3，P2O5，B2O3，TeO2，及其組合物，混合物與其摻雜的形式?？梢栽诠鈱W結構內使用非線型光學材料例如，氧化鋅，KTaO3，K(Ta，Nb)O3，YVO4。硫化鎘(CdS)，硒化鎘(CdSe)，磷化銦(InP)，鈮酸鋰(LiNbO3)，鈦酸鋇(BaTiO3)以調制波長，例如，產生入射光的諧波，和/或對光的雙穩(wěn)態(tài)或開關功能作為得自非線型功率反應的光功率的函數，它在部分光學器件是需要的。可以使用摻雜劑以增加非線型光學材料的性能。適于以氣溶膠輸送進激光熱解裝置內的鎘前身包括，例如，CdCl2及Cd(NO3)2，且適于以氣溶膠輸送至激光熱解裝置內的銦前身包括，例如，三氯化銦(InCl3)。此外，由于導致逆轉對稱性損失的缺陷，小結晶狀毫微粒子(例如，不超過約20毫微米)可具有非線型性質。由于小粒子大小，可增強這些對稱性斷裂效應。因此，可以使用小毫微粒子(例如，晶狀硅)以有利于非線型光學效應。對于光學應用，最好使用具有大的二級及/或三級電的極化率(X(2)及X(3))的材料以獲得較大光學非線型效應。
結構中的一種或多種材料可以是光學材料。特別是，可以將一種或多種光學材料摻入結構內，以致使結構成為一種光學結構。光學結構可并入一種或多種光學器件可使用該器件以發(fā)送或操縱結構內的光。如文中所用，光學材料包括可發(fā)送具有選定波長的光且由于散射及吸收而可降低光損失的材質。特別是，對于傳輸應用，雖然所要的材料具有明顯較低傳播損失，但是在紅外線，可見光或紫外線的特定波長，光學材料的傳播損失為在1厘米內不超過約20％。有用的光學材料可以在某些波長處進行吸收，并于另一些波工處進行傳送。例如，放大器材料可以在紫外線和/或可見光內進行吸收，并在可見光或紅外線內進行傳送。在其它具體實例中，在通過吸收或電激勵而激發(fā)時，光學材料可以在所要的頻率傳送。因此，可以將磷光體及諸如此類加入聚合物-無機粒子摻合物內。毫微粒子磷光體描述于Kumar等人，名稱為“High Luminescent Phosphors，”的待審申請且稱為美國專利申請第09/843,195號(列于本文以作參考)中。在某些具體實例中，磷光體包括主晶或基質及少量活化劑。適以形成磷光體的主材料包括，例如，ZnO，ZnS，Zn2SiO4，SrS，YBO3，Y2O3，Al2O3，Y3Al5O12及BaMgAl14O23。一般而言，可使用重金屬離子或稀土離子作為活化劑。
特別是，在某些相關具體實例中，聚合物-無機粒子摻合物為光學材質。通常，可適當選擇聚合物及無機粒子的組成以形成具有所要求的光學性質的光學材料。同樣，可選擇粒子填充量以得到所得的摻合物的所要的光學性質。
在優(yōu)選具體實例中，摻合物是一種在處理成所要結構時可以具有以高粒子填充量的所要穩(wěn)定程度的復合物。
聚合物-無機粒子摻合物可以提供廣范圍的連續(xù)的折射率選擇。通過無機粒子與聚合物的折射率的重量比可預測摻合物的折射率通常約為線性組合。
在以粒子填充量為函數的折射率依存性中的任何非線性可根據折射率的測定值而經驗性估計。為了形成高折射率材料，通常使用以適當選擇高折射率的無機粒子的高粒子填充量。因此，該純聚合物通常可以提供對摻合物的折射率下限。對作為粒子填充量的變數的摻合物，折射率上限為最高粒子填充量時的折射率值。具體地，TiO2的高折射率值范圍通常為約2.5至約2.9。例如，InP及其它磷化物的折射率大于3。SiO2通常具有約1.45至約1.5的相當低的折射率。適合的聚合物通常具有約1.3至約1.6的低折射率。因此，可以形成折射率至高2.7或更高的聚合物-無機粒子摻合物。由于在聚合物-無機粒子摻合物與聚合物或另外聚合物-無機粒子摻合物之間具有界面，所以折射率的差異可以如所需那樣小，或在某些具體實例中，該差異為0.001至約1.5或更高。
相對于使用較大的無機粒子時用的對應摻合物的光學性質，在摻合物內使用毫微粒子有利于光學材料具有較高透明性及減少光散射。毫微粒子尤其對減少電磁波譜的紅外線部分包括約0.8微米至約5.0微米的波長的散射現象有效。因此，用毫微粒子所形成聚合物-無機粒子摻合物同樣具有較低散射現象。
對于聚合物-無機粒子材料為光學材料的具體實例，在界面處的鄰接材料也可以是光學材料，以致可形成光學界面。在界面處的另一種光學材料可以是聚合物，聚合物-無機粒子摻合物或均勻無機材料。尤其可使用聚合物以形成低折射率材料?？墒褂镁酆衔?無機粒子摻合物以加入在界面處各材料間的所要折射率差異并使該第二種材料得到所要光學性質。適合的均勻無機材料包括，例如，光學玻璃，例如，石英玻璃及摻雜石英玻璃；及晶狀或多晶狀材料，例如，石英。
通?？蛇x擇在界面處兩種材料間的折射率差異以形成加入該結構的所要的器件。通常，該折射率差異至少約0.0025，在其它具體實例中，至少約0.005，且在另外具體實例中，至少約0.01。在某些具體實例中，相當小的差異足以限制光并可控制傳播方式。在其它具體實例中，使用折射率的較大差異以獲得所要的官能性質。因此，這兩種材料間的折射率值的差異值優(yōu)選為至少約0.05，在另外具體實例中，至少約0.1，在其它具體實例中，約0.2至約2.5，且在又另外具體實例中，約0.5至約2.0。熟悉本技術的一般人應理解也包括這些詳述的差異間的折射率值差異值的其它值，也屬于本發(fā)明范圍。
可以以各材料間的逐漸或連續(xù)變化形成具有不同折射率的兩種材料間的轉化。反射是在界面處兩種材料間折射率差異的函數?？梢允褂檬熘鈱W公式計算具有不同折射率的兩種光學材料間的界面處的傳輸及反射估計值。
對于折射率差異，由于函數是非線性(亦即，二次形式)，所以可以減少或消除由于該界面處的反射所致的損失。對于兩種材料間的折射率有很大差異的材料間的轉變，反射的減少特別重要。
可以使用光學界面以形成具有簡單或復雜結構和/或官能性質的光學器件。例如，可以使用聚合物-無機粒子摻合物以形成無源光學器件，例如，波導管/光學通道，偶合器/分流器及諸如此類。聚合物-無機粒子摻合物可用于器件的芯和/或包層。例如，波導器及諸如此類可以在光纖內或平面光學結構上。參考圖4，波導管140具有以包層144包圍的芯142。通常，芯142的折射率高于包層144的折射率，以致可通過總的內反射而將光限制在芯內?？梢赃x擇該折射率差異以限制特定波長光的傳輸方式。如芯及包層都由聚合物-無機粒子摻合物形成，則通過選擇粒子填充量，聚合物組成及/或無機粒子的組成及其它性質可以調整折射率差異。參考圖5及圖6，是表示偶合器/分流器146，其芯148由包層150包圍。垂直于該傳播方向的該芯的適合維數取決于光的折射率及波長。然而，通常，通過波導管橫截面的大小是在該光波長的數量級內。因此，就大部分光學應用而言，該光通道的大小小于約10微米。
在光學結構的平面體的具體實例中，波導管及同等元件(例如，在圖4-6中所述及者)通常在基板上具有成層結構。在這些具體實例中，可以使用聚合物-無機粒子摻合物作為芯頂部上的包層及/或均勻無機光學材料(例如，石英玻璃)之下包層以形成一種非熱波導管。特別是，如果所選擇的聚合物-無機粒子摻合物的折射率可解釋由于熱應力存在致使結構內的折射率改變，則聚合物-無機粒子摻合物的存在可彌補結構內的熱應力。
將聚合物-無機粒子摻合物及具有第二材料的對應界面加入相關器件內。適合的器件可以是光學器件?？梢允褂镁酆衔?無機粒子摻合物所形成的器件包括，例如，互連器，反射器，顯示器，微-電機結構(MEMS)，可調濾波器及光學開關。例如，可以將MEMS結構并入光學器件內以調整各組件間的距離。如下述，其它相關器件的折射率具有周期性變化。
圖7A及7B描述低損失互連器。參考圖7A，互連器151包含具有包層153內的芯152。芯152連接第一種高折射率材料154及第二種低折射率材料155。芯152還包含互連轉變器156。互連轉變器156包含一層或多層157(其折射率介于第一材料154與第二材料155的折射率值之間)。層157的折射率呈逐漸，單調的轉變，其中朝第一材料154方向的折射率愈高，而朝第二材質155方向的折射率愈低?？蛇x擇各層的厚度及層數以減少由于第一材料154與第二材料155間的穿透光反射所致任意小值的損失。通過制造更小的各層并增加層數，可以使互連轉變器的折射率接近連續(xù)轉變，且其損失接近零?；ミB轉變器157可由聚合物-無機粒子摻合物形成。雖然也可以通過改變聚合物和/或無機粒子的組成以改變該折射率，但是最好通過改變該粒子填充量以逐步方式或連續(xù)方式改變折射率。第一材料154及第二材料155可以各為光學聚合物，聚合物-無機粒子摻合物或稠密無機光學材料，例如，摻雜的氧化硅玻璃。
隨著折射率的變化，波導管的芯區(qū)域無論是纖維或平面的合適的截面積可以改變而不必改變光的傳播。特別是，隨著折射率的增加，可制成更薄和/或更窄的芯。然后可與折射率的變化一起逐漸或分步改變該互連器的大小。參考圖7B，互連器芯131在高折射率芯133與低折射率核心135之間連接。
如圖7B所示，互連器芯131的厚度從較薄尺寸的鄰接高折射率核心133至較厚尺寸的鄰接低折射率核心135逐漸變小，其因此比低折射率芯133還薄。折射率可以以連續(xù)或分步方式改變。同樣，在另外具體實例中，該互連器芯131的厚度可分步改變?？梢杂删哂邢嗤凵渎实南嗤牧匣蚓哂邢鄳煌凵渎实牟煌牧闲纬苫ミB器包層137，較薄包層139，較厚包層141?？梢砸苑植交蜻B續(xù)方式改變互連器包層137的厚度和/或折射率。
此外，可以使用聚合物-無機粒子摻合物作為兩種不同光學材料間的粘合劑?？梢栽趹脫胶衔镒鳛閮煞N材料間的互連器后完成聚合反應及/或交聯(lián)作用。聚合反應/交聯(lián)作用的完成可物理性地連接這兩種材質，并得到一種連續(xù)光程。如文中所述，可以選擇聚合物-無機粒子摻合物的折射率以大約配合其它材料以減少損失。由于高的有用的粒子填充量，光學粘合劑可具有高折射率。可以僅添加聚合物，或低折射率聚合物-無機粒子摻合物作為包層，其在完成使用后聚合或交聯(lián)以進一步有助于各材料的物理性結合。此種具體實例示于圖8中。芯粘結劑161及包層粘結劑163可連接第一光導管165及第二光導管167。芯粘結劑161包含聚合物-無機粒子摻合物。
因為芯的折射率比圍繞的包層的折射率更高，所以由于總的內反射，光通?？赏ㄟ^波導管透射。如芯與包層間的折射率差異不足以限制核芯內彎曲部入射角的光，由于該芯的彎曲，所以有損失現象。如果芯與該包層的折射率差異較大，芯中可以有更急轉的彎曲，則可以使光傳輸中沒有損失。如上述，可以形成具有相當高折射率的聚合物-無機粒子摻合物，以使芯與包層的折射率可以有較大差異。可以使用習用光學公式估算適合彎曲度。因此，相對于包含具有較低可得的折射率的材料的彎曲部分，可以獲得具有更大角度的彎曲。彎曲部分示于圖9。核芯171通過包層173圍繞?？筛鶕凵渎实牟町愡x擇該彎部175的角度以得到無損失或可接受的小損失現象?？梢允褂糜懈鞭D的角度的反射器/彎部以形成呈較小軌跡的光學器件。
適合的顯示器包括，例如，反射型顯示器。在某些具體實例中，聚合物-無機粒子摻合物可取代聚合物分散性液晶顯示器內的習用聚合物。通過選擇聚合物-無機粒子摻合物的所要的折射率，可以使折射率更好配合于鄰接材料，以致較不會發(fā)生不想要的反射現象。由于不想要的反射現象較少，所以顯示器元件可具有更鮮明的圖像。聚合物分散性液晶顯示器的一般性質描述于Fukao等人，名稱為“Polymer-Dispersed Liquid Crystal Composition AndLiquid Crystal Display Elements Using The Composition，”的美國專利第6,211,931號(引入本文以作參考)中。
聚合物-分散性液晶顯示器之一的部分具體實例示于圖10中。顯示器160具有第一元件162及第二元件164。各元件具有呈間隔分開構型的透明電極166及透明反電極168。透明電極可以由例如，氧化錫銦形成。外透明罩170覆蓋顯示器160的顯視側。黑色吸收層172位于通過透明反電極168與透明罩170相反位置的顯示器160側邊上。聚合物-無機粒子摻合物174位于透明電極166與透明反電極168之間。液晶微滴176分散在摻合物174內。液晶液滴176可以是微膠囊或位于該摻合物的空隙內。液晶微滴可包含液晶，例如，氰基聯(lián)苯基的液晶(由Merck公司制成)且可包含染料。
連接電極166，168以控制用于選擇性使用到電極166，168的電流的電路178，從而產生透明電極166與透明反電極168間的電場。如元件162中所示，當未施加電流時，該液晶可無規(guī)定位，以致通過透明罩170進來的光進行散射，且元件162具有取決于染料的顏色。當施加電場時，如元件164所示，該液晶排列成行，以致更多光穿透至黑色吸收層172，且該元件變暗或關閉。因此，當未施加電時，來自全部各元件的反射作用，使顯示器看起來呈白色。若聚合物-無機粒子摻合物的折射率接近該液晶微滴的折射率時，則當施加電時，可以穿透更大量的光至黑色吸收層，因此已關閉的元件變得更暗，即，開與關元件間的對比度更大。
尤其在光學應用方向，可以將聚合物-無機粒子摻合物加入微電極系統(tǒng)(MEMS)內，雖然也可估計到非光學的應用。為方便起見，微電機系統(tǒng)通常指微米規(guī)模系統(tǒng)及亞微米規(guī)模系統(tǒng)，毫微電極系統(tǒng)。MEMS系統(tǒng)通常包括可偏轉應答施加的刺激(例如，電場，磁場或熱變化)的微致動器。例如，當施加電場時，壓電晶體經受應變，以致產生與電場大小有關的形變。適合的壓電材料包括，例如，石英，鈦酸鋇，鋯酸銅，鈦酸銅，聚氟亞乙烯。同樣，可以使用順磁材料，其可以經設計在，例如，電磁體的磁場中進行偏轉?？梢詮木哂袩崤蛎浵禂挡煌牟牧祥g的界面形成熱基致動器。
可以將聚合物-無機粒子加入該致動器元件中和/或加入具有功能性質(例如，所要光學性質)的致動器的分機內。特別是，一種聚合物-無機粒子摻合物的元件可以由MEMS致動器延伸，其中元件可作為鏡子或透鏡。可以將致動器基的光學元件加入光學器件(例如，可調濾波器或可調激光)內。這些結構在以下各圖中進一步討論。對于并入致動器元件本身，該聚合物及/或該無機粒子可以具有致動器功能性。具體地，該聚合物及/或該無機粒子可以是壓電材料，順磁材料或具有所要熱膨脹系數的材料。同樣，材料可具有能并入光學器件內的所要光學性質以作為可移動光學元件。
圖11表示一種可調式垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。激光器190包含具有鏡194的基板192。頂鏡196安裝在可以由壓電材料形成的膜片198上。膜片198安裝在支柱200上。電極202位于沿基板192的上表面上。膜片198及電極202與適合的電源204及可變電阻206連接。膜片198及電極202形成已加入可調激光器內的部分MEMS裝置。該鏡194與196的距離決定該激光的頻率?？赏ㄟ^使用可變電阻206提供選擇電流量而調整頂部鏡196的位置。由于膜片198由壓電材料制成，根據所施加的電流量，膜片198可形變至特定程度。可經頂鏡196施加泵脈沖進激光腔內。通過底鏡194相應發(fā)射的波長取決于頂鏡196的位置。模m的激光波長由λm＝2nL/m表示，其中n為激光腔內的折射率，而L為各鏡間的距離。峰值增益也與各鏡間的距離有關系。VCSELs的一般結構描述于，例如，Kiely等人，名稱為“Semiconductor Laser Device And Method Of Manufacture，”的美國專利第6,160,830號(列于本文以作參考)中。
在可調式垂直空腔表面發(fā)射激光器190中，一種或多種組件可以由聚合物-無機粒子摻合物制成。特別是，膜片198和/或頂鏡196可以由文中所述的摻合物形成。可以選擇頂鏡196的折射率以產生所要的光學性質。而且，膜片198可以由聚合物-無機粒子摻合物形成，其中聚合物及/或無機粒子具有壓電性質，以致施加電流至各電極可導致膜片198的形變。此外(或者)，激光器190的一種或多種其它組件可以由摻合物形成。
可使用波長選擇組件以進行網絡內的波分復用以增加頻寬。適合的分散元件包括，例如，繞射光柵，棱鏡及諸如此類。排列的波導光柵為另一種相關的波長選擇組件。排列的波導光柵包含兩個偶合器及一波導通道陣列，其中該波導通道陣列的各側上都有一個偶合器。該波導光柵陣列的一般原則描述于Dragone，名稱為“Optical Multiplexer/Demultiplexer，”的美國專利第5,002,350號(該案以引用方式并于本文中)內。
圖12表示一列波導光柵的具體實例。排列的波導光柵210包含偶合器212，214及波導管216陣列。偶合器212可以使輸入信號與陣列216偶合。該陣列216的波導管可以在偶合器212處強烈偶合。偶合器212還與輸入波導管218連接。在一項具體實例中，偶合器212可以使陣列216及輸入波導管218的個別波導管芯及輸入波導管218與具有均勻折射率的陣列波導管216間的空隙增寬，以致信號可以由形態(tài)偶合。在某些具體實例中，偶合器212包含可導致陣列216各波導管的加寬的光學通道220。
波導管陣列216包含多個彼此具有不同長度的波導管226。長度的差異可以使通過波導管傳送的光信號產生相移?？梢赃x擇不同長度以在偶合器214的特定波長光線之間產生所要的干擾。在偶合器214的干擾現象可以使不同波長的光產生空間分離。光的不同波長可指向不同空間性取代的輸出波導管224。
特別是，陣列216的波導管也在偶合器214處強烈偶合。偶合器214可包含從陣列216的波導管導引的變寬的光學通道222。變寬的光學通道222可以呈弧形排列，因此來自各波導管的信號會干擾。偶合器214還可包括空間性取代的輸出波導管224，其空間分離作用是由來自通過不同輸出波導管224傳送的陣列216的干擾信號的波譜的不同頻率部分所造成。
雖然圖12表示具有5個波導管的具體實例，但是也可以使用其它量的波導管。一般，波導管的數目及各波導管長度的差異可測定波長分裂信號的光譜分辨力。活性元件可加入排列波導管光柵內以調整光譜去偶合性。例如，可以將電活性材料及對應的電極加入陣列216的一個或多個波導管內?；钚栽谂帕械牟▽Ч芄鈻艃鹊挠猛久枋鲇赟tone，名稱為“Tunable SiliconBased Optical Router，”的美國專利第5,515,460號(列入本文以作參考)中。陣列波導光柵的一個或多個元件可包含有聚合物-無機粒子摻合物。例如，波導管陣列的波導管芯可以是聚合物-無機粒子摻合物?？梢赃x擇折射率，以致將適宜的路徑長度差異導入波導管陣列內。
同樣，可以使用聚合物-無機粒子摻合物形成光開關器。圖13及14表示具3個光開關232的平面光學結構230。若需要，可以將少數光開關，額外光開關器和/或其它集成光學器件加入結構內。為方便起見，圖中并未顯示包層。光開關232包含芯234及開關元件236。開關元件236含有是熱-光性的聚合物-無機粒子摻合物。如圖13所示，可設定開關元件236的溫度以調整聚合物-無機粒子摻合物的折射率，以使波導管內的光不傳送，并關閉開關器。
通常，可以選擇開關元件236的溫度以開啟并關閉開關器以控制光通過開關器而傳輸。如圖14所示，熱元件238，例如，電阻性加熱器或冷卻元件是放置在接近開關元件236處。熱元件238是用于控制鄰接開關元件236的溫度以通過控制開關元件236的折射率而開啟及關閉開關器。開關元件236內的聚合物-無機粒子摻合物可包括是熱-光學性的聚合物及/或無機粒子。某些聚合物的折射率隨著溫度增加而有大的負變化。適合的聚合物包括，例如，鹵化聚硅氧烷，聚丙烯酸酯，聚酰亞胺，聚碳酸酯。適合的熱-光學性無機材料包括，例如，石英。
圖15表示一種交叉連接的光開關器。如圖15所示，交叉連接光開關器250具有兩個開關元件252。若需要，在結構中可包括額外開關元件和/或與其它光器件集成的元件。開關元件250可包含熱-光學性，電-光學性或磁-光學性材料。若需要，可以將適合的電極，電磁體或熱元件適當地置于接近開關元件252處以控制開關元件250的折射率。光路徑以某一角度照在開關元件250。若需要，可以選擇各開關元件的折射率以輸送或反射大部分光線。
在某些具體實例中，結構具有加入聚合物-無機粒子摻合物(例如，聚合物-無機粒子復合物)的周期性構成物。結構的組成具有周期性及/或結構具有呈一維，二維或三維的性質，例如，光學性質。參考圖16，結構254具有4個含聚合物-無機粒子摻合物的周期性間隔的棒狀物258的基板256。對于其中棒狀物258為光學材料的具體實例，周期性間隔的棒狀物258導致折射率產生周期性變化。雖然其它具體實例在下文有描述，一般而言，棒狀物258包含相同材料，以使其互相具有相同折射率。如圖16所示，空氣或其它氣體可充滿棒狀物258間的空間以作為第二種材料導致在聚合物-無機粒子基材與氣體之間形成周期性界面。
通常，可通過將周期性光學材料包埋在較大結構內以控制光傳輸。參考圖17，其表示一種3層光結構260，其中這3層的隱藏結構以長劃線表示。結構260包括第一層262，第二層264及第三層266。第二層264包括含有聚合物-無機粒子摻合物的光學材料268的周期性分隔區(qū)。另一種光學材料270位于周期性區(qū)268之間。以點線表示的光通道272，274從該周期性分隔區(qū)以任一方向延伸。光學材料270可以是或不是與光通道272，274內的光學材料相同的材料。光通道272，274幾乎沿著與區(qū)268的周期性垂直的軸導向。光通道272，274可作為波導管或諸如此類起作用。可根據周期性區(qū)268，270及光通道272，274的所要的功能，選擇全部材質的折射率。
參考圖18，光結構280具有交替光元件284，286的二維周期性陣列282。光學元件284至少含一種聚合物-無機粒子摻合物。如圖18所示，另一種凝聚相光材料288例如，圍繞的芯材料，約位于靠近光元件284與286之間。
在某些具體實例中，光元件286和/或光材料288可以是一種氣體。元件286的光材料可以與光材料288相同或不同。在某些相關具體實例中，可以將光結構280和額外材料及或部件(例如，具有層262，層264，層266及光通道270的結構260)包埋在較大超結構內。同樣，圖19表示具有三維周期性的光結構290。充結構290具有光元件292，294的三維周期性陣列。光元件292至少包含聚合物-無機粒子摻合物。光元件294位于光學元件292之間及附近，以致折射率的周期性變化形成3維結構?？梢杂膳c光元件292中的材料不同的聚合物-無機粒子摻合物或由不同種類的光材料形成光元件294。光元件294可以由與包圍光材質(其可以將周期性光結構集成進入包埋周期光結構290的較大光結構內)相同的光材質形成。
為方便起見，圖16-19中的周期結構是在周期結構具有3或4種元件。
在另外具體實例中，可以選擇周期性結構的各維中的元件數以獲得所要的光學效應。周期性結構的光學效應通常取決于周期性結構內的材料的光學性質，并特別是，周期性結構元件間的界面處的折射率的差異。尤其是，雖然周期性結構內的兩種交替光學材料都可包含和其鄰接元件具有不同組成及/或粒子填充量的聚合物-無機粒子摻合物，但是周期性結構的光學性質取決于含聚合物-無機粒子材料的周期性元件與含聚合物-無機粒子摻合物的元件間的材料之間的折射率差異。通常，周期性結構在周期內具有至少兩種元件，在另外具體實例中，在周期內具至少約3種元件，在其它具體實例中，在周期內具有至少5種元件，在另外具體實例中，具有2至約1000種元件，在其它具體實例中，具有10至約250種元件，而在又其它具體實例中，具有20至100種元件。熟悉本技術的一般人員應理解這些詳述范圍內的其它范圍亦包括在本發(fā)明中，且亦屬于本發(fā)明范圍。一般對于某些相關器件，其結構內的折射率具有周期性變化，于光學界面處的折射率差異愈大導致結構內需要更少的周期性元件以獲得所要的光學效應。一般而言，周期在其上的重復的距離為至少約10毫微米，在另外具體實例中，至少約20毫微米，在其它具體實例中，至少約50毫微米，在其它具體實例中，至少約20毫微米至約10微米，而在另外具體實例中，約50毫微米至約1微米。熟悉本技術的一般人員應理解這些詳述范圍內的其它范圍也包括在本發(fā)明內，且其亦屬于本發(fā)明范圍。
如圖16-19所示，折射率以逐步的方式在周期性結構內自一個值變化到另一個值不等。然而，通過改變粒子填充量和/或使用不同無機粒子組合物，折射率可以連續(xù)或漸進的逐步變化，相對于在折射率的上限與下限間的逐步變化，折射率的漸進逐步變化可具有所要的光學性質。例如，通過使用在周期性結構內利用許多逐步變化可以使用這種在折射率選擇的多用性以接近作為距離的函數的折射率的所要連續(xù)功能。特別是，折射率理想是具有約正弦變化。已預期不需要任何更高階次的諧波，這種結構即可產生單一的反射峰。具有只由少數(優(yōu)選僅一個)諧波組成的折射率分布的真實空間結構會產生只含有少數(或優(yōu)選僅一個)峰的反射光譜。調整折射率的正弦變化的幅度及波長可分別影響光與該組件(結構)相互作用的強度及光的波長與該組件相互作用的強度。
參考圖20，周期性結構296的折射率以折射率逐漸變化的方式呈周期性變化。該折射率的逐步變化接近正弦變化。周期性及逐步變化可以在折射率(n)作為沿著圖21結構的距離“d”的函數所作的圖中了解?？梢赃x擇各周期中的步階數及該周期數以獲得所要的光學效應。若需要，可以將結構296加入較大超結構內。此外，可以將折射率中的類似的逐步變化引入二維及三維周期性結構內。
光學結構內的折射率的周期性變化可稱為光柵(1-維性)或光子晶體(1-維性，2-維性或3-維性)?？梢允褂眠@些器件以形成各種光學器件。因此，使折射率形成這些周期性變化的能力提供一種形成集成光學器件的合理方法。具有選擇折射率差異的能力可以使器件設計的靈活性增加。特別是，使用合理的處理方法，可形成具有折射率差異增加的界面，因此可形成較小器件。
可以使用，例如，呈一維的周期性折射率變化以形成具有各種光學應用的布拉格(Bragg)光柵。特別是，可以使用，例如，布拉格光柵以形成光學鏡及光帶通濾光器或干擾濾光器。通常，在通過光學材料傳送的光遭遇折射率的變化時，部分光線可透射而一部分光線反射。如果折射率的變化具有周期性，則光的相對透射量及反射量取決于折射率的差異，周期性元件的數量及光的波長。調整折射率差異及周期性元件的數量可用于透射并反射所要的光譜部分。鏡子可反射所要的光譜部分?？梢詫⒃摴鈻偶尤肫渌Y構例如，激光及諸如此類內。
根據光柵元件的數量及光柵各元件間的折射率差異布拉格光柵可選擇性地透射光波長。布拉格光柵反射某些頻率，同時透射其它頻率?？墒褂镁酆衔?無機粒子摻合物以用于光柵的一種或多種組件。通過加入一種具有取決于電場或溫度的折射率的摻合物，可制成可調式濾光器。透射及反射波長之間的關系作為光柵系數的函數在Dong，名稱為“Asymmetric Low DispersionBragg Grating Filter，”的美國專利第6,278,817號(引入本文以作參考)中有進一步描述。
圖22表示一種具有聚合物-無機粒子摻合物的可調式布拉格光柵濾光器的具體實例。濾光器310包括具有低折射率材料314間置的3層聚合物-無機粒子摻合物層312。層312中的聚合物-無機粒子摻合物可作為電-光學材料，其中該折射率隨電場的施加而不同。低折射率材料314可以是空氣，低折射率聚合物，低折射率聚合物-無機粒子摻合物或其它低折射率材料。若需要可以使用透明基板316以承載濾光器。在某些實例中，可以使用隔片318以隔離各層312?？梢允褂秒姌O320，322以供應電場。電極320，322與電源324連接，其可以對電極320，322提供可變的電壓，以產生所要的可調性。特別是，該層312的折射率隨著電場的施加而不同，而該濾光器的功能取決于該層312的折射率。雖然圖19所示具體實例具有3種有高/低折射率的交替折射率元件，但是可以在光柵內使用更多個元件以獲得所要的濾光性質。該光柵的高折射率組件及低折射率組件間的較大折射率差異使該濾光器內需要較少的光柵元件以在濾光作用時獲得等效解像能力。
關于層312中的聚合物-無機粒子摻合物，聚合物及/或無機粒子可具有取決于電場的折射率。適合的電-光學無機材料包含，例如，經鑭摻雜的多晶狀鈦鋯酸銅，鈮酸鋰(LiNbO3)，KTaO3，LiTaO3，BaTiO3，AgGaS2，ZnGeP2及其組合物及其摻雜組合物。合適的電-光聚合物包括，例如，具有溶解的發(fā)色團的聚酰亞胺。其它電-光聚合物在Chan等人，名稱為“ OrganicPhotochromic Compositions And Method For Fabrication Of PolymerWaveguides，”的美國專利第6,091,879號(引入本文以作參考)內有描述。可以在聚合物-無機粒子摻合物內使用熱-光學材料(如材料是可相應地進行熱控性)以獲得類似可調性。
可以由兩個可形成激光腔的部分鏡的布拉格光柵形成激光。泵光束可驅動激光。這種布拉格光柵激光可以在光纖內形成，或可以成為平面光學結構的一部分?；诓祭窆鈻诺募す庠?，例如，DiGiovanni等人，名稱為“ArticleComprising An Optical Fiber Laser，”的美國專利第5,237,576號(該案以引用方式并于本文內)中有進一步描述。
圖23表示一種使用布拉格光柵所形成的激光的具體實例。激光340包括具有布拉格光柵344，346的光通道342、放大器材料348及第二光學路徑350。光通道342通常為一種芯，通過在纖維或平面結構內包層包圍。布拉格光柵344，346的折射率具有周期性變化。并，如上述，可以加入聚合物-無機粒子?？梢赃x擇光柵的特性以反射并透射激光功能所需的特定波長。布拉格光柵344，346可形成激光腔352的邊界。激光腔的大小決定激光發(fā)射的模式/波長。放大器材料348位于激光腔352內。放大器材料348與第二光通道350是光連接。放大器材料348包括可吸收具有比激光波長還短的波長的放大器波長處的光。一般，放大器波長是在紫外線范圍內。適合的放大器材料包括，例如，稀土摻雜的非晶形粒子。稀土摻雜非晶形粒子的制備在例如，Horne等人，名稱為“Doped Glass Materials，”的待審申請且稱為美國專利申請案第60/313,588號(引入本文作為參考)中有描述。可以將這些粒子加入聚合物-無機粒子摻合物內。
通過波導管342使泵射束直接進入激光內。該泵射束通常在光譜的可見光部分或紅外線部分。部分泵射束可進入激光腔內。放大射束可通過第二光路徑350而直接通往放大材料348?？赏ㄟ^紫外線源例如，紫外線激光或非激光光源供應放大射束。通過因泵射束由放大器材料產生受激放射而可以將得自放大射束的能量直接導入激光輸出管內。
具有折射率呈一維，二維或三維的周期性變化的晶格稱為光子帶隙結構或光子晶體。光子晶體已描述為電子半導體的光子類似物。光子晶體可提供一種頻率隙，它覆蓋不能往任何波向量(亦即，任何方向)傳播的一列電磁輻射的頻率(其包括，自發(fā)射)。通過以某一種角度施加光線至周期性晶格內而可以將光導至光子晶體。頻率隙取決于，例如，單位晶胞大小，該周期性結構的結晶學取向，包括晶格不同材料間的折射率差異的折射率及其它光學性質。通常，光子晶體的周期性材料間的折射率差異為至少約0.1折射率單位，在其它具體實例中，至少約0.2折射率單位，在另外具體實例中，至少約0.5折射率單位，在其它具體實例中，約0.2至約2折射率單位，在一些其它具體實例中，約0.5至約1.5折射率單位。熟悉本技術的一般人員應理解也包括這些詳述范圍內的其它范圍，且也在本公開內容范圍內。通常，該光子晶格的大小與帶隙波長的大小在相同量級。
可以將缺陷導入該光子晶體內以使禁帶隙內能夠產生電磁傳播。該缺陷導入會破壞對稱性，因此干擾周期性。特別是，對于元件的大小，位置及/或光學性質，缺陷可以在周期性結構內變化。適合的缺陷提供波長的選擇性傳播。缺陷可根據處理方法的容限的處理產生或可以有目的地導入。因此，可以使用具有選擇缺陷的光子晶體作為濾光片，開關，放大器，激光及諸如此類。通常，光子晶體包含折射率差異為2個或更多個的折射率單位。對一維性光子晶體的光子帶隙的評估描述于Todori等人，名稱為“OpticalFunctional Element Comprising Photonic Crystal，”的美國專利第6,002,522號(引入本文以作參考)中?？梢詫⒃摼酆衔?無機粒子摻合物加入晶格的不同材料間的折射率大不同的周期性光學結構。可以如文中所述形成用于制備光子晶體的周期性光學結構?？赏ㄟ^改變周期性結構以導入缺陷。特別是，如果折射率的差異足夠大，則可以使用上述周期性結構作為光學結構內的光子晶體。
可以使用周期性結構例如，光子晶體以形成吸光結構，例如，天線及太陽能電池。在這些結構內，可以將吸光性電子給體例如，光導聚合物，例如，摻雜的聚亞苯基亞乙烯基放置在鄰接具有可作為電子接受材料的組成的聚合物-無機粒子摻合物處。如Matthews等人，名稱為“Apparatus For Sorting0bjects According To Size，”的美國專利第5,413,226號(列入本文以作參考)中所述，該摻合物內的無機粒子可以是，例如，富勒烯(fullerenes)，其它碳的毫微粒子或具可接受電子的電子電穴的半導體材料，例如，微米大小的硅粒子。電極放置在該電子給體及電子受體材料周圍。如果以一個電極覆蓋一個表面，則電極可以是透明電極，例如，氧化錫銦。太陽能電池結構描述于Kambe等人，名稱為“Solar Cells，”的美國專利第5,986,206號(該案以引用方式并于本文內)內。
除了周期性結構外，可以使用具有準周期性或準結晶性結構的聚合物-無機粒子摻合物以形成光學結構。準結晶結構可以是呈一維，二維或三維型式的準周期性結構。準周期性一維光學結構描述于Merlin等人，名稱為“Quasi-Periodic Layered Structures，”的美國專利第4,955,962號(列于本文內以作參考)中。在這些準周期性光學結構內，可根據以下規(guī)律A；AB；ABA；ABAAB；ABAABABA；ABAABABAABAAB等等的Fibonacci系列將具有兩種有不同折射率的不同光學材料的各層排序。A與B表示特定光學成層結構?？稍u估任何所形成光學結構的付立葉(Fourier)光譜。對于這些及其它準周期性結構，可使用現有計算機模擬方法成形光學器件的光學性質。
將復合物處理成結構體通常，可以使用聚合物處理所發(fā)展的方法處理聚合物-無機粒子摻合物。在選擇適于摻合物的處理方法時，可適當考慮特定摻合物的物理性質以及所形成結構的所要型式。雖然特定性質只可能與某些處理方法有關，但是相關物理性質包括，例如，粘度，溶解性，流動溫度，和穩(wěn)定性。特別是，在聚合物-無機粒子摻合物形成后，摻合物可進一步處理以方便貯存和/或形成所要的結構。形成摻合物后，其額外的處理步驟可以在或不在溶劑中進行。該聚合物-無機粒子復合物的處理法可以與聚合物-無機粒子混合物的處理方法不同。特別是，當聚合物-無機粒子混合物的處理需要保持粒子在該聚合物內的分布時，復合物更具有穩(wěn)定性。聚合物-無機粒子摻合物的處理法可以與使用其它材質以形成界面及加入聚合物-無機粒子摻合物的結構的其它組件的處理方法相配合。
可以使用聚合物處理方法使摻合物經模制，擠壓，鑄造或其它方法以形成各種材料形狀。此外，可以使用基于溶劑的漿料，進行旋涂或諸如此類涂覆摻合物以形成復合物涂層。形成該涂層后，可移除任何溶劑。同樣，不論是否在該涂布工藝中使用溶劑/分散劑，涂布后的摻合物可以進行交聯(lián)。因此，該固化法可包括溶劑/分散劑移除及/或交聯(lián)作用，例如，熱交聯(lián)，使用紫外線或電子束進行交聯(lián)，或通過添加自由基引發(fā)劑以進行交聯(lián)?？墒褂醚谀し椒ㄒ詷嫿ㄍ繉印４送?，如下文進一步所述，自裝配技術有利于復合物各組份的性質以有助于在基板上形成結構，尤其周期性結構。只要是使用自裝配，自裝配方法可組合涂覆模板以作為用于自裝配方法的邊界的定域方法。
文中，為方便起見，聚合物-無機粒子摻合物是指鍵合或未鍵合的無機粒子和聚合物/單體材料，且可以呈溶液，分散體，熔體，涂料或固體型式。例如，為了貯存復合物和/或形成結構，可以修飾含有聚合物-無機粒子摻合物的溶液/分散體的性質例如，濃度及溶劑組成以易于進一步處理。更稀釋的溶液/分散體通常具有較低粘度。在某些處理方法中，聚合物-無機粒子復合物以熔體型式處理。
可直接使用其中形成復合物的溶液/分散液以進行進一步處理?？梢詮囊后w移除復合物，或將復合物置于不同液體內。可通過稀釋改變溶液/分散體的液體，即，添加不同液體至溶液/分散體內；如果復合物具有可通過滲析管而保留的足夠分子量，則可通過滲析作用取代該液體；或通過移除液體并使用該取代液體以溶解/分散復合物。具有各種孔隙大小的滲析管可商購。為了取代液體，可形成一種液體混合物，并接著可通過蒸發(fā)移除原有液體，如果液體形成共沸液，則特別有效。自液體移除聚合物/無機復合物可通過蒸發(fā)液體，通過用過濾或離心而分離復合物的分散體，或通過改變該溶液/分散體的性質如，pH，液體組成或離子強度以誘使復合物從液體沉淀。
通常可以使用標準聚合物處理方法，包括熱處理及溶劑處理方法以進行該復合物的處理。例如，可通過壓制成形法，反射成形法，擠出法，壓延法使聚合物/無機粒子復合物形成結構。換言之，可以使復合物形成自由結構，例如，薄片。同樣，可以使用各種方法如，擠出法或拉制軟化型式的復合物使復合物形成纖維或纖維上的層狀物?？赏ㄟ^旋涂法及類似方法使溶液/分散體形成薄膜/涂層?？尚纬删哂懈鞣N參數包括，例如，具厚度小于約1微米的薄涂層的涂層。
為了從聚合物-無機粒子摻合物形成結構，通常根據所要的功能使摻合物和一種或多種另外材料一起處理以在結構內形成適合的界面。聚合物-無機粒子摻合物的處理還可取決于結合內結構材料的性質。根據所要的結構，聚合物-無機粒子摻合物可以或不局限在該結構的一層或其它范圍的區(qū)域內。
對于從聚合物-無機粒子摻合物形成結構，可以使摻合物選擇性地沉積在適合區(qū)域上或可以選擇性移除摻合物以留下所要結構。為了選擇性沉積摻合物，可利用，例如，印刷方法或使用模板沉積摻合物。就印刷摻合物而言，可沿著所要的圖案在適合溶液/分散劑內采用噴墨技術以進行摻合物的印刷。
就模板方法而言，可采用用光刻膠掩膜的標準石版印刷法，以沉積摻合物。例如，可以使摻合物沉積在光刻膠中的間隙之間。間隙外的過量摻合物可以和光刻膠一起移除。同樣，可以使用犧牲層。例如，犧牲層似光刻膠材料例如，可以使用化學化合物選擇性蝕刻，在它已作為模板的犧牲層可選擇性移除。或者，可以使用物理掩模。與該表面輪廓是整體的犧牲層及光刻膠層不同，除了表面外，物理掩膜具有各別的結構。完成掩蔽法后，可以以物理方法移除物理掩膜，且，在某些具體實例中，可以重復使用?？梢允褂?，例如，激光，自陶瓷材料或金屬蝕刻或切割物理掩模。
同樣，可以沉積聚合物-無機粒子摻合物的涂層，且可以移除摻合物的選擇性部分以形成圖案。例如，可以使用蝕劑如，干蝕劑以選擇性移除摻合物。一般，可以使用反應性離子蝕刻例如，反應性離子蝕刻以移除聚合物-無機粒子摻合物。在進行蝕刻方法時，可以使用石版印刷法，如，使用光刻膠的光石版印刷法以掩蔽部分摻合物。或者，可以使用聚焦離子或輻照射束以進行蝕刻步驟，且不必需要掩膜。
為了形成周期性結構，可使用上述用周期性圖案的構圖方法沉積聚合物-無機粒子摻合物?；蛘?，可通過利用自組裝法形成周期圖案以促使組裝方法。由于分子規(guī)律化和/或分子辨識，自組裝法可利用自然規(guī)律。聚合物-無機粒子摻合物具有能用于自組裝方法的自組合物性質。
特別是，為了促進形成定域器件，可以選擇聚合物的自組合性質以協(xié)助自組裝。自組合性質可與共聚物的特性有關或可以由物理聚合物摻合物產生。
根據聚合物的這些潛在自組合性質，聚合物-無機粒子摻合物可摻入自組裝以形成一種定域結構。自組裝結構可由周摻合物內聚合物的一或另一相分離的粒子所進行的自組裝形成，其中由于自組合性質，可確認不同的聚合物相。特別是，某些自組裝操作可自然形成能夠使用于形成折射率周期性變化的周期性結構。
此外，形成定域結構也包括形成結構的界限。一般而言，自組裝方法形成一種有序網路，而定域方法形成自組裝方法的界限。因此，可以以利用周期性的自組裝方法形成周期性結構，而個別的定域方法形成周期性結構的界限。
作為實施例，有序聚合物具有能促進自然分離作用的性質，這可用于自組裝構架內。有序聚合物包括，例如，嵌段共聚物。可以使用嵌段共聚物，以致使聚合物的不同嵌段分離，這是許多嵌段共聚物的標準性質。其它有序共聚物包括，例如，接枝共聚物，梳狀共聚物，星狀嵌段共聚物，枝狀共聚物，其混合物及諸如此類?？梢詫⑷糠N類的有序共聚物視為一種聚合物摻合物，其中聚合物組份可彼此化學性鍵合。如Kambe等人，名稱為“Polymer-Inorganic Particle Composites，”的待審查的稱為美國專利申請案第09/818,141號(列入本文以作參考)中作進一步所述，也可以使用物理聚合物摻合物作為有序聚合物，且其也可具有自組合性質。物理聚合物摻合物包含化學上性質不同的聚合物的混合物。
使用有序聚合物，部分聚合物-無機粒子摻合物可具有與另一部分摻合物有明顯不同的折射率。使用自組裝方法，可以調配具有不同折射率的摻合物部分以在具有不同折射率的材料間形成一種物理界面。而且，可以使用周期性結構以在折射率中形成周期性變化。具體地，可以產生超過一維的折射率周期性。最好使用折射率中的一維及多維變化以形成光子晶體。
適于自組合的嵌段共聚物包括，例如，聚苯乙烯-嵌段-聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酰胺，聚硅氧烷-嵌段-聚丙烯酸酯，其適合的混合物及諸如此類。這些嵌段共聚物可改性成為包含可以與鍵合劑鍵合的適合官能基。例如(且不限于此)聚丙烯酸酯可以經水解或部分水解以形成羧酸基，或如果酸基不干擾聚合反應，則在形成聚合物時，可以以丙烯酸部分取代全部或部分丙烯酸酯。或者，該丙烯酸酯中的酯基可以取代酯鍵為二醇或用二胺的酰胺鍵，以致使官能基之一仍然能夠與連結子鍵合?？梢允褂镁哂衅渌抖螖的考捌渌酆衔锝M合物的嵌段共聚物。
無機粒子只與嵌段內的該聚合物組成之一結合，以致使無機粒子可以與在分離的嵌段共聚物內的聚合物組成一起分離。例如，AB二-嵌段共聚物可以只在嵌段A內包含無機粒子。無機粒子的分離對利用無機粒子的性質具有功能的優(yōu)點。同樣，如無機粒子及對應聚合物具有不同溶劑化性質，類似于嵌段共聚物的不同嵌段，結合的無機粒子可以自聚合物分離。此外，毫微粒子本身可以從聚合物分離以形成自組合的結構。
聚合物摻合物包括化學上不同的聚合物的混合物。如上文有關嵌段共聚物的描述，無機粒子可以只與聚合物種類的子組鍵合。物理聚合物摻合物可具有類似于嵌段共聚物的自組合性質。無機粒子的存在足可修飾復合物的性質，聚合物與無機粒子的相互作用可以與不同于原有單獨聚合物的其它聚合物種類進行物理性互相作用。即使使用單一的聚合物，如粒子并未均勻地分布在該聚合物內，具有較高粒子填充量的聚合物可以從具有較低粒子填充量的聚合物部分分離，以形成自組裝結構。
不管自組合機構，某些自組合的聚合物-無機粒子摻合物包含以周期性排列在超結構或超結晶結構內的粒子，例如，毫微粒子。粒子本身可以或不具有結晶性，然而由于粒子的有序結構，所以其可具有各種性質。如下文進一步描述，光子晶體可利用這些晶體超結構。
最好使用聚合物-無機粒子摻合物的自組合性質以在基板表面上形成自組裝結構。為了使復合物與表面結合，可以簡單地將聚合物涂布在表面上，或復合物可以與表面形成化學鍵。例如(但不限于此)，聚合物可包含與該表面上之一或多種結構和/或一或多種材料鍵合的另外官能基。這些另外官能基可以是經選擇以促使自組裝方法的官能性側基團。
或者，該基板表面可具有能夠與該聚合物及/或該無機粒子鍵合的組成，表面結合子，以致使復合物通過聚合物或無機粒子鍵合到表面。例如，該基板所含的有機組成可具有一個或多個官能基，例如，鹵素(例如Br)，CN，SCOCH3，SCN，COOMe，OH，COOH，SO3，COOCF3，烯烴的位點(乙烯基)，胺，硫醇，磷酸酯及其任何兩種或更多種的適合組合物。在其它具體實例中，該表面結合子具有可以與聚合物中的未反應的官能基反應的官能基。
在表面結合子內與聚合物鍵合的適合的官能基可以和在復合物連結子內與該聚合物鍵合的官能基相同。
在某些包括有粒子例如，毫微粒子的自組裝具體實例中，部分基板表面具有細孔，其可以是洞，凹陷，空穴或諸如此類。該細孔可以呈有序排列或無規(guī)排列。該細孔大小應該大于毫微粒子的大小。雖然細孔的優(yōu)選大小及細孔的密度取決于所形成器件的特定所要的性質，但是，一般而言，細孔的直徑小于一微米。此外，可控制細孔間的間距以使其接近微米或亞微米規(guī)膜。
使表面接觸摻合物分散體以將聚合物-無機粒子摻合物沉積在細孔內。然后，例如，相對于摻合物，使分散體不穩(wěn)定化，以致使摻合物易于沉降在表面上并進入細孔內。通過改變pH，例如，調整pH趨向等電點；通過稀釋表面活化劑或通過添加可導致形成較低穩(wěn)定性分散體的共溶劑而使分散體不穩(wěn)定。摻合物沉積所要量后，移除分散體。然后，可以移除不在細孔內而在表面上的摻合物。例如，可以使用分散劑溫和地沖洗該表面，以移除表面上的復合物?；蛘?，可通過拋光例如，機械拋光或化學-機械拋光使該表面平面化。
如果適當選擇的分散劑不能很有效地分散摻合物，并且如果沖洗不太徹底，則優(yōu)選地可移除該表面上的摻合物，同時使摻合物留在細孔內。
可使用陽極化的氧化鋁或其它金屬氧化物以形成多孔結構。陽極化的氧化鋁可形成高定向性且很均勻的細孔。通過將鋁陽極放在稀酸例如，硫酸，磷酸，或草酸溶液內可以在陽極的氧化鋁中形成細孔。隨著鋁被氧化，可形成具有細孔的氧化鋁?？讖街辽倏梢栽?毫微米與200毫微米之間不等。細孔具有微米級的深度。形成多孔的陽極化氧化鋁描述于以下例如，D.Al-Mawlawi等人，“Nano-wires formed in anodic oxide nanotemplates，”J.Materials Research，91014-1018(1994)及D.Al-Mawlawi等人，“Electrochemicalfabrication of metal and semiconductor nano-wire arrays，”in Proc. Symp.Nanostructured Mater，Electrochem.，187th Meeting Electrochem.Soc.，Reno，NVMay 21-26，1995，Electrochem.Soc.95(8)262-273(1995)，這兩篇資料都引入本文內以作參考。使用嵌段共聚物以從硅石形成有序排列的細孔，并填充該細孔以形成光子晶體描述于Norris等人，名稱為“Three-Dimensionally PattemedMaterials and Methods For Manufacturing Same Using Nanocrystals，”的美國專利第6,139,626號(列入本文以作參考)中。
在表面上形成多種器件需要使該器件內有作用的組成定域在上述與該特定器件有關的界限內。通過自組裝將一種結構定域在上述界限內的總程序通常需要一種可界定結構的界限的方法，以及一種使用化學親和力以結合界限內該器件組成的自組裝方法。界定界限的方法通常利用外力以界定該結構的范圍。自組裝方法本身通常并不能界定結構的界限。自組裝是根據組成/材料的自然敏感功能，在組成/材料結合時，自然敏感功能在所形成結構內形成自然規(guī)律性。雖然，處理步驟的性質可決定特定順序，但是，通常定域步驟可以在自組裝方法之前或之后進行。凈效應可形成一種在該界限內具有相當范圍的聚合物/無機粒子復合物的自組裝結構，且該界限外的區(qū)域缺乏這種覆蓋。
可通過在界限內活化自組裝方法，或通過界限外的區(qū)域去活化，而使各界定界限的方法與該自組裝方法組合。一般而言，可施加外力以進行活化或去活化方法。可以使用，例如，掩膜或諸如此類，或使用具有聚焦輻射(例如，電子束，離子束或光束)的無掩膜的石版印刷進行定域。
該適合活化或去活化方法的確認可取決于所使用特定自組裝方法。定域方法通常包括用于安置該自組裝結構的區(qū)域的活化，或通過使與選擇位置分開的位置進行去活化。特別是，定域方法可隔離用于形成自組裝結構的區(qū)域?？墒┘舆m合的物理力或化學材料以進行活化作用/去活化作用。
對于這些目的，可采用各種方法，包括，例如，習用的集成電路處理方法。具體地，可以使用掩膜方法以隔離活化/去活的界限?？梢酝ㄟ^掩膜界定的區(qū)域進行輻照或化學應用。同樣，可以使用聚焦射束進行定域。獲得表面改性作用的適合聚焦射束包括，例如，光束(例如，紫外線或X射線)，激光光束，電子束或離子束，這些射束可聚焦以撞擊所選擇的區(qū)域，以進行活化或去活化。適合的聚焦方法為本技術所熟知。
活化方法可包括在所要位置形成特定材料，或是所要位置移除抑制自組裝作用的一種材料或組成。具體地，可以在界限內形成特定材料，因而可以在該界限內進行自組裝方法，而在界限外的表面材質不能進行自組裝方法。
例如，可以在該界限內形成能夠與聚合物結合的化學反應性層，而界限外的基板表面具有不能與聚合物結合的不同化學官能性。同樣，可以從界限內的區(qū)域移除抑制化合物層以暴露自組裝方法所需的化合物結合的表面材料，例如，表面連結子。在某些實例中，抑制化合物可以是一種光刻膠化合物，其可物理性地阻斷表面，并可以在進行自組裝方法前或后，選擇性地移除。所選擇光刻膠或其它抑制化合物的組成以抑制自組裝方法，以致使通過包圍該界限區(qū)的抑制性化合物所覆蓋的區(qū)域其后成為不包括在自組裝方法內。
同樣，可以使界限區(qū)外的區(qū)域去活化。例如，可以將一種含于自組裝方法的化合物結合的組合物涂布在全部表面上。然后，可以從自組裝方法所選擇的限制區(qū)的外側移除組合物。接著，自組裝方法只在該限制區(qū)內進行。此外，一種抑制劑材料可特定地沉積在該界限區(qū)外側，因此，自組裝方法只在已移除抑制性材料的限制區(qū)內進行。同樣，可以使用輻射以使限制區(qū)外側的化合物去活化或解離?？梢允褂蒙鲜鲅谀ず?或聚焦射束方法以進行去活化方法。如上述，可以處理薄層或層以產生一種三維集成結構。
所使用定域方法和自組裝一起描述于Kambe等人，名稱為“SelfAssembled Structures，”的待審查申請中并稱為美國專利申請案第09/558,266號(列入本文以作參考)中。
實施例實施例1-氧化鈦粒子的形成通過激光熱解制造金紅石TiO2，銳鈦礦TiO2，及貧氧藍色TiO2粒子。
在一個相當于圖24-26所示的室內進行反應。
參考圖24-26，熱解反應系統(tǒng)400包括反應室402，粒子收集系統(tǒng)404及激光406。反應室402包括在反應室402底部的反應物入口414，其中反應物傳輸系統(tǒng)408與反應室402連接。在本具體實例中，由反應室的底部傳輸反應物，而由反應室的頂部收集產物。
屏蔽氣體導管416位于反應物入口414的前面及后面。惰性氣體經過口418傳輸至屏蔽氣體導管416內。屏蔽氣體導管沿著反應室402的壁引導屏蔽氣體以抑制反應物氣體或產物與該內壁的結合。
反應室402沿著圖24中以“w”表示的一維延伸。激光束光程420通過沿著由主室426的管424移位的窗422進入反應室內，并通過反應室402的延伸方向。該激光光束通過管428，并離開窗430。在一個具體實例中，管424及428可移位窗422及430，使其離主室約11英寸。激光光束在射束聚集處432處終止。在運行中，該激光光束與通過反應物入口414所產生的反應物流相交。
該主室426的頂部打開可進入粒子收集系統(tǒng)404。粒子收集系統(tǒng)404包括與該主室426的頂部連接的出口管434，以接收來自主室426的流出物。出口管434可以將超出反應物流平面的產物粒子帶入至柱狀濾光器436。濾光器436的一端上具有蓋438。濾光器436的另一端牢系于圓盤440。通氣口442牢系于圓盤440的中心以提供進入該濾光器436中心的入口。通氣口442通過導管與泵連接。因此，可通過由該反應室402流至泵，在濾光器436上捕集產物粒子。
在室溫下，通過使Ar氣體通過容器內的TiCl4液體鼓泡，使四氯化鈦(Strem Chemical，Inc.，Newburyport，MA)前身蒸汽進入反應室內。使用C2H4氣體作為激光吸收氣體，并使用氬作為惰性氣體。使用O2作為氧源。添加額外的氬作為惰性稀釋劑氣體。將含TiCl4，Ar，O2及C2H4的反應物氣體混合物導入反應物氣體噴嘴內以便噴射入反應物室內。
制造金紅石TiO2粒子及銳鈦礦TiO2粒子的濃度反應條件描述于表1中。除了通過使粒子收集器適當定位，而可更接近反應區(qū)收集外，該藍色貧氧金紅石TiO2(TiO2-2)由與表1中的金紅石TiO2粒子(TiO2-1)相同條件下制成。低室壓及低的氧分壓為形成TiO2貧氧的主因。在空氣中稍加熱粒子會導致藍色損失，并形成金紅石結構。該顏色差異的原因不僅與氧含量有關，且目前并未完全理解。
表1
sccm＝每分鐘的標準立方厘米數slm＝每分鐘的標準升數Argon-Win.＝流經入口490，492的氬Argon-Sld.＝流經狹縫554，556的氬圖27表示在表1的條件下所制成的產物毫微粒子的X射線衍射圖。試樣TiO2-1的X射線衍射圖相當于金紅石TiO2。試樣TiO2-2的X射線衍射圖與TiO2-1類似。試樣TiO2-3的X射線衍射圖相當于銳鈦礦TiO2。圖27中各峰的寬度顯示試樣1的結晶性不如其它兩種試樣。試樣TiO2-1的光譜中的部分峰似乎得自非晶形相。也可制成混合相粒子。圖28表示粒子的一般透射電子顯微圖。平均粒子大小φav為約10-20毫微米。實際上沒有超過2φav的粒子。
在乙醇中得到(濃度為0.003重量％)氧化鈦粒子的吸光光譜。圖29表示TiO2-3試樣的光譜。為了比較，獲得分散在乙醇溶液中商用TiO2粉末的(濃度為0.0003重量％)類似光譜，其示于圖30中。該第二種商用粉末得自AldrichChemical Company，Milwaukee，WI，其平均粒子大小為0.26微米。
圖30中該TiO2的吸收光譜為在該光譜的可見光及紅外線部分內具大吸收作用的主體TiO2實例。反之，圖29中的粉末的吸收光譜在光譜的可見光及紅外線部分具有很小的吸收，并在紫外線部分有加強的吸收。該吸收光譜的這種位移及窄化是由于粒子的大小減少所致。
實施例2-毫微聚合物復合物本實施例描述使用硅烷基的鍵合劑形成具有聚(丙烯酸)及TiO3-3粉末的復合物。
使各粒子充分懸浮在乙醇內。2周后，大部分粒子仍呈懸浮狀。可獲得高含量的粒子分散體，已發(fā)現可用于形成光學質量的毫微復合物。使用HoribaParticle Size Analyzer(Horiba，Kyoto，Japan)評估該懸浮體中的二級粒子大小。經粒子大小分析儀分析表示具良好分散性/低集聚作用。
使用氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)作為甲硅烷化劑進行這3種TiO2粒子的表面處理。已知APTES可通過以下反應鍵合到各粒子
使乙氧基進一步連續(xù)水解可形成通過醚型鍵鍵合到粒子的額外Si。尤其如果存在過量甲硅烷化劑及水，則甲硅烷化劑的某些自聚合反應也可發(fā)生。使用乙醇作為溶劑/分散劑可制備懸浮性良好的APTES涂布的TiO2-3粒子。
添加聚丙烯酸至官能化粒子內。雖然，所制成的部分試樣具有平均分子量為2,000道耳頓(Dalton)的低分子量聚合物，但是，一般而言，該聚丙烯酸的平均分子量為250,000道耳頓。認為聚丙烯酸可通過羧酸基與該甲硅烷化劑的伯胺反應，形成一種酰胺鍵。聚合物與經表面處理粒子首先進行的互相作用包括該羧酸與伯胺反應形成的鹽。接著，在140°-160°的溫度下，鹽單位可縮合以形成酰胺鍵。該反應概述如下
復合物的付里葉變換紅外光譜在1664cm-1處有一紅外吸收，這是酰胺鍵c頻率特征。掃描電子顯微鏡(SEH)證實了毫微復合物TiO2-PAA的成功合成。復合物也可由具有比相應聚-無機粒子混合物高得多的熱穩(wěn)定性的功能性粒子形成。
通過在表面放置液滴而形成所得復合物的涂層。液滴在表面展開而進行干燥。干燥的復合物再分析。特別是，由功能性粒子(聚合物-無機粒子復合物)形成比由非功能性粒子(聚合物-無機粒子混合物)形成更為平滑的材料。
實施例3-在PAA-二氧化鈦復合物上的光學測量對于用聚丙烯酸和二氧化鈦粒子形成的復合物評估作為粒子填充量的函數的折射率和光學損失。
使用在632.8nm工作的Gaertner型L-16C橢圓計測量折射率。用不同毫微粒子摻雜的樣品涂層在硅芯片上。在入射角為50和70度時測量折射率。
圖31表示折射率控制的根據，它能覆蓋基于組合和對聚合物-無機粒子摻合物，尤其是復合物的填充量的選擇的基本范圍。只有改變在PAA主體(n2～1.48)中的TiO2毫微粒子(n1～2.6-29，取決于銳鈦礦或金紅石)的填充量，折射率可以以相對于PAA主體的超過150％因子方式進行控制。全部折射率值是涉及632.8nm的光，希望毫微粒子(高折射率)和聚合物主體的合適選擇以增加折射率的可控范圍。
使用Hewlett Packard 8452A型分光光度計進行消光測定。使試樣懸浮在乙醇內，或在熔融硅石基板上制成薄膜。在光程長度為1厘米的熔融石英皿內進行測定。在廣范圍的粒子填充量內，可維持低光損失現象。甚至在50重量％粒子填充量時，發(fā)現復合物在光譜的可見光及紅外線部分，仍具有高度透明性。就使用復合物作為光學網路組件的構件而言，觀測結果很重要。
圖29及30分別表示毫微TiO2(φav～20毫微米)及商售TiO2粒子(φav～700毫微米)(兩者在乙醇中的濃度都是0.003重量％)的光學吸收光譜。后者比毫微粒子更能散射可見光，因此產生較高程度的光衰減。此外，毫微TiO2在紫外線(UV)光吸收中增加很多，認為是一種量子大小效量。這種在吸收光譜中的移位有利地用于可透射可見光或紅外線的光學材質中。
本實例是說明一種通過粒子填充量的調整，控制毫微粒子-聚合物復合物的折射率的能力。雖然也可以使用其它材料變化以確立界面與聚合物-無機粒子摻合物的大折射率對比，但是使用預成形的毫微粒子可通過粒子填充量的調整使鄰接材料間的折射率對比度變大。毫微粒子的高度均勻性及優(yōu)異分散性與毫微粒子上的適當表面改性的優(yōu)點可用于成功合成光子聚合物-無機粒子摻合物，例如，毫微復合物。
如文中使用，術語“在范圍(多范圍)中”或“在...之間”包含通過術語“在范圍(多范圍)中”或“在......之間”后所列的值所界定的范圍，以及這范圍內所包含的任何及全部亞范圍，其中各個此種亞范圍的定義為在此種范圍中可具有任何值作為第一端點，且在這范圍內可具有任何值作為第二端點，第二端點大于第一端點，且它在這范圍內。
上述具體方案是作為說明用，且不具限制性。另外的具體方案都屬于下述的權利要求內。雖然本發(fā)明已參考特定具體方案進行說明，但是應當指出，只要不違背本發(fā)明的精神及范圍，熟悉本技術人員可以在型式上及細節(jié)上進行改變。
權利要求
1.一種光學結構，其在第一光學材料與第二光學材料之間含有一種界面，各光學材料都含有一種聚合物，第一光學材料含聚合物-無機粒子摻合物，其中該摻合物含無機粒子，當離析時，為電絕緣體或電導體。
2.根據權利要求1的光學結構，其中兩種材料彼此間的折射率值的差異為至少約0.005。
3.根據權利要求1的光學結構，其中兩種材料彼此間的折射率值的差異為至少約0.1。
4.根據權利要求1的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物具有非線型光學反應。
5.根據權利要求1的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物含有一種聚合物-無機粒子混合物。
6.根據權利要求1的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物含有一種聚合物-無機粒子復合物。
7.根據權利要求1的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物包含的無機粒子，包含元素金屬或元素類金屬，即，非離子化的元素，金屬/類金屬氧化物，金屬/類金屬氮化物，金屬/類金屬碳化物，金屬/類金屬硫化物或其組合物。
8.根據權利要求1的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物包含有一種選自以下的聚合物聚酰胺(尼龍)，聚酰亞胺，聚碳酸酯，聚氨基甲酸酯，聚丙烯腈，聚丙烯酸，聚丙烯酸酯，聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚氯乙烯，雜環(huán)狀聚合物，聚酯，改性聚烯烴，聚硅烷，聚硅氧烷(硅酮)聚合物，及其共聚物與其混合物。
9.根據權利要求1的光學結構，其中第二光學材料含有一種聚合物-無機粒子摻合物。
10.根據權利要求1的光學結構，其中第二光學材料包含不超過約5重量％無機粒子。
11.根據權利要求1的光學結構，其中第二光學材料包含至少約10重量％無機粒子。
12.根據權利要求1的光學結構，其中第一光學材料包含至少約10重量％無機粒子。
13.根據權利要求1的光學結構，其中第一光學材料包含至少約25重量％無機粒子。
14.根據權利要求1的光學結構，其中無機粒子的平均粒子大小不超過約1微米。
15.根據權利要求1的光學結構，其中無機粒子包含金屬/類金屬氧化物粒子。
16.一種結構，其在第一材料與第二材料之間含有一種界面，其各材料都含有一種聚合物，第一材料含聚合物-無機粒子復合物，其中復合物包含有可作為電半導體或電導體的無機粒子，且其中無機粒子的平均粒子大小不超過約1微米。
17.根據權利要求16的結構，其中無機粒子具有電導性。
18.根據權利要求16的結構，其中第一材料為光學材料。
19.根據權利要求16的結構，其中第二材料為光學材料。
20.根據權利要求19的結構，其中第一材料及第二材料為光學材料。
21.根據權利要求16的結構，其中無機粒子的平均粒子大小不超過約500毫微米。
22.根據權利要求16的結構，其中無機粒子的平均粒子大小不超過約100毫微米。
23.根據權利要求16的結構，其中無機粒子含有金屬氧化物粒子。
24.一種包含聚合物-無機粒子摻合物的材料，其中摻合物包含具有導電性的無機粒子，且其中該摻合物在100微米厚度處對可見光是透明的。
25.根據權利要求24的材料，其中聚合物-無機粒子摻合物包含聚合物-無機粒子復合物。
26.根據權利要求24的材料，其中無機粒子包含元素金屬。
27.根據權利要求24的材料，其中無機粒子包含元素銀。
28.一種含電極的顯示器，電極含有根據權利要求24的材料。
29.一種反射顯示器，其包含分散在聚合物-無機粒子摻合物中的液晶，其中聚合物為光學材料。
30.根據權利要求29的反射顯示器，其還含有兩個透明電極，且其中聚合物-無機粒子摻合物是位于這兩個透明電極之間。
31.根據權利要求30的反射顯示器，其中相對于聚合物-無機粒子摻合物。黑色吸收體是位于一個透明電極的對側。
32.一種互連性光學結構，其含有第一光學通道，第二光學通道，及可光學連接第一光學通道與第二光學通道的光學互連器，光學互連器含有聚合物-無機粒子摻合物。
33.根據權利要求32的光學結構，其中第一光學通道及第二光學通道具有不同折射率，且其中該光學互連器的折射率介于第一光學通道與第二光學通道的折射率之間。
34.根據權利要求33的光學結構，其中光學互連器的折射率具有梯度，以在從第一光學通道至第二光學通道的折射率中產生單調變化。
35.根據權利要求34的光學結構，其中光學互連器含有多種沿著光路彼此緊鄰的聚合物-無機粒子摻合物，且其中該折射率的梯度包含呈逐步變化的折射率。
36.根據權利要求35的光學結構，其中多種聚合物-無機粒子摻合物含有至少兩種粒子填充量不同的摻合物。
37.一種周期性結構，其含有約周期性的折射率變化，其中結構包含第一聚合物-無機粒子摻合物與第二光學材料的結構分布在具有聚合物-無機粒子摻合物的區(qū)域之間，其中第二光學材料為選自第二聚合物-無機粒子摻合物，聚合物及非聚合物無機材料。
38.根據權利要求37的周期性結構，其中該周期呈一維型式重復至少約3次。
39.根據權利要求37的周期性結構，其中在一維中的周期為約20毫微米至約10微米。
40.根據權利要求37的周期性結構，其中聚合物-無機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子復合物。
41.根據權利要求37的周期性結構，其中周期性結構含有光子晶體。
42.根據權利要求37的周期性結構，其中周期性結構具有一種呈一維型式的周期性。
43.根據權利要求37的周期性結構，其中周期性結構具有呈二維型式的周期性。
44.根據權利要求37的周期性結構，其中周期性結構具有呈三維型式的周期性。
45.根據權利要求37的周期性結構，其中結構在周期性中具有一個缺陷。
46.根據權利要求37的周期性結構，其中聚合物-無機粒子摻合物可應答外刺激而改變折射率。
47.一種可調濾光器，其包含具有呈一維型式的周期性的根據權利要求46的周期性結構。
48.一種光子晶體結構，其包含一種散置有光學材料的聚合物-無機粒子摻合物的呈周期性陣列。
49.根據權利要求48的光子晶體結構，其中聚合物-無機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子復合物。
50.根據權利要求48的光子晶體結構，其中聚合物-無機粒子摻合物及光學材質的折射率差異為至少約0.1折射率單位。
51.根據權利要求48的光子晶體結構，其中聚合物-無機粒子摻合物與光學材質的折射率差異為至少約0.5折射率單位。
52.根據權利要求48的光子晶體結構，其中周期性具有一個缺陷。
53.一種光學結構，其在均勻光學無機材料與光學聚合物-無機粒子摻合物之間含有一種界面，其中摻合物含有可作為電絕緣體或電導體的無機粒子。
54.根據權利要求53的光學結構，其中聚合物-無機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子復合物。
55.一種顯示器裝置，其含有一層可形成該顯示器可見部分的光學聚合物-無機粒子摻合物，其中摻合物含有可作為電絕緣體或電導體的無機粒子。
56.根據權利要求55的顯示器裝置，其中聚合物-無機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子復合物。
57.根據權利要求55的顯示器裝置，其中該摻合物含有可作為磷光體的無機粒子。
58.根據權利要求55的顯示器裝置，其中無機粒子為電導體。
59.一種包含聚合物-無機粒子摻合物的光學裝置，其中摻合物含有具有非線型光學性質的無機粒子。
60.根據權利要求59的光學裝置，其中聚合物-無機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子復合物。
61.根據權利要求59的光學裝置，其中該摻合物含有無機粒子，所述無機粒子包含具有非線型光學性質的無機組成，它選自KTaO3，K(Ta，Nb)O3，YVO4，硫化鎘，硒化鎘，磷化銦，鈮酸鋰，鈦酸鋇，其組合物及其摻雜改良型。
62.一種吸光裝置，其包含以周期性結構排列的第一電極及聚合物-無機粒子摻合物，其中周期性結構在所要頻率吸收電磁輻射。
63.根據權利要求62的吸光裝置，其中電位在電極處產生作為通過周期性結構所吸收的光的函數。
64.根據權利要求62的吸光裝置，其還含有電子受體材料及透明電極，其中通過周期性結構吸收的光可誘發(fā)第一電極與透明電極間的電流。
65.一種含一對電極及一種聚合物-無機粒子復合物的電機結構，其中施加電壓至電極會導致部分電機結構產生偏轉現象。
66.根據權利要求52的電機結構，其還含有一種鏡子或部分鏡子。
67.一種可調光學裝置，其包含根據權利要求65的電機結構。
68.根據權利要求67的可調光學裝置，其還含有第一鏡或部分鏡及第二鏡或部分鏡。
69.根據權利要求67的可調光學裝置，其還含有第一鏡或部分鏡，第二鏡或部分鏡及在該第一及第二鏡或部分鏡間的放大材料，其中該可調光學裝置可作為可調激光。
70.一種在第一材料與第二材料之間制備一種界面的方法，其中各材料都含有一種聚合物，且至少一種材料含有聚合物-無機粒子摻合物，該方法包括共擠出與第二光學材料接觸的第一光學材料，在該第一材料與第二材料之間形成一種界面。
71.一種在第一材料與第二材料之間制備一種界面的方法，其中各材料都含有一種聚合物，且至少一種材料含有聚合物-無機粒子摻合物，該方法包括將第一材料旋涂在該第二材料的頂層上，以在該第一材料與第二材料之間形成一種界面，其中在進行旋涂法的規(guī)定時間內，第一材料并不會溶解第二材料。
72.根據權利要求71的方法，其還包括進行旋涂后，熱固處理第一材料。
73.根據權利要求71的方法，其還包括進行旋涂后，紫外線固處第一材料。
74.根據權利要求71的方法，其中第一材料包含一種溶液/分散體，且該方法還包括移除溶劑/分散劑的步驟。
75.一種在彼此的折射率值相差至少約0.005的兩種光學材料之間制備界面的方法，該方法包括使用聚合物-無機粒子摻合物進行自組裝方法，以形成第一光學材料，并使第二光學材料位于與摻合物接觸，以形成該界面。
76.根據權利要求75的方法，其中在進行自組裝前，先將第二光學材料放在表面上，其中自組裝方法使第二光學材料接觸粒子-無機粒子摻合物。
77.根據權利要求75的方法，其中該第二光學材料是在進行自組裝方法后才進行沉積，以形成該界面。
全文摘要
聚合物－無機粒子摻合物摻入結構，一般包含與另外材料的界面，它可有利地用于形成所要的裝置。在某些具體方案中，結構是光學結構及界面是光學界面。在界面不同材料可以有不同的折射率以在界面產生所要的光學性質。在某些具體方案中，結構以折射率的周期變化面形成。尤其是所形成光學晶件，合適的方法可用于形成所要的結構。
文檔編號G02B6/12GK1555308SQ02818157
公開日2004年12月15日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權日2001年8月3日
發(fā)明者神部信幸, 克里斯琴·C·霍尼克, 伊格爾·D·布盧姆, 戴維·B·麥奎因, D 布盧姆, B 麥奎因, 琴 C 霍尼克 申請人:內諾格雷姆公司