專利名稱：應(yīng)用于光學(xué)的聚合物納米復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料，如聚合物納米復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明的聚合物納米復(fù)合材料包括一種基質(zhì)及包含在該基質(zhì)內(nèi)的多種納米粒子。
背景
復(fù)合物材料已眾所周知，它們通常包括兩種或更多的材料，每種材料都顯示出它自己的特性或特點(diǎn)。兩種或更多的材料有可能被加在一起而形成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)展現(xiàn)出源于每種材料的特性。復(fù)合物的通常形式是由第一種材料(一種基質(zhì))和分布在基質(zhì)中的第二種材料組成。一類復(fù)合物材料包括分布在基質(zhì)材料中的納米粒子。納米粒子是那些大小處于納米數(shù)量級的材料粒子。通常，納米粒子比原子團(tuán)更大(在有些情況下，可能只是數(shù)百原子)，但是具有相對大的表面面積與體積的比率。雖然大多數(shù)的納米粒子大小在大約10納米到大約500納米，不過所謂納米粒子也可能包括在這個范圍之外的粒子。例如，小至1納米和大至1×103納米的粒子可以仍然被認(rèn)為是納米粒子。納米粒子能用廣泛的材料做成。這些材料的例子之中包括，過渡金屬，稀土金屬，VA組元素，聚合物，染料，半導(dǎo)體，堿土金屬，堿金屬，IIIA組元素，和IVA組元素。進(jìn)一步說，納米粒子本身也可被認(rèn)為是一個納米粒子復(fù)合物，它們可能包括廣泛的材料，單體，混合體，計(jì)量(stoichiometric)或非計(jì)量化合物。材料可以是晶體的，無定形的，或混和的，或這些結(jié)構(gòu)的組合?；|(zhì)可包括一種任意的玻璃狀基質(zhì)，如無定形有機(jī)聚合物。有機(jī)聚合物可包括典型的碳?xì)渚酆衔锖望u代聚合物。在一個光學(xué)器件中，如平面光波導(dǎo)，光纖，光學(xué)薄膜，或一個大型光學(xué)器件，如光學(xué)透鏡或棱鏡，總希望總光損失保持在最小量。例如，就平面光波導(dǎo)而言，總損失大小應(yīng)該大約等于或小于0.5分貝/厘米(dB/cm)，比如小于0.2dB/cm。對于一種被用作光學(xué)材料的高度透明的光學(xué)介質(zhì)，一個基本的要求就是該介質(zhì)很少，或沒有，吸收和散射損失。本征吸收損失普遍起因于存在電子的，振動的，或電子和振動藕合的模式的基本激發(fā)態(tài)。進(jìn)一步說，光學(xué)器件的設(shè)備運(yùn)行波長，應(yīng)該在很大程度上不同于這些激發(fā)態(tài)的基本的或諧波的波長，尤其是對于850，1310，和1550納米的通訊波長，這些波長位于標(biāo)準(zhǔn)石英光纖或波導(dǎo)的低損耗光學(xué)窗戶。更進(jìn)一步，這些吸收性的諧波能導(dǎo)致碳?xì)渚酆衔飶奈锢砩虾突瘜W(xué)上蛻化，因而導(dǎo)致光纖或波導(dǎo)中信號衰減的額外的和經(jīng)常是數(shù)倍的永久性增加。當(dāng)信號波遇到原本均勻光學(xué)介質(zhì)折射率突變的時(shí)候，物質(zhì)的散射損失就發(fā)生了。這些不連續(xù)性可能起因于存在成分不均勻，微晶，微孔結(jié)構(gòu)，空穴，破碎，應(yīng)力，錯位，或甚至因?yàn)橥鈦淼碾s質(zhì)，比如是灰塵或其他的微粒子。在光學(xué)的散射損失的各種不同的機(jī)制之中的，一個重要的因素是光學(xué)材料的多孔性。由于各種不同的物質(zhì)特性之間的互相作用的結(jié)果，例如，表面能，溶解度，玻璃轉(zhuǎn)化溫度，熱力學(xué)函數(shù)熵等，和處理?xiàng)l件，如溫度，壓力，大氣等，光學(xué)材料，如無定形全氟聚合體在常規(guī)處理?xiàng)l件下會出現(xiàn)很多微孔結(jié)構(gòu)。如此的微孔結(jié)構(gòu)能引起光學(xué)的散射損失并且應(yīng)該被除去，或者被轉(zhuǎn)換成更小的尺寸，目的是要滿足某個低光學(xué)損耗設(shè)備的性能要求。更加小的孔叫做納米孔。納米孔是指材料里的大小在納米量級的孔。通常，納米孔比一個原子尺寸要大，但比1000nm要小。大多數(shù)的納米孔的尺寸為大約1個nm到大約500個nm，不過，所謂納米孔也能包括尺寸在此范圍之外的孔。例如，小至0.5納米和大至1×103納米的粒子仍然可以被認(rèn)為是納米粒子。通過將納米粒子加進(jìn)光學(xué)透明的基質(zhì)，由于納米粒子的吸收和散射損失就可能增加到光學(xué)損失中。為了要保持最小的光學(xué)損失，除了要控制來自基質(zhì)的損耗之外，控制那些為了光學(xué)應(yīng)用而加入到基質(zhì)中的納米粒子的吸收和散射損失也是很重要的。對那些加入到基質(zhì)中的大約是球狀的不連續(xù)的納米粒子來說，來自于粒子的存在的散射損失α，每單位長度dB，是基于粒子直徑d，納米粒子和波導(dǎo)核心的折射率比m＝npar/ncore，和納米粒子在基質(zhì)波導(dǎo)核心中的體積比Vp。能計(jì)算出由納米粒子引起的散射損失的算式α=1.692×103(m2-1m2+2)2d3Vpλ4.---(1)]]>
其中，λ是在波導(dǎo)中傳播的光的真空波長。舉例，當(dāng)m＝2，Vp＝10％，λ＝1550nm，d＝10nm，算出的散射損失α是0.07dB/cm。為了制造某設(shè)定光損耗的波導(dǎo)器件，因此由納米粒子引起的損耗預(yù)算為α，則納米粒子直徑d必須滿足下列等式d<(α11.692×103(m2+2m2-1)2λ4Vp)1/3---(2)]]>其中λ是在波導(dǎo)中傳播的光的真空波長，m＝npar/ncore是納米粒子和波導(dǎo)核心的折射率的比，Vp是納米粒子體積和基質(zhì)波導(dǎo)核心的體積比。例如，根據(jù)等式2，對一個納米粒子損耗預(yù)算α＝0.5dB/cm來說，當(dāng)m＝2，Vp＝10％，λ＝1550nm，則納米粒子直徑d必須小于19nm。一般地，納米粒子的直徑必須小于大約50nm，優(yōu)選地小于20nm。對納米粒子損耗的描述也能用于納米孔造成的傳播損耗，通過將納米孔等同于折射率為1的納米粒子。包括納米粒子分布在基質(zhì)材料里面的復(fù)合材料已經(jīng)被用于光學(xué)應(yīng)用。例如，美國專利5,777,433號(’433專利)公布了一種發(fā)光二極管(LED)，該二極管包括含有多個分布在基質(zhì)材料中的納米粒子的包裝材料。納米粒子增加了基質(zhì)材料的折射率，從而形成一種包裝材料，該包裝材料更適合那些在包裝材料里面的相對高折射率的LED芯片。因?yàn)榧{米粒子不與穿過包裝材料的光起作用，包裝材料對LED發(fā)出的光實(shí)質(zhì)上是透明的。雖然’433專利中使用的包裝材料提供了一些由分布在基質(zhì)材料中的納米粒子所帶來的優(yōu)點(diǎn)，但’433專利的復(fù)合材料也存在不少問題。例如，’433專利的復(fù)合材料包括將玻璃狀或普通的碳?xì)渚酆衔?，比如環(huán)氧樹脂和塑料，用作基質(zhì)材料。這些材料在某些應(yīng)用中可能是適當(dāng)?shù)?，不過，該復(fù)合材料在許多其他區(qū)域中的能力受到了限制。例如，’433專利的基質(zhì)材料普遍都有很高的吸收損失。而且，’433專利的方法的問題在于，其沒有考慮來自相對大的納米孔或納米孔結(jié)構(gòu)的光散射損失。事實(shí)上，在光學(xué)的散射損失的各種不同的機(jī)制之中，一個重要的因素是光學(xué)的材料的多孔性。由于各種不同的材料特性之間的互相作用的結(jié)果，例如，表面能，溶解度，玻璃轉(zhuǎn)化溫度，熱力學(xué)函數(shù)熵等，和處理?xiàng)l件，例如溫度，壓力，大氣等，光學(xué)材料，如無定形全氟聚合物，在常規(guī)處理?xiàng)l件下會出現(xiàn)很多納米孔結(jié)構(gòu)。如此的納米孔結(jié)構(gòu)能引起光學(xué)的散射損失，應(yīng)該被除去，或者被轉(zhuǎn)換成更小的尺寸，目的是要滿足某低光學(xué)損耗儀器的性能需要。通過控制孔的大小和結(jié)構(gòu)，光散射損失就能減少很多?！?33專利的方法不能識別不連續(xù)的微孔或微孔結(jié)構(gòu)的存在，也不能教導(dǎo)對微孔大小或微孔結(jié)構(gòu)的控制。另外，對許多復(fù)合材料系統(tǒng)來說，’433專利的在基質(zhì)材料里面處理納米粒子凝聚的方法是不合適的。當(dāng)制造包括分布于基質(zhì)材料內(nèi)的納米粒子的復(fù)合材料時(shí)，凝聚是一個重要的問題。因?yàn)樵诨|(zhì)材料里面可能分布有小尺寸的和大量的納米粒子，在納米粒子表面和周圍的基質(zhì)材料的表面之間有很多的界面表面區(qū)域。結(jié)果，納米粒子/基質(zhì)材料系統(tǒng)會通過合并納米粒子從而形成較大的粒子，來將這個界面表面區(qū)域和相應(yīng)的表面能減到最小。這個過程即是凝聚。一旦納米粒子在基質(zhì)材料里面凝聚，再把被凝聚的粒子分開成為單個的納米粒子是極端困難的。在基質(zhì)材料里面的納米粒子的凝聚可能導(dǎo)致一個缺乏所需特性的復(fù)合材料。特別是，當(dāng)納米粒子凝聚的時(shí)候，所形成的較大粒子可能不具有較小的納米粒子的相似的表現(xiàn)。例如，在納米粒子足夠小，以避免復(fù)合材料內(nèi)的散射的同時(shí)，凝聚粒子卻可能足夠大地引起散射。結(jié)果，由于這種凝聚粒子的存在，基質(zhì)材料可能就變成比較不透明了。要防止凝聚，’433專利的復(fù)合材料就用了一種反絮凝的涂料層包在納米粒子外，以防止凝聚。特別地，’433專利提出使用表面活性劑的有機(jī)涂料層來抑制凝聚。然而，這些類型的涂料可能并不合適或并不有效，尤其是用于典型碳?xì)渚酆衔镏獾幕|(zhì)材料時(shí)。因此，就需要有能克服一種或多種上述現(xiàn)有技術(shù)中提到的問題或缺點(diǎn)的復(fù)合材料。本發(fā)明就是為了克服一種或多種與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的問題或缺點(diǎn)。
發(fā)明目的
本發(fā)明涉及用于復(fù)合材料中的基質(zhì)材料。本發(fā)明還涉及赤裸的，有涂層的，赤裸的核心-外殼和涂層過的核心-外殼的納米粒子。本發(fā)明還涉及復(fù)合材料，比如聚合物納米復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及包含多種納米粒子的復(fù)合材料。本發(fā)明也涉及復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括一種基質(zhì)，及包含在鹵代的基質(zhì)中的多種納米粒子。一種鹵代物外層可能覆蓋納米粒子本身。本發(fā)明還涉及復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括一種基質(zhì)，及包含在基質(zhì)中的多種納米粒子。在一個實(shí)施例中，形成復(fù)合材料的過程包括，將每一種納米粒子外部涂上一層鹵代物外層，再將涂層過的多種納米粒子分散到基質(zhì)材料中。在另一個實(shí)施例中，有一個光波導(dǎo)，包括一個傳輸入射光的光波導(dǎo)核心，和一種覆蓋在光波導(dǎo)核心周圍的包覆材料。在另一個實(shí)施例中，光波導(dǎo)的核心包括一種基質(zhì)，在基質(zhì)中分散著的多種納米粒子，其中，這些納米粒子可能包裹有鹵代物涂層。


在附圖中
圖1描述根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2描述根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的波導(dǎo)的剖面圖。
圖3描述根據(jù)本發(fā)明的一個波導(dǎo)實(shí)施例。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個波導(dǎo)實(shí)施例。
圖5描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的含有納米粒子的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的納米粒子的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，形成復(fù)合材料的過程的流程圖。
圖8描述了納米粒子的原子力顯微鏡(AFM)圖像。
圖9描述了在兩個不同的光波長下，納米粒子大小與光學(xué)損耗的函數(shù)關(guān)系。
圖10描述了在兩個不同的光波長下，納米粒子大小與光學(xué)損耗的函數(shù)關(guān)系。
圖11描述了在兩個不同的光波長下，納米粒子大小與光學(xué)損耗的函數(shù)關(guān)系。
圖12描述了在不同的剩余多孔率條件下，含氟聚合物的散射損失與微孔直徑的關(guān)系。
圖13描述了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例，包括聚合體納米復(fù)合物的光學(xué)制品。
發(fā)明的詳細(xì)描述
在下面的說明書中，將參照作為說明書一部分的附圖來進(jìn)行描述，在這些附圖中，示出了可以實(shí)行本發(fā)明的特定的實(shí)施例。這些實(shí)施例在充分的詳細(xì)描述后，使那些本技術(shù)領(lǐng)域中的人能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，而且可以理解的是，還可以實(shí)行其他的實(shí)施例，并在不背離本發(fā)明的范圍下作出改變。
為了本公開的目的，在基質(zhì)中分布有納米粒子的材料被定義為一種復(fù)合材料。包含有分布于聚合物基質(zhì)材料之中的納米粒子的復(fù)合材料，可能提供人們想要的性質(zhì)。例如，它們可能對元件和包括所述復(fù)合材料的材料的熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性，生物適應(yīng)性進(jìn)行改良。在一個實(shí)施例中，納米粒子的小尺寸有可能在不影響基質(zhì)材料的其他性質(zhì)的情況下，就能將來自納米粒子的性質(zhì)賦予給復(fù)合材料。例如，納米粒子可能比入射光的波長更小，入射光的波長一般在大約1200nm和1700nm之間，這樣，入射光不會與納米粒子起作用。換句話說，入射光不會被納米粒子散射。因此，當(dāng)將制作成適當(dāng)尺寸的納米粒子分布在一個透明的基質(zhì)里面，基質(zhì)材料可能保持光學(xué)透明性，因?yàn)檎丈涞椒植荚诨|(zhì)材料里面的納米粒子的光的散射是無關(guān)重要的或沒有的。
圖1顯示了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的復(fù)合材料的示意圖。在一個實(shí)施例中，復(fù)合材料包含無序的玻璃質(zhì)的聚合物基質(zhì)10，和多種均勻地或非均勻地分布在基質(zhì)10中的納米粒子11。合適的基質(zhì)可以包含一種無定形有機(jī)聚合物。有機(jī)聚合物可以包括典型的碳?xì)渚酆衔锖望u代聚合物。在一個光學(xué)元件中，如平面光波導(dǎo)，光纖，光薄膜，或一個大型光學(xué)器件，如光透鏡或棱鏡，一般希望它們的由吸收和散射損失組成的總光學(xué)損失能保持最小。
在光學(xué)散射損失的各種不同的機(jī)制之中，一個重要的因素是光學(xué)材料的多孔性。由于各種不同的材料特性之間的互相作用的結(jié)果，例如，表面能，溶解度，玻璃轉(zhuǎn)化溫度，熱力學(xué)函數(shù)熵等，和處理?xiàng)l件，例如溫度，壓力，大氣等，光學(xué)材料，如無定形全氟聚合物，在常規(guī)處理?xiàng)l件下會出現(xiàn)很多微孔結(jié)構(gòu)。這樣的微孔結(jié)構(gòu)會引起光學(xué)的散射損失，應(yīng)該被除去，或者被轉(zhuǎn)換成更小的尺寸，目的是要滿足某低光學(xué)損失設(shè)備的性能要求。通過控制微孔的大小和微孔的結(jié)構(gòu)，光散射損失就能減少很多。對那些均勻分布到基質(zhì)中的大約為球狀的不連續(xù)的納米孔，來自于納米孔的散射損失α，每單位長度dB，是基于微孔直徑d，納米孔和基質(zhì)周圍的折射率比m＝npar/nsur，和納米孔在基質(zhì)中的體積比Vp。能計(jì)算出由納米孔引起的散射損失的算式
α=1.692×103(m2-1m2+2)2d3Vpλ4.---(1)]]>
其中λ是在波導(dǎo)中傳播的光的真空波長。舉例，當(dāng)m＝1.3，Vp＝10％，A＝1550nm，d＝10nm，算出的散射損失α是0.001dB/cm。為了制造某設(shè)定光損失的波導(dǎo)器件，因此由納米孔引起的損失預(yù)算為α，納米孔直徑d必須滿足下列等式
d<(α11.692×103(m2+2m2-1)2λ4Vp)1/3.---(2)]]> 其中λ是在波導(dǎo)中傳播的光的真空波長，m＝npar/ncore是納米孔和基質(zhì)材料的折射率的比，Vp是納米孔在基質(zhì)中的體積比。例如，根據(jù)等式2，對一個納米孔損失預(yù)算α＝0.5dB/cm來說，當(dāng)m＝1.3，Vp＝10％，λ＝1550nm，則納米孔直徑d必須小于37nm。在某個實(shí)施例中，納米孔的直徑應(yīng)該小于100nm，并進(jìn)一步小于50nm。
將球形粒子狀的微孔折光系數(shù)視為等于1，當(dāng)波長(λ)等于1310nm時(shí)，所希望的散射損失與微孔直徑的函數(shù)關(guān)系如圖12所示。納米孔在含氟聚合物薄膜中的情況下(n＝1.34)，在20nm的平均直徑下，5vol％的剩余多孔率，在λ＝1310nm時(shí)，會導(dǎo)致1.4×10-4dB/cm的散射損失。這樣的剩余多孔率不會導(dǎo)致任何顯著的散射損失。但是，對于多孔性體積分?jǐn)?shù)高達(dá)25％的高度多孔的薄膜，只要微孔直徑不超過20nm，散射損失將保持低于7×10-4dB/cm。
包含分布在基質(zhì)材料里面的納米孔的納米孔材料已經(jīng)被用于光學(xué)應(yīng)用。例如，在橫截面是均勻正方形，或圓形的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光穿過材料傳播時(shí)，波導(dǎo)材料應(yīng)該只有很少，或沒有光學(xué)衰減或損失。光損失的一個潛在的來源是材料的散射中心，如在波導(dǎo)材料中相對廣泛分布的孔或空洞結(jié)構(gòu)。
因此，大量的納米孔可以以分離的單個孔的形式而分布在基質(zhì)中，或者以聯(lián)合的團(tuán)塊狀，一些甚至在整個材料樣品中以連續(xù)的互相連接成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)分布，這樣就形成納米孔的結(jié)構(gòu)。
在基質(zhì)材料里面的納米孔的聚集可能導(dǎo)致一種缺乏所需特性的多孔材料。特別地，當(dāng)納米孔凝聚在一起時(shí)，形成的較大的納米孔結(jié)構(gòu)可能不具有較小的納米孔的相似的表現(xiàn)。例如，在納米孔足夠小從而可以避免基質(zhì)材料內(nèi)的散射光的同時(shí)，凝聚的孔卻可能足夠大地引起散射。因此，在存在這種納米孔結(jié)構(gòu)的情況下，基質(zhì)材料可能基本上不透明。
因此，例如，在許多潛在的基質(zhì)聚合物材料中，鹵代聚合物已經(jīng)顯示出有應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的可能性。眾所周知，如含氟聚合物這樣的鹵代聚合物，出現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)是不可預(yù)知的。然而，在光學(xué)領(lǐng)域，在由鹵代聚合物制成的光學(xué)器件中出現(xiàn)這樣的多孔結(jié)構(gòu)，尤其在納米量級上，最終會導(dǎo)致光散射，尤其是，如薄膜和光纖的光波導(dǎo)，因而造成重要的光信號衰減。為了要達(dá)到比較低的光損失，因此，控制納米孔和相關(guān)的納米孔結(jié)構(gòu)的尺寸和分布是重要的。
在一個實(shí)施例中，基質(zhì)10可能包含一種聚合物，一種共聚物，或一種三元共聚物，可單獨(dú)存在，或以其他的基質(zhì)材料的混合物存在。
在另一個實(shí)施例中，基質(zhì)10包含一種鹵代彈性體，一種全鹵代彈性體，一種鹵代塑料，或一種全鹵代塑料，可單獨(dú)存在，或以在此處被列出的其他基質(zhì)材料的混合物存在。
在另一個實(shí)施例中，基質(zhì)10可以包含一種聚合物，一種共聚物，或一種三元共聚物，具有至少一種選自下列結(jié)構(gòu)式的鹵代單體
其中，R1，R2，R3，R1，和R5，可以相同或者不同，從直鏈或支鏈的碳?xì)浠溨羞x取，能夠形成至少一個飽和或不飽和碳基環(huán)，其中，碳?xì)浠溨辽儆幸粋€氫原子可能被鹵代如鹵代烷基(halogenated alkyl)，鹵代芳基(halogenated aryl)，鹵代環(huán)烷烴(halogenatedcyclic alky)，鹵代烯烴(halogenated alkenyl)，鹵代烷基醚(halogenated alkylene ether)，鹵代硅氧烷(halogenated siloxane)，鹵代醚(halogenated ether)，鹵代聚醚(halogenatedpolyether)，鹵代硫醚(halogenated thioether)，鹵代亞甲硅基(halogenated silylene)，鹵代硅氮烷(halogenated silazane)。Y1和Y2可能相同或不同，從H，F(xiàn)，Cl，和Br原子中選取。Y3從H，F(xiàn)，Cl，和Br原子，CF3和CH3中選取。
或者，該聚合物可能包含由如下所列出的單體生成的聚合物縮合產(chǎn)物
HO-R-OH+NCO-R’-NCO；或
HO-R-OH+Ary1-Ary2，
其中，R，R’，可能相同或者不同，從鹵代亞烴基(halogenated alkylenes)，鹵代硅氧烷，鹵代醚，鹵代亞甲硅基，鹵代芳香烴(halogenated arylenes)，鹵代聚醚，鹵代環(huán)烷烴中選取。Ary1，Ary2，可能相同或者不同，可從鹵代芳基和鹵代芳烷(halogenatedalkyl aryls)中選取。
這里所使用的Ary，被定義為飽和的，或不飽和的，鹵代芳基，或鹵代芳烷基團(tuán)。
或者，基質(zhì)10可以包括鹵代聚環(huán)蠟(halogenated cyclic olefin polymers)，鹵代共聚環(huán)蠟(halogenated cyclic olefin copolymers)，鹵代聚多環(huán)(halogenatedpolycyclic polymers)，鹵代聚酰亞胺(halogenated polyimides)，鹵代聚醚醚酮(halogenated polyether ether ketones)，鹵代環(huán)氧樹脂(halogenated epoxy resins)，鹵代聚砜樹脂(halogenated polysulfones)，或鹵代聚碳酸酯(halogenatedpolycarbonates)。
在一個實(shí)施例中，基質(zhì)10，如一個氟化聚合物基質(zhì)10，可能在很寬的波長范圍上吸收損失非常小。因此，這樣的氟化聚合物材料對于光學(xué)應(yīng)用可能是合適的。
在一個實(shí)施例中，被鹵代的芳香基，烷基，烯烴基，烯烴基乙醚，烷氧基，硅氧烷，乙醚，聚醚，硫醚，亞甲硅基和硅氮烷基團(tuán)至少部份地被鹵代，意味著基團(tuán)中至少一個氫已經(jīng)被一個鹵素取代。在另一個實(shí)施例中，至少基團(tuán)中的一個氫可能被氟取代?；蛘?，這些芳香基，烷基，烯烴基，烯烴基乙醚，烷氧基，硅氧烷，乙醚，聚醚，硫醚，亞甲硅基和硅氮烷基團(tuán)可以完全地被鹵代，意味著基團(tuán)中的每個氫已經(jīng)被一個鹵素所取代。在一個示例中，芳香基，烷基，烯烴基，烯烴基乙醚，烷氧基，硅氧烷，乙醚，聚醚，硫醚，亞甲硅基和硅氮烷基團(tuán)可能完全被氟化，意味著每個氫已經(jīng)被氟代替。此外，烷基和烯烴基團(tuán)體可能包括1至12個碳原子。
另外，基質(zhì)10可以包括一種或幾種不同的鹵代聚合物，如含氟聚合物，的混和物。進(jìn)一步地，基質(zhì)10也可能包括其他的聚合物，如包含了功能團(tuán)的鹵代聚合物，這些功能團(tuán)諸如亞磷酸鹽(phosphinates)，磷酸鹽(phosphates)，羧酸鹽(carboxylates)，硅烷(silanes)，硅氧烷(siloxanes)，硫化物(sulfides)，包括POOH，POSH，PSSH，OH，SO3H，SO3R，SO1R，COOH，NH2，NHR，NR2，CONH2，NH-NH2，和其它，其中，R可以包括芳香基，烷基，亞烴基(alkylenes)，硅氧烷(siloxanes)，硅烷(silanes)，乙醚(ethers)，聚醚(polyethers)，硫醚(thioethers)，亞甲硅基(silylenes)和硅氮烷(silazanes)之中的任何一個。而且，基質(zhì)10還可以包括乙烯(vinyl)，丙烯酸鹽(acrylate)，甲基丙烯酸鹽(methacrylate)，乙烯基芳香族(vinyl aromatic)，乙烯基酯(vinyl ester)，阿爾發(fā)貝它不飽和酸酯(alpha betaunsaturated acid ester)，不飽和羧酸酯(unsaturated carboxylic aeid ester)，氯乙烯(vinyl chloride)，乙烯叉二氯(vinylidene chloride)，和二烯單體(diene monomers)的單質(zhì)聚合物或共聚物。而且，基質(zhì)也可以包括含氫氟化彈性體(hydrogen-containingfluoroelastomer)，含氫全氟化彈性體(hydrogen-containing perfluoroelastomer)，含氫氟化塑料(hydrogen-containing fluoreplastic)，全氟熱塑性塑料(perfluorothermoplastic)，至少兩種不同的含氟聚合物，或一種交聯(lián)鹵代聚合物。
基質(zhì)10的例子包括poly[2，2-bistrifluoromethyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly[2，2-bisperfluoroalkyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly[2，3-(perfluoroaIkenyl)perfluorotetrahydrofuran]，poly[2，2，4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly(pentafluorostyrene)，氟化聚酰亞胺(fluorinated polyimide)，氟化聚甲基丙烯酸甲酯(fluorinated polymethylmethacrylate)，聚氟化丙烯酸(polyfluoroacrylates)，聚氟化苯乙烯(polyfluorostyrene)，氟化聚碳酸酯(fluorinated polycarbonates)，fluorinated poly(N-vinylcarbazole)，氟化丙烯氰-苯乙烯的共聚物(fluorinatedacrylonitrile-styrene copolymer)，氟化全氟磺酸膜Nafion，fluorinated poly(phenylenevinylene)，全氟-多環(huán)的聚合物(perfluoro-polycyclic polymers)，氟化環(huán)石蠟聚合物(polymers of fluorinated cyclic olefin)，或氟化環(huán)石蠟共聚物(copolymers offluorinated cyclic olefin)。
另外，基質(zhì)也可以包括對于光學(xué)應(yīng)用足夠清晰的任何聚合物。這樣的聚合物的例子包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，環(huán)烯烴共聚物，環(huán)烯烴聚合物，丙烯酸鹽聚合物，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，聚亞苯乙烯，聚醚乙醚酮，poly(N-vinylcarbazole)，丙烯氰-苯乙烯的共聚物或poly(phenylenevinylene)。
通過在基質(zhì)10中加入如氟這樣的鹵素，基質(zhì)10和由此獲得的復(fù)合材料的光學(xué)特性比傳統(tǒng)的復(fù)合材料優(yōu)越。與碳?xì)渚酆衔锏腃-H化學(xué)鍵不同，碳-鹵素化學(xué)鍵(如C-F)將振動諧波紅移到電信通訊所使用的范圍之外的波長更長的區(qū)域。例如，碳-鹵素化學(xué)鍵具有從0.8微米到0.9微米之間，和從1.2微米到1.7微米之間的低吸收水平的振動諧波。當(dāng)經(jīng)過部份鹵代到全鹵代去除氫，振動諧波的光的吸收就減少了。對一種聚合物中氫的數(shù)量進(jìn)行定量的一個參數(shù)，是對于特定單體單位的每個氫原子的分子量。對于在光學(xué)應(yīng)用中有用的高度鹵代聚合物，該比值可高達(dá)100或更高。對全鹵代的材料，該比值接近無限大。
有一類復(fù)合材料包含了分布在基質(zhì)材料中的納米粒子。納米粒子是那些大小在納米量級上的材料粒子。通常，納米粒子比原子團(tuán)(有時(shí)，可能只是數(shù)百原子)更大，但是具有相對大的表面面積與體積比率。雖然大多數(shù)的納米粒子大小在大約10納米到大約500納米，不過所謂納米粒子也可能包括在這范圍外的粒子。
例如，小至1納米和大至1×103納米的粒子仍然被認(rèn)為是納米粒子。將納米粒子加入光學(xué)透明的基質(zhì)，由于納米粒子的吸收和散射損失，可能增加光學(xué)損失。為了要保持最小的光學(xué)損失，除了要控制來自基質(zhì)的損耗之外，控制那些為了光學(xué)應(yīng)用而加入到基質(zhì)中的納米粒子的吸收和散射損失也是很重要的。
圖9，10，和11提供由于納米粒子的存在而引起散射損失的例子。包含折射率約為1.6725的納米粒子，和折射率約為1.6483的基質(zhì)材料的納米復(fù)合物，在988nm有約0.6dB/cm的損失。另一方面，當(dāng)基質(zhì)和納米粒子折射率之間的不匹配比較大，當(dāng)粒子大小超過50nm時(shí)，就會有高散射損失，如圖10和11所示。如果納米粒子的粒子直徑小于20nm，即使加入很多(4vol％)也不導(dǎo)致任何明顯的散射損失。因此，為了要保持由納米粒子的存在所帶來的低光學(xué)損耗，需要維持納米粒子大小在20nm之下。
納米粒子能用廣泛的材料做成。這些材料例子之中包括，過渡金屬，稀土金屬，VA族元素，聚合物，染料，半導(dǎo)體，堿土金屬，堿金屬，IIIA族元素和IVA族元素。納米粒子能用廣泛的材料做成。這些材料包括，金屬，陶土，難熔融物質(zhì)，非傳導(dǎo)性物質(zhì)，碳或石墨，天然的和人工合成的聚合物，過渡金屬元素，稀土金屬元素，VA族元素，半導(dǎo)體，堿土金屬元素，IIIA族元素和IVA族元素或聚合物和染料。
進(jìn)一步說，材料可能是晶體的，無定形的，或混合的，或如此結(jié)構(gòu)的組合。納米粒子11可以是赤裸的，有涂層的，赤裸的核心-外殼和涂層過的核心-外殼的納米粒子。進(jìn)一步說，納米粒子它們本身也可被認(rèn)為是一個納米粒子復(fù)合物，本身也可能是用單體，復(fù)合體，計(jì)量非計(jì)量化合物等不同的材料做成的。材料可能是晶體的，無定形的，或混合的，或如此結(jié)構(gòu)的組合。
而且，納米粒子它們本身也可被認(rèn)為是一種納米粒子復(fù)合物，可能是用單體，化合物，計(jì)量或非計(jì)量化合物等不同的材料做成的. 大多數(shù)納米粒子11可能包括一個外部涂層12，至少部分地覆蓋納米粒子11的涂層可防止它們的凝聚。適當(dāng)?shù)耐苛峡赡苡幸粋€與基質(zhì)相容的在后面的基團(tuán)，和一個前面的基團(tuán)，該前面的基團(tuán)通過物理吸收或化學(xué)反應(yīng)使其能附在粒子的表面。依照本發(fā)明的納米粒子11可以與有效的涂料材料一起攙加。有效數(shù)量是達(dá)成所需結(jié)果所需的數(shù)量。摻雜玻璃質(zhì)介質(zhì)，單晶，或聚合物的納米粒子被嵌入基質(zhì)核心材料10。活性的納米粒子可能任意地而且均勻地被分布。在聚合物核心材料中嵌入稀土摻雜的納米粒子，或共摻雜的玻璃體，單晶，有機(jī)染料，或聚合物。對于在納米粒子和周圍的聚合物核心基質(zhì)之間由于機(jī)械的，化學(xué)的，或熱力性質(zhì)的不匹配而產(chǎn)生接觸面分離的情況，可以在納米粒子外面覆蓋一層匹配層以提高納米粒子和基質(zhì)聚合物核心材料之間的接觸面性質(zhì)。
如圖1所示，納米粒子可以包括一個外表層12。在此處使用的術(shù)語“層”是內(nèi)部核心(或另一內(nèi)層)的外表面上的一個相對薄的覆蓋層，足以讓內(nèi)部核心不同的特性賦予到外部表面。有效的層并不需要連續(xù)的或厚的，雖然在某些實(shí)施例中它可能是又連續(xù)又厚。
納米粒子11可能包含各種不同的材料，而且它們可以使用一些不同的方法來制造。本發(fā)明的一個實(shí)施例中，使用電噴霧過程來生產(chǎn)納米粒子。在這一個過程中，包含了納米粒子前驅(qū)材料的非常小的溶液滴，從加了正負(fù)電位的毛細(xì)管的終端出來。大的電位和在毛細(xì)管的終端很小的曲率半徑產(chǎn)生一個強(qiáng)大的電場，導(dǎo)致出來的液滴離開毛細(xì)管終端形成霧狀的微小液滴。運(yùn)送氣體捕獲微小液滴，然后進(jìn)入一個蒸發(fā)室。在這個蒸發(fā)室中，小滴的液體蒸發(fā)，而且小滴尺寸在快速地減少。當(dāng)液體完全地被蒸發(fā)的時(shí)候，納米粒子的一個氣溶膠被形成。這些粒子可被收集形成粉狀，或者它們可分散進(jìn)入一個溶液之內(nèi)。納米粒子的大小是可變的，并且取決于過程參數(shù)。
舉本發(fā)明的一個實(shí)施例，納米粒子11的主要的尺寸小于大約50nm。就是，納米粒子的最大量綱(例如，對于球形粒子的情況，就是直徑)小于約50nm，在另一個實(shí)施例中，小于約20nm。
其他的過程對制造本發(fā)明的納米粒子11也是有用的。例如，納米粒子可以用激光脫離，激光驅(qū)動反應(yīng)，火焰和等離子體處理，溶液-狀態(tài)的合成，溶膠-凝膠處理，水沫裂解，火焰裂解，激光裂解，火焰水解，力化學(xué)處理，電鍍(sono-electro)化學(xué)，物理蒸汽沉淀，化學(xué)蒸汽沉淀，混合-合金處理，分解-沉淀作用，液相沉淀作用，高能源球碾磨，hydrothermal法，glycothermal方法，真空沉淀，聚合物型板處理，微乳膠過程或任何其他適當(dāng)?shù)姆椒▉慝@得有適當(dāng)?shù)某叽绾吞匦缘牧Ｗ?。溶膠-凝膠的過程以醇鹽的繼續(xù)的水解和濃縮為基礎(chǔ)，比如金屬醇鹽，在助溶劑的存在下，開始于酸或堿水溶液。用水，表面活性劑或涂料試劑，控制水解和濃縮反應(yīng)的程度，能導(dǎo)致產(chǎn)生粒子直徑在納米范圍的最終產(chǎn)品。溶膠-凝膠的過程能用來生產(chǎn)納米量級的金屬的，陶瓷的，玻璃的和半導(dǎo)體的粒子。利用各種方法做成的納米粒子的大小能用透射電子顯微鏡(TEM)，原子力顯微鏡(AFM)，或表面區(qū)域分析來決定。對于晶體材料，依照1954年Wiley出版的″X光衍射過程″的第9章中描述的譜線擴(kuò)大，X光粉末衍射圖樣也能用來計(jì)算微晶大小。
納米粒子的出現(xiàn)能影響復(fù)合材料的其他性質(zhì)。例如，對于光學(xué)應(yīng)用，可以依照所特定需要的折射率來選擇納米粒子材料。對于某種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以依照熱力特性，或熱擴(kuò)充系數(shù)來選擇制作納米粒子材料11的材料類型。其他的應(yīng)用可能取決于材料的機(jī)械的，磁性的，電的，熱-光的，磁-光的，電-光，聲-光的性質(zhì)來制作納米粒子材料11。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子材料11，是取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包括一種或多種活性的材料，使得復(fù)合材料是一個增益介質(zhì)。當(dāng)光信號遇到活性材料時(shí)，活性材料起增益介質(zhì)的作用?；钚圆牧峡梢园ㄒ噪x子，合金，化合物，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物為形式的過渡金屬元素，稀土金屬元素，actinide錒類元素鈾，VA族元素，半導(dǎo)體和IVA族元素。這樣活性材料的例子包括但是不限于Ce3+，Pr3+，Nd3+，Pm3+，Sm3+，Eu3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+，Er3+，Tm3+，Yb3+，V2+，V3+，Cr2+，Cr3+，Cr4+，Mn5+，Co2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+，U3+，和Bi3+，和半導(dǎo)體，諸如Si，Ge，SiGe，GaP，GaAs，InP，InAs，InSb，PbSe，PbTe?；钚圆牧弦材馨瑥?.17微米到7.2微米的上述的材料的組合。
組成基質(zhì)材料的納米粒子11可以是離子，合金，化合物，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物的形式，而且可以包含下列氧化物，磷酸鹽(phosphate)，鹵化磷酸鹽(halophosphate)，亞磷酸鹽，砷酸鹽，硫酸鹽，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽(gallates)，硅酸鹽，鍺酸鹽(germanate)，釩酸鹽(vanadate)，鈮酸鹽(niobate)，鉭酸鹽(tantalaite)，鎢酸鹽，鉬酸鹽(molybdate)，堿鹵化鹽(alkalihalogenates)，鹵化物，氮化物，硒化物，硫化物，sulfoselenides，tetrafluoroborates，hexafluorophosphinates，膦酸鹽(phosphonate)和氧硫化物(oxysulfide)。
在某個實(shí)施例中，過渡金屬離子V2+，V3+，Cr2+，Cr3+，Cr4+，Mn5+，Co2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，B3+和Ti3+，可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中，而成為從0.61微米到3.5微米的增益介質(zhì)。
在另一個實(shí)施例中，稀土離子Ce3+，Pr3+，Nd3+，Pm3+，Sm3+，Eu3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+，Er3+，Tm3+和Yb3+，可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中，而成為從0.17微米到7.2微米的增益介質(zhì)。
在另一個實(shí)施例中，例如金屬離子U3+，和Bi3+，可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中，而分別成為從2.2微米到2.8微米，和靠近1.3微米的增益介質(zhì)。
在另一個實(shí)施例中，例如，Er3+和Yb3+，可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中，而分別成為從0.9微米到1.1微米，和從1.5微米到1.6微米的增益介質(zhì)。
在另一個實(shí)施例中，例如，Er3+和Cr4+，可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中，而分別成為從1.2微米到1.4微米，和從1.5微米到1.6微米的增益介質(zhì)。
在另一個實(shí)施例中，例如，Er3+可獨(dú)自地或和其他的活性離子一起地?fù)诫s在晶體納米粒子中用來放大，范圍從大約1.5微米到1.6微米，優(yōu)選為1.55微米。在另一個實(shí)施例中，一些包含如Er3+的活性離子，和其他的活性離子的獨(dú)立種類的納米粒子，可摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)。例如，Yb3+可以和包含Er3+的納米粒子共摻雜，而為泵激光器增加吸收橫截面。另外，Yb3+也能獨(dú)立于活性離子Er3+而摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)，以達(dá)到相同的敏感效果。
在某一實(shí)施例中，Cr4+可獨(dú)自地或和其他的活性離子一起地?fù)诫s在晶體納米粒子中用來放大，從1.2微米到1.4微米，優(yōu)選為1.31微米。在另一個實(shí)施例中，一些包含如Cr4+的活性離子，和其他的活性離子的獨(dú)立種類的納米粒子，可摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)。例如，Yb3+可以和包含Cr4+的納米粒子共摻雜，而為泵激光器增加吸收橫截面。另外，Yb3+也能獨(dú)立于活性離子Cr4+而摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)，以達(dá)到相同的敏感效果。
在某個實(shí)施例中，Er和Cr4+可一起地或和其他的活性離子一起地?fù)诫s在晶體納米粒子中用來放大，范圍從大約1.2微米到大約1.4微米，和從大約1.5微米到大約1.6微米，優(yōu)選為大約1.3微米和大約1.55微米。在另一個實(shí)施例中，一些包含如Er和Cr4+的活性離子，和其他的活性離子的獨(dú)立種類的納米粒子，可摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)。例如，Yb可以和包含Er和Cr4+的納米粒子共摻雜，而為泵激光器增加吸收橫截面。
另外，Yb也能獨(dú)立于活性離子Er和Cr4+而摻雜入聚合物基質(zhì)之內(nèi)，以達(dá)到相同的敏感效果。
在某個實(shí)施例中，Pr3+，Dy3+，Nd3+，和Bi3+可獨(dú)自地或一起地合并在一個納米粒子中而成為增益介質(zhì)，范圍從大約1.27微米到大約1.35微米，優(yōu)選為1.3微米，進(jìn)一步優(yōu)選為1.31微米。
在另一個實(shí)施例中，Pr3+，Dy3+和Nd3+可獨(dú)自地，或與如Yb3+的其他稀土元素一起地，合并在一個納米粒子中而成為增益介質(zhì)，范圍從大約1.27微米到大約1.35微米，優(yōu)選為1.3微米，進(jìn)一步優(yōu)選為1.31微米。
組成基質(zhì)式材料的納米粒子11可以是離子，合金，化合物，或復(fù)合材料，和可以包含下列材料氧化物，磷酸鹽，鹵化磷酸鹽，亞磷酸鹽，砷酸鹽，硫酸酯，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽，硅酸鹽，鍺酸鹽，釩酸鹽，鈮酸鹽，鉭酸鹽，鎢酸鹽，鉬酸監(jiān)，堿鹵化鹽，鹵化物，氮化物，硒化物，硫化物，sulfoselenide，tetrafluoroboratcs，hexafluorophosphate，膦酸鹽和氧硫化物。
在某些實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料，諸如Si，Ge，SiGe，GaP，GaAs，GaN，InP，InAs，InSb，PbSe，PbTe，InGaAs，和其他的計(jì)量化合物(stoichiometries)和混合物，獨(dú)自地或一起地，或和其他適當(dāng)?shù)碾x子一起地，摻雜在一個晶體納米粒子中，而成為從大約0.4微米到1.6微米的增益介質(zhì)。
含金屬材料，比如金屬chalocogenides，金屬鹽，過渡金屬，過渡金屬合成物，含過渡金屬化合物，過渡金屬氧化物和有機(jī)染料，例如，Rodamin-B，DCM，尼羅河紅，DR-19和DR-1可以用來形成納米粒子，而且聚合物也可用。作為增益介質(zhì)的稀土或過渡金屬摻雜的ZnS，或PbS也能用來形成納米粒子。
本發(fā)明包括一種放大光信號的方法。根據(jù)本發(fā)明的某個實(shí)施例，復(fù)合材料可含有用來放大光信號的增益介質(zhì)。例如，Er3+可獨(dú)自地或與稀土元素或過渡金屬元素一起地合并在一個納米粒子中，而分別成為從1.5微米到1.6微米的放大介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)稀土元素或過渡金屬元素的寬帶放大。所有上述的增益介質(zhì)都能用來光信號放大。
本發(fā)明同時(shí)包括一種鐳射方法。例如，Nd3+可獨(dú)自地或與稀土元素或過渡金屬元素一起地合并在一個納米粒子中，而分別成為從1.06微米到1.3微米的放大介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)依賴于稀土元素或過渡金屬元素的寬帶放大。所有上述的增益介質(zhì)能用來進(jìn)行鐳射。
本發(fā)明也能做激光器。此處所使用的激光器包括一個共振腔，共振腔端部是至少部份反射的表面(例如，鏡子)，并且共振腔里至少部份填充一種光學(xué)增益介質(zhì)。該激光共振腔建立了光的共振結(jié)構(gòu)，當(dāng)多次反射累積了電磁場強(qiáng)度時(shí)，激光就在此共振結(jié)構(gòu)內(nèi)開始了。
如圖13a所示，根據(jù)本發(fā)明所做成的光纖是一種波導(dǎo)。該波導(dǎo)可以包含依照本發(fā)明的復(fù)合材料。另外能與這發(fā)明一致的波導(dǎo)是一個平面波導(dǎo)。依照本發(fā)明的一個平面波導(dǎo)核心可以有一個橫截面，該橫截面可以是大致的正方形或任何其他便于制造的形狀。當(dāng)一個泵激光光束通過波導(dǎo)的時(shí)候，運(yùn)用外部能源(例如，在IR波長)，來打泵或激發(fā)增益介質(zhì)中的可激發(fā)的原子從而增加穿越經(jīng)過的信號光束強(qiáng)度。一個從放大器出來的信號光束能保持其大部分的原始特性，但是比輸入光束的強(qiáng)度更大。
本發(fā)明能做許多類型的光學(xué)放大器，包括窄帶光放大器，比如1.55微米的光放大器，1.31微米的光放大器，和超寬頻放大器。
依照本發(fā)明制作的超寬帶光放大器能跨越超過大約60個納米。在一個實(shí)施例中，一個這樣的放大器能跨越超過大約400個納米，大大超過了傳統(tǒng)的商業(yè)用的波分復(fù)用系統(tǒng)(WDM)的放大器的帶寬，它通常地只跨越大約30到60個納米。依賴本發(fā)明制作的超寬帶光放大器能處理數(shù)以百計(jì)不同的波長頻道，而不是通常網(wǎng)絡(luò)的16左右的頻道，這樣就大大增加了容量而且提高了光學(xué)層次上的網(wǎng)絡(luò)能力。對于摻鉺波導(dǎo)，能用種子技術(shù)增寬而且位移輸出的波長，從而制作更好的L波段和寬帶放大器。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，是依賴于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型光介質(zhì)?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的折射率?；钚圆牧峡梢园{米粒子11，該納米粒子11是由金屬，半導(dǎo)體，電介體絕緣體，和各種不同形式和組合的離子，合金，化合物，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物而制成。
在一個實(shí)施例中，金屬氧化物TiO2，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)和控制復(fù)合材料的折射率。
在另一個實(shí)施例中，例如，折射率為1的納米孔，可結(jié)合在一種基質(zhì)中，從而調(diào)節(jié)和控制復(fù)合材料的折射率。
在另一個實(shí)施例中，例如，折射率在大約2和5之間的半導(dǎo)體材料，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)和控制復(fù)合材料的折射率。這些材料包括，例如，Si，Ge，SiGe，GaP，GaAs，GaN，InP，InAs，InSb，PbS，PbSe，PbTe，InGaAs和其他的計(jì)量化合物和混合物，獨(dú)自地或一起地，或摻雜了其他適當(dāng)?shù)碾x子。
在另一個實(shí)施例中，例如，折射率在大約1和4之間的無機(jī)材料，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)和控制復(fù)合材料的折射率。這些材料包括，例如，TiO2，SiO2，B2O3，P2O3，Ge2O3，ZnO2，LiNbO3，BaTiO3，YAlO3，淡紅銀礦，鋯酸鹽和其他的摻雜了其他適當(dāng)?shù)碾x子的相關(guān)的材料。
依照本發(fā)明，在基質(zhì)材料10中，加入納米粒子11，或納米孔，的在某些應(yīng)用，可能提供一種光波導(dǎo)應(yīng)用中有用的復(fù)合材料。例如，納米粒子11提供了制造有一個特別的折射率的波導(dǎo)材料的能力。即由這樣控制折射率，由于相鄰材料折射率的不匹配，光傳輸損失可能被減到最少。另外，因?yàn)榧{米粒子11很小，復(fù)合材料可能保持基質(zhì)材料10的所有令人想要的傳輸性質(zhì)。使用在此公開的納米粒子，折射率應(yīng)是調(diào)到從大約1到大約5。
一個依照本發(fā)明的制造波導(dǎo)組件的方法，首先是準(zhǔn)備襯底。清理襯底表面，除去任何可能在襯底表面上的膠粘劑殘余物。典型地，一個襯底是澆注或噴射形成，形成一個相對平滑的表面，在表面上覆層一個全氟化聚合物可能是困難的，因?yàn)榇篌w上全氟化聚合物的特性是不膠粘的。襯底在清潔之后，下包覆層就能較好地黏附在襯底表面。要準(zhǔn)備襯底，可弄粗糙襯底表面或變更表面的化學(xué)性質(zhì)，來更好地保有組成下包覆層的全氟化物。一個弄粗糙襯底表面的例子是運(yùn)行使用氬氣的反應(yīng)離子蝕刻法(RIE)。氬氣使襯底的表面物理變形，產(chǎn)生大約50到100個納米的所需粗糙深度。能改變襯底表面的化學(xué)性質(zhì)方法的一個例子是運(yùn)行使用氧氣的RIE。氧氣和組成襯底表面的聚合物結(jié)合，引起在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)和襯底表面上的氧化處理。襯底的氧化處理能讓組成下包覆層的全氟化物的分子與襯底結(jié)合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道也可以用其他方法來準(zhǔn)備襯底。
下包覆層然后覆層在襯底之上。對于一個由poly[2，2，4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]構(gòu)成的下包覆層，固態(tài)poly[2，2，4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]溶在商標(biāo)為FC-75的perfluoro(2-butyltetrahydrofuran)和商標(biāo)為FC-40的perfluoroalkylamine的溶劑中.其他可能的溶劑是一個全氟化聚醚(perfluorinatedpolyether)，像商標(biāo)名為H GALDEN系列的HT170，或hydrofluoropolyether像商標(biāo)名為H GALDEN系列的ZT180和ZT130。對于一個由其他的聚合物構(gòu)成的下包覆層，每個聚合物在一個適當(dāng)?shù)娜軇┲斜蝗芙庑纬梢粋€聚合物溶液。聚合物溶液用已知的旋轉(zhuǎn)塗布技術(shù)，旋轉(zhuǎn)涂布到襯底之上。然后加熱蒸發(fā)襯底和下包覆層去蒸發(fā)掉來自溶液的溶劑。
在一個實(shí)施例中，下包覆層是多層旋轉(zhuǎn)涂布，比如第一層被涂到襯底，烘干并蒸發(fā)溶劑，而且退火處理去增加聚合物密度，第二層被涂到到第一層并增加密度，第三層被涂到第二層并增加密度。例如，在所有的層都旋轉(zhuǎn)涂布處理之后，下包覆層達(dá)到從8到12微米的厚度。雖然描述了三層的應(yīng)用，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知道可以使用多于或少于三層。
在下包覆層已經(jīng)弄干和致密之后，聚合物核心涂覆在下包覆層之上，例如，使用上述在襯底上涂覆下包覆層的相同技術(shù)。然而，只有一層核心層涂覆在下包覆層之上，而不是多層。在一個實(shí)施例中，核心是可溶解的而下包覆層是不可溶解的，以便溶劑不穿透下包覆層而且擾亂下包覆層。對于一個由poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]構(gòu)成的核心，固態(tài)poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]溶在一種溶劑中，如注冊商標(biāo)為CT-SOLV 180TM的perfluorotrialkylarnine的溶液，或任何其他能溶解聚合物的溶劑，而形成一個聚合物溶液。另一方面，可以買到poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]的商業(yè)用溶液。在核心材料涂覆和干燥后，核心薄膜用低溫烘烤來增加密度。在核心干燥后，核心和下包覆層的厚度是，例如，大約從12到16個微米。
然后，核心被蝕刻制成所需要的核心形狀。例如，在本技術(shù)領(lǐng)域中廣為人知的用RIE來蝕刻。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道到也可以用其他蝕刻核心的方法。圖7顯示了通常上是矩形的核心，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知道也可以用其他的形狀，比如在普通轉(zhuǎn)讓的申請于2001年6月8日提交的美國專利申請09/877,871號中被公開的弧狀波導(dǎo)，該申請的整體在此作為參考被結(jié)合入本發(fā)明。而且，當(dāng)圖7顯示了通常上是矩形的核心橫截面的時(shí)候，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知道也可以用其他的形狀作為橫截面。
然后，上包覆層涂覆在核心，核心層，和任何不是核心或核心層的下包覆層的剩余部分。例如，類似下包覆層，上包覆層也是多層旋轉(zhuǎn)涂布，比如第一層被涂到核心和任何不是核心的下包覆層的剩余部分，烘干到溶劑蒸發(fā)，而且退火處理去增加聚合物密度，第二層被涂到到第一層，烘干并增加密度，第三層被涂到第二層，烘干并增加密度。在一個實(shí)施例中，核心下包覆層是可溶解的而核心和核心層是不可溶解的，以便溶劑不穿透下核心和核心層而且擾亂核心和核心層。例如，在所有的層都涂覆之后，整個的波導(dǎo)厚度是大約從15到50個微米左右。雖然描述了三層的應(yīng)用，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知道也可以使用多于或少于三層。另一方面，上包覆層的材料可與下包覆層的材料不同，但是它們的折射率應(yīng)大約相同，例如，一種光固化的氟化丙烯酸鹽或一種熱固樹脂。
涂覆層不必平坦，但是在核心周圍輪廓應(yīng)該為連續(xù)遞減曲線。雖然那最后涂覆層最上面的表面通常是平坦的，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知道那最后涂覆層最上面的表面不必是平坦的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員同樣會知道那個高度平坦的單涂覆層能用旋轉(zhuǎn)涂布或澆注過程來做成。
在形成波導(dǎo)之后，波導(dǎo)被切割成所需要大小和形狀，例如，被切片。所需形狀通常是矩形，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知道波導(dǎo)也能切割成其他的形狀。
其他的能用納米孔材料做光學(xué)部件的例子包括，但是不限制在光纖，光學(xué)棱鏡，光學(xué)透鏡，光學(xué)的抗反射涂層和光學(xué)帶-通濾光薄膜，如圖13(a)至圖13(c)所示。
在某些實(shí)施例中，如圖13(a)所示的光學(xué)纖維，可以通過以下步驟制造，預(yù)制纖維棒，從預(yù)制棒拉纖維，而且在纖維中用增加密度和其他方法產(chǎn)生納米孔結(jié)構(gòu)。另一方面，依照本發(fā)明，也能用擠壓方法從納米孔材料制造光學(xué)纖維。大一些的光學(xué)部件，比如光學(xué)棱鏡，光學(xué)透鏡或光儲藏盤片等，如圖13(b)和13(c)所示，能用納米孔材料通過注入成型，澆注法，擠壓法等方法制成。光學(xué)薄膜帶通濾光和抗反射涂層能用納米孔材料通過擠壓法，澆注法，旋轉(zhuǎn)涂布法等方法制成。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明創(chuàng)造概念的范圍內(nèi)，可以改變實(shí)施例。因此，本發(fā)明沒有限制在特別的公開了的實(shí)施例中，而是如所附的權(quán)利要求所定義，包括了在本發(fā)明所定義的精神和范圍之內(nèi)的修改。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個方面，提供一種微共振器，該微共振器包含了上述的納米粒子復(fù)合材料，它的形狀有個至少部份反射不連續(xù)頻率的電磁波的表面，從而建立靜止波模態(tài)。也提供了制造微共振器的方法。
依照本發(fā)明的微共振器可以是，例如，微型環(huán)，微型碟，微型球和微型線。在此所使用的微形環(huán)共振器是具有封閉環(huán)的任何共振裝置。封閉環(huán)的形狀是一個對稱的圓環(huán)面，但是其他的封閉環(huán)也能用。
有些種類的材料可以用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型電介質(zhì)。活性材料改變復(fù)合材料的導(dǎo)電率。活性材料可以包含納米粒子11，該納米粒子11是由金屬，半導(dǎo)體，電介體絕緣體，超導(dǎo)體，和各種無機(jī)或有機(jī)形式和組合的離子，合金，化合物，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物而制成。
本發(fā)明也公開了通過控制微孔大小，形狀，體積比和拓?fù)湫再|(zhì)制造一個納米孔聚合物材料的方法，其中包括了在比它的玻璃轉(zhuǎn)化溫度更高的溫度上進(jìn)行退火處理聚合物材料。本發(fā)明更進(jìn)一步公布了利用納米孔聚合物材料制造的儀器，比如光學(xué)儀器。
在一個實(shí)施例中，金屬Ag，例如，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)控制復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
另一個實(shí)施例中，半導(dǎo)體Si，例如，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)控制復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
在另一個實(shí)施例中，電解質(zhì)SiO2，例如，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)控制復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
在另一個實(shí)施例中，超導(dǎo)體釔鋇氧化銅(YBCO)，例如，可結(jié)合在一種納米粒子中，從而調(diào)節(jié)控制復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型電介質(zhì)?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的介電常數(shù)?；钚圆牧峡梢园{米粒子11，該納米粒子11是由NaCl，TiO2，SiO2，B2O3，Ge2O3，ZnO2，LiNbO3和BaTiO3這樣的電解絕緣體，和各種不同形式和組合的離子，合金，化合物，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)，而制成。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型磁性材料?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的磁介常數(shù)?；钚缘牟牧峡梢园庙槾诺模瑥?qiáng)磁性，反鐵磁的，和亞鐵磁的，和反磁性的材料做成的納米粒子11。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型力學(xué)材料?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)?；钚缘牟牧峡赡馨{米粒子11和各種不同形式和組合的合金，化合物，晶體，復(fù)合材料，合成物，發(fā)色基，染料或聚合物。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型電光材料。活性材料改變復(fù)合材料的電光系數(shù)。活性的材料可以包含用LiNbO3，KNbO3，KTiOPO4，β-BaB2O4，KTiOAsO4，KH2PO4，KD2PO4，NH4H2PO4，和甲基內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MNA)做成的納米粒子11。
由于本發(fā)明的光電材料可制作動態(tài)增益均衡(DGE)過濾器。DGE能用來確定，在同一根光纖維中的所有的密集波分復(fù)用(DWDM)頻道應(yīng)有大約相同的電源水平，這樣可幫助降低數(shù)據(jù)錯誤率。但是，由于在網(wǎng)絡(luò)中各種不同的光學(xué)部件，包括光放大器和各種不同的環(huán)境的因素，當(dāng)信號在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，電源水平變成不相等。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型磁光材料。活性材料改變復(fù)合材料的磁光系數(shù)?；钚缘牟牧峡梢园么殴獠牧献龀傻募{米粒子11，比如YVO4，TbPO4，HoYbBiIG，(Cd，Mn，Hg)Te，MnAS，Y2.82Ce0.18Fe5O12，鉍替換鐵石榴石(Bi-substituted iron garnet)，釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet)，鋱鎵石榴石(Terbium Gallium Garnet)，鈮酸鋰和順磁性的稀土離子，該稀土離子包含至少選自Tb+3，Y+3，和Ce+3的納米粒子。
在另一個實(shí)施例中，上述磁光材料能用于通常具有極其重要磁光學(xué)性質(zhì)即法拉第效應(yīng)的光隔離器，光被允許向前傳輸，但是向后傳輸時(shí)即被阻堵。光隔離器在傳輸線中是至關(guān)緊要的，它控制管理產(chǎn)生不穩(wěn)定效應(yīng)的向后傳輸?shù)姆瓷涔馐Ａ硗?，光隔離器普遍是用無機(jī)單晶塊的形式做成，而不是薄膜或光纖。
有些種類的材料可以用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型聲光材料?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的聲光性質(zhì)?；钚缘牟牧峡梢园弥T如GaAs，GaP，TiO2，SiO2，LiNbO3和Y3Al5O12(YAG)等聲光材料做成的納米粒子11。
在另一個實(shí)施例中，上述聲光材料能用于一個光調(diào)制器，它通常具有極其重要的聲光性質(zhì)，光被加在聲光材料中的聲波所調(diào)整。聲光調(diào)制器被應(yīng)用于許多的裝置中，除了光調(diào)制器外，還包括光束偏離器，信號處理器，可調(diào)過濾器和光譜分析器。
由于本發(fā)明的聲光材料可制作動態(tài)增益均衡(DGE)過濾器。DGE能用來確定，在同一根光纖維中的所有的密集波分復(fù)用(DWDM)頻道應(yīng)有大約相同的電源水平，這樣可幫助降低數(shù)據(jù)錯誤率。但是，由于在網(wǎng)絡(luò)中各種不同的光學(xué)部件，包括光放大器和各種不同的環(huán)境的因素，當(dāng)信號在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，電源水平變成不相等。
有些種類的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。具體來說，納米粒子11可能包含一種或多種較活性的材料，使得復(fù)合材料是一個新型熱光材料?；钚圆牧细淖儚?fù)合材料的熱光系數(shù)?；钚缘牟牧峡梢园脽峁獠牧献龀傻募{米粒子11，諸如玻璃SiO2，和有機(jī)的光學(xué)的介質(zhì)，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物等。
另一個實(shí)施例中，上述熱光材料能用于一個光波導(dǎo)開關(guān)，它通常具有極其重要的熱光性質(zhì)，加在熱光材料中的熱信號將光從一個波導(dǎo)轉(zhuǎn)變到另外一個波導(dǎo)。熱光開關(guān)被應(yīng)用于許多的裝置中，除了光開關(guān)外，還包括插分多路復(fù)用器，可調(diào)光學(xué)衰減器(VOAs)，可調(diào)過濾器和光譜分析器。
由于本發(fā)明的熱光材料可制作動態(tài)增益均衡(DGE)過濾器。DGE能用來確定，在同一根光纖維中的所有的DWDM頻道應(yīng)有大約相同的電源水平，這樣可幫助降低數(shù)據(jù)錯誤率。但是，由于在網(wǎng)絡(luò)中各種不同的光學(xué)部件，包括光放大器和各種不同的環(huán)境的因素，當(dāng)信號在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，電源水平變成不相等。
在一個實(shí)施例中，納米粒子被一種聚合物涂覆，比如一種鹵代聚合物。在某一個實(shí)施例中，涂層的納米粒子包含一種或幾種活性材料。
除了增益介質(zhì)的元素之外，其他的材料在制造納米粒子11也是有用的。例如，納米粒子它們自己也能包括無機(jī)晶體。本發(fā)明的一個實(shí)施例子中，無機(jī)晶體的納米粒子包括鈮酸鋰，鋰鉭酸鹽，磷化銦，砷化鎵和其他的電光無機(jī)材料。此外，這些無機(jī)晶體能和一個增益介質(zhì)的元素結(jié)合。這些以晶體為基礎(chǔ)的納米粒子能在電光，熱光和聲光方面進(jìn)行應(yīng)用。
除了增益介質(zhì)的元素之外，其他的材料在制造納米粒子11也是有用的。例如，納米粒子它們自己也能包括無機(jī)材料。本發(fā)明的一個實(shí)施例子中，無機(jī)材料的納米粒子括陶瓷的，像是鉛鑭鋯三氧化鈦(PLZT)，和其他的電光無機(jī)材料。此外，這些無機(jī)材料能和一個增益介質(zhì)的元素結(jié)合。這些以無機(jī)材料為基礎(chǔ)的納米粒子能作電光，熱光和聲光方面的應(yīng)用。
因?yàn)樵S多半導(dǎo)體材料的折射率在大約2和大約5之間，這些材料能用來調(diào)節(jié)復(fù)合材料的折射率為光學(xué)上的應(yīng)用，比如是波導(dǎo)和微共振器。因此，半導(dǎo)體材料也可能用來形成納米粒子11。例如，這些材料包括Si，Ge，SiGe，GaP，GaAs，InP，InAs，InSb，ZnS，PbS，PbSe，PbTe和其他的半導(dǎo)體材料，以及摻雜稀土金屬和過渡金屬離子的類似材料。仍然有其他的材料，像是無機(jī)鹽，氧化物或化合物能用來調(diào)節(jié)納米復(fù)合材料的折射率在光學(xué)上的應(yīng)用，比如波導(dǎo)和微共振器。例如鈮酸鋰，barium titinate，淡紅銀礦(proustite)，釔鋁酸鹽，金紅石(rutile)和ziroconate和其它相關(guān)的材料，以及摻雜稀土金屬和過渡金屬離子的類似材料。
仍然有其他的材料可能用來制作納米粒子11，取決于納米粒子在復(fù)合材料中需起的效應(yīng)。
含金屬材料，比如是金屬chalocogenides(例如，Bi2Te3，Bi2Te3)，金屬鹽，過渡金屬，過渡金屬合成物，包含過渡金屬的化合物，過渡金屬氧化物和有機(jī)染料，如，Rodamin-B，DCM，尼羅河紅，DR-19和DR-1都可以使用，而且也可以用聚合物。用于光學(xué)放大的，摻雜稀土金屬和過渡金屬離子的ZnS，或PbS，也能用來形成納米粒子。
一個實(shí)施例中，納米粒子被涂覆有一個長鏈烷基，長鏈乙醚基團(tuán)，或聚合物，諸如鹵代長鏈烷基，鹵代長鏈乙醚基團(tuán)，或鹵代聚合物。
在光波導(dǎo)應(yīng)用方面，上述的納米粒子的主要尺寸比采用的光波長更小。因此，光遇到納米粒子11而不會作用，也不會被納米粒子散射。結(jié)果，分散在基質(zhì)材料10里面的納米粒子11與經(jīng)過基質(zhì)的傳輸光簡直就沒有反應(yīng)。即使存在納米粒子11，基質(zhì)10仍然可能維持低的吸收損失。
圖2顯示了使用依照本發(fā)明而形成的納米粒子平面光波導(dǎo)30的橫截面視圖。一包覆層38涂覆在核心32周圍，該核心是由包含帶涂層的納米粒子36的基質(zhì)34組成。在一個實(shí)施例中，包覆層38的折射率比核心32的折射率較低。在這一個實(shí)施例中，納米粒子加入到核心32來增加組成核心32的材料的折射率。
在這樣的一個實(shí)施例中，輸入光λ1，輸入到波導(dǎo)30的一端。當(dāng)輸入光λ1經(jīng)過核心32的時(shí)候，光被限制在核心32里面。納米粒子的小尺寸允許輸入光λ1傳輸而不被散射，不會成為光損失的因素。輸入光與納米粒子36互動，因此，放大了圖示標(biāo)號為39的光信號。
依照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，包含了一個光集成放大裝置。
在另一個實(shí)施例中，在一枚波導(dǎo)塊47中放置一個單向波分多路復(fù)用(WDM)耦合器46，用以聯(lián)合信號光λs48和一個泵光λp49。泵光λp49激發(fā)在核心的包含納米粒子的活性的材料來擴(kuò)大信號光λs48。
當(dāng)在核心中的納米粒子包含一種或多種活性的材料的時(shí)候，信號光的波長是寬帶的，范圍從大約0.8微米到大約0.9微米，并且，被放大到從大約1.2微米到大約1.7微米。
當(dāng)在核心中的納米粒子至少包含Dy，Nd和Pr中一種的時(shí)候，被放大的信號波長從大約1.27微米到大約1.36微米，優(yōu)選為從大約1.30微米到大約1.32微米。
當(dāng)在核心中的納米粒子至少包含一種含鉺材料的時(shí)候，被放大的信號波長從大約1.5微米到大約1.6微米，優(yōu)選為從大約1.57微米到大約1.61微米，更優(yōu)選為大約1.55微米。在另一個實(shí)施例中，納米粒子可能包含一種或多種較活性的材料。通過加入納米粒子，核心和/或包覆層的折射率可以被調(diào)到所需值。
通常，包含適當(dāng)比例的納米粒子的復(fù)合材料的折射率能被調(diào)整到所挑選的不同數(shù)值。例如，在基質(zhì)中加入所述的納米粒子將會調(diào)節(jié)復(fù)合材料的折射率從1到大約5。結(jié)果，依照本發(fā)明，納米復(fù)合材料在各種不同的光學(xué)應(yīng)用上，比如波導(dǎo)，是適當(dāng)?shù)?。納米粒子的折射率可以用本領(lǐng)域中的常用技術(shù)之一的技術(shù)來測定。例如，可以使用折射計(jì)，橢圓測量計(jì)(elipsometer)，或指標(biāo)匹配液體(index matching fluid)，來確定薄膜或粉末狀粒子的折射率。對于納米粒子粉狀樣品的測量，可以用指標(biāo)匹配液體來確定材料的折射率。典型地，一滴折射率匹配液體或浸漬油被放置在玻片之上。少量的粉狀樣品然后混合進(jìn)入小液滴之內(nèi)。然后使用傳輸光學(xué)顯微鏡來觀察玻片。顯微鏡裝備了一個鈉D線過濾器以確定在588nm的波長來測量折射率。當(dāng)相配液體的折射率和樣品的折射率不匹配的時(shí)候，能看到相配液體和粉末之間的邊界。重復(fù)相同的程序，使用一次比一次更高的折射率的浸漬油類，直到不能再看到邊界線。此時(shí)，浸漬油的折射率等于粉末的的折射率。
在一個實(shí)施例中，有一個折射率為ηmatrix的鹵代聚合物基質(zhì)，和一個折射率為ηparticle的分布了多種納米粒子的鹵代聚合物基質(zhì)。在這一實(shí)施例中，鹵代聚合物基質(zhì)和多種納米粒子形成一個折射率為ηcomp的復(fù)合材料，其中ηcomp和ηparticle是不相等的。另外，在鹵代聚合物基質(zhì)里面的納米粒子數(shù)量充分，導(dǎo)致了ηcomp與ηmatrix的不相等。
在另一個實(shí)施例中，能制造出具有高折射率和低吸收損耗的納米復(fù)合材料，例如，從大約1.2微米到大約1.7微米的范圍中，少于2.5×10-4dB/cm。如前所述，鹵代聚合物，包括氟化聚合物，表現(xiàn)非常小吸收損失(見表1)。
表1.一些重要的振動諧波的波長和強(qiáng)度
因此，依照本發(fā)明，這些鹵代聚合物可能特別適用于在光波導(dǎo)和其他的應(yīng)用中傳播光。在此應(yīng)用中，納米粒子11比入射光的波長更小。因此，光遇到納米粒子11而不會作用，也不會被納米粒子散射。結(jié)果，分散在基質(zhì)材料10里面的納米粒子11對復(fù)合材料的光學(xué)澄清度上的簡直沒有影響，即使納米粒子他們自己包含的材料在大量形式下不是光學(xué)清楚的，或甚至是半透明的。這樣，即使存在納米粒子11，基質(zhì)10仍然可能保證低的吸收損失。
相反地，分布在基質(zhì)材料10里面的納米粒子11，可能比基質(zhì)材料本身更能貢獻(xiàn)重要的不同的性質(zhì)。舉個例子，如前所述，納米粒子11可能是利用各種不同的半導(dǎo)體材料做成的，它們可能具有從大約1到大約5的折射率。在納米粒子11分散進(jìn)入基質(zhì)材料10之內(nèi)，產(chǎn)生的復(fù)合材料將會有一個折射率介于基質(zhì)材料10的折射率(通常小于2)和納米粒子材料的折射率之間。產(chǎn)生的復(fù)合材料的總的折射率將取決于在基質(zhì)材料10里面的納米粒子11的濃度和組成。例如，在基質(zhì)材料10中增加納米粒子11的濃度，總的折射率可就比較靠近到納米粒子11的折射率。ηcomp值和ηmatrix值，能相差大約0.2％到330％。在一個實(shí)施例中，ηparticle∶matrix的比至少是3∶2。在另一個實(shí)施例中，ηparticle與ηmatrix的比至少是2∶1。
上述包含納米粒子的復(fù)合材料，例如，可用在各種不同的應(yīng)用中，但不限于光學(xué)儀器，窗玻璃，鏡子，鏡子嵌板，光學(xué)透鏡，光學(xué)透鏡陣列，光學(xué)顯示，液晶顯示，陰極射線管，光過濾器，光學(xué)部件，所有的這些更通常地被稱為器件。
上述包含納米粒子的復(fù)合材料，例如，也可用在光纖維中，包括階躍型或漸變型的單模或多模光纖，波導(dǎo)，薄膜，放大器，激光，多路復(fù)用器，解雙工器(多路信號分離器)，光隔離器，光訊號間隔器，dumultiplexers，耦合器，光學(xué)的裂解槽，過濾器，高敏感的光感測器，電光和熱光開關(guān)，光學(xué)的微環(huán)的共振器，發(fā)光二極管，和光子能帶隙裝置。其他的使用包括，光學(xué)的反反射涂料，利用多層涂料做成的法-裴洛的過濾器，漸變型光透鏡，大塊透鏡，棱鏡，波片，鏡子，衍射光柵，和光導(dǎo)。在其他的實(shí)施例中，包含納米粒子的復(fù)合材料(″納米復(fù)合材料″)能用于利用聚合物納米復(fù)合材料做成的CD-ROMs和DVDs。除此之外，納米復(fù)合材料能用于使用聚合物納米復(fù)合材料光纖制成的局部區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)，或在車輛或飛機(jī)中的通信網(wǎng)絡(luò)，和各種不同用途的器件，包括激光和寬頻光學(xué)放大器。
圖4A概要地舉例說明了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例中的一個光波導(dǎo)50。光波導(dǎo)50包括一通常為平面的襯底51，傳輸光的核心材料54和包覆在襯底51上的材料52，襯底51包圍核心54，而且在核心材料54里面促進(jìn)入射光的全內(nèi)反射。光波導(dǎo)的核心54可由如圖1所示的納米復(fù)合材料組成。
包覆51和52可能各自單獨(dú)地由一種光學(xué)聚合物，如一個全氟聚合物，所組成。波導(dǎo)核心54可能由一種納米復(fù)合材料組成，例如，摻雜玻璃，單晶，或是嵌入了從約1nm到約100nm的聚合物粒子的聚合物波導(dǎo)核心。
在這樣的一個實(shí)施例中，核心54可能包括一種基質(zhì)，而且多種納米粒子分散在該基質(zhì)里面。核心54中的多種納米粒子可能更進(jìn)一步包括一鹵代物外部涂層。某一個實(shí)施例中的包覆材料可能包含一個被鹵代的聚合物基質(zhì)。在某一個實(shí)施例中，包覆材料可能更進(jìn)一步包括分布在基質(zhì)中的納米粒子，這樣，核心和包覆層的相對性質(zhì)能被調(diào)整到預(yù)定值。
更進(jìn)一步，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，核心層54和/或包覆層52的基質(zhì)材料中包括氟。光波導(dǎo)50的納米粒子的折射率可從大約1到大約5。通過選擇有特定折射率值的特別材料，光波導(dǎo)50的核心層54及/或包覆層52的折射率可以被調(diào)整到一個預(yù)定值或不同的預(yù)定值。
基質(zhì)材料的熱光特性可以通過加入不同熱膨脹系數(shù)的有效數(shù)量的納米粒子而得以提高。許多材料都在在加熱時(shí)膨脹，冷卻時(shí)收縮。熱膨脹系數(shù)(CTE)是長度上的改變(由于膨脹或收縮)與每單位溫度的比值。例如，當(dāng)加熱時(shí)，材料膨脹被定義為有一個正熱脹系數(shù)(CTE)。相反的，當(dāng)冷卻時(shí)，材料收縮顯示出負(fù)熱脹系數(shù)(CTE)。
在組成復(fù)合材料的材料熱膨脹系數(shù)之間的不匹配能導(dǎo)致復(fù)合材料退化效應(yīng)。納米粒子和聚合物矩陣都有熱膨脹系數(shù)。組成納米粒子的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)之間的不匹配，熱膨脹和收縮能導(dǎo)致材料的退化。例如，當(dāng)兩種材料，如兩種不同的聚合物矩陣，彼此間都有不同的正熱脹系數(shù)，由于不一致的膨脹率，壓力可能在材料之間發(fā)生。
由不同的熱膨脹系數(shù)的材料組成的納米粒子，能用來調(diào)節(jié)由納米粒子組成的復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。在某一個實(shí)施例中，由負(fù)熱脹系數(shù)的材料組成的納米粒子和由正熱脹系數(shù)的材料組成的納米粒子結(jié)合一起能用來調(diào)節(jié)由納米粒子組成的復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。
納米粒子11可能包含正的或負(fù)的熱脹系數(shù)的材料。當(dāng)負(fù)熱脹系數(shù)的納米粒子和一個正熱脹系數(shù)的基質(zhì)式材料和/或納米粒子結(jié)合的時(shí)候，產(chǎn)生的復(fù)合材料將會有在負(fù)熱脹系數(shù)材料和正熱脹系數(shù)材料的之間的熱膨脹系數(shù)。負(fù)熱脹系數(shù)材料不必是納米粒子的量級。它可以比納米粒子的量級大。在一個實(shí)施例中，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可因此通過選擇相對不同熱膨脹系數(shù)的基質(zhì)和/或納米粒子，并通過在基質(zhì)里面改變這些材料的數(shù)量來得到控制。
組成納米復(fù)合材料的材料的數(shù)量和類型可以選擇，以便復(fù)合材料經(jīng)過各種不同的熱環(huán)境時(shí)幾乎沒有膨脹或收縮(換句話說，熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上為零)?；蛘?，可以選擇基質(zhì)材料和納米粒子，以提供一種有特定的正的或負(fù)熱脹系數(shù)的復(fù)合材料。
負(fù)熱脹系數(shù)的材料例子包括Ni-Ti合金，ZrW2O8，ZrMo2O8，Y2(WO4)3，V摻雜ZrP2O7，ZFV2O7，(Zr2O)(PO4)2，Th4(PO4)4P2O7，和AOMO4，其中A＝Nb或Ta，和M＝P，As，或V。納米粒子11由表現(xiàn)出負(fù)熱脹系數(shù)的材料組成，因此，它們的尺寸隨溫度升高而收縮。表現(xiàn)出負(fù)熱脹系數(shù)的材料的一個實(shí)施例，是符合下列反應(yīng)式(1)的材料
A1-y4+Ay4+Ay3+V2-xPxO7(I)其中-A4+選自Hf，Zr，ZraMb，或HfaMb及其混合物，-a+b＝1，-A4+選自堿土金屬，-A3+選自稀土金屬，-M選自Ti，Ce，Th，U，Mo，Pt，Pb，Sn，Ge或Si，-y的范圍從大約0到大約0.4，-x的范圍從大約0.6到大約1.4。
適合反應(yīng)式(I)的材料例子包括(ZrO)2VP2O7，ZrVPO7，Zr0.8Li0.2Y0.2VPO7，Zr0.8Ce0.2VPO7和HfVPO7。
在一個實(shí)施例中，為控制復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，納米粒子的數(shù)量可能從復(fù)合材料的體積的大約10％到大約95％。這些粒子可能包含有所選的具有負(fù)熱脹系數(shù)的粒子。在另一個實(shí)施例中，選擇具有負(fù)熱脹系數(shù)的一種或多種粒子，其他的粒子有正熱脹系數(shù)。在另一個實(shí)施例中，負(fù)熱脹系數(shù)材料包含比納米粒子尺寸大的粒子，而且所占復(fù)合材料的體積從大約5％到大約99％。
如圖3B所示，光波導(dǎo)50可能包括在包覆層52之上的超級襯底56。為了將光波導(dǎo)50的隨環(huán)境溫度變化的波長回應(yīng)變化減到最少，襯底51，包覆層52，核心54和超級襯底56的熱膨脹系數(shù)至少有一個能用加入納米粒子的方法來控制。明確地說，襯底51，包覆層52，核心54和超級襯底56中至少有一個包括一種基質(zhì)，和分布在基質(zhì)里面的多種納米粒子。通過選擇具有特別熱膨脹系數(shù)的材料的特別的納米粒子51，和有一定數(shù)量的特別的納米粒子，光波導(dǎo)50的襯底51，包覆層52，核心54和超級襯底56的總體上的熱膨脹系數(shù)可調(diào)整到所需要值。納米粒子的多數(shù)可能包括一鹵代外部的涂料層。進(jìn)一步，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，至少襯底51，包覆層52，核心54和超級襯底56中之一的基質(zhì)材料包括氟。
圖4所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的光波導(dǎo)60。光波導(dǎo)60包括一個有包覆層62圍繞的核心64的光纖維。核心包括一種基質(zhì)和分散在所述基質(zhì)中的大量納米粒子。在一個實(shí)施例中，核心64包括納米粒子。在本實(shí)施例中的包覆層材料包括一種基質(zhì)。在特定實(shí)施例中，所述包覆層材料可以包括有分散在一種基質(zhì)中的納米粒子。而且，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述核心64和/或包覆層的基質(zhì)材料包括氟。在光波導(dǎo)60中的大量納米粒子可以有從大約1到大約5的折射率。通過選擇一個有特定折光率的特定材料，光波導(dǎo)60的核心64的全折射率可以被調(diào)節(jié)在一個預(yù)定值或不同預(yù)定值之間。
除了被提到的材料之外，其他的材料對納米粒子11仍然是有用的。例如，納米粒子，它們自己可能包含一種聚合物。在本發(fā)明的一個變型式實(shí)施例中，聚合物納米粒子包含了能鎖住離子，比如稀土離子的功能團(tuán)的聚合物。這樣的聚合物包括下述材料的單聚合物或共聚合物乙烯，丙烯酸(acrylic)，乙烯基芳香族，乙烯基酯，阿爾發(fā)貝它不飽和酸酯，不飽和羧酸酯，氯乙烯，乙烯叉二氯，和二烯單體。這些聚合物的反應(yīng)組可能包含任何下列各項(xiàng)POOH，POSH，PSSH，OH，SO3H，SO3R，SO4R，COOH，NH2，NHR，NR2，CONH2，NH-NH2，和其它，這里R可能選自直鏈或支鏈碳?xì)滏?，可能形成至少一個飽和或不飽和碳基環(huán)芳香基，烷基，亞烯基，硅氧烷，硅烷，乙醚，聚醚，硫醚，亞甲硅基，和硅氮烷。
作為納米粒子使用的聚合物，也可能包含有著聚合物支柱的稀土離子的主鏈聚合物，支鏈或交鏈的包含上述功能團(tuán)的聚合物。聚合物可能高度地被鹵代，然而對基質(zhì)聚合物還是不能相混合。例如，由perfluorodioctylphosphinic酸與氯化鉺反應(yīng)所制備的無機(jī)聚合物的納米粒子，有高的晶格排列，不能與poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]混合。把這些納米粒子和氟化聚合物基質(zhì)混合將會導(dǎo)致一種納米復(fù)合物。另外，納米粒子可能包含有機(jī)的染料分子，這些染料分子的離子形式，或在主鏈或支鏈包含了這些染料分子的聚合物，或交鏈聚合物。當(dāng)納米粒子包含非鹵代聚合物的時(shí)候，它們可以選擇裹上一個上述的鹵代涂料層。
組成本發(fā)明放大器的復(fù)合材料可能包含不同類型的納米粒子。例如，圖5示出了本發(fā)明的一個可變型的實(shí)施例，其中，在鹵代基質(zhì)10中，有納米粒子11，21，和71的一些納米粒子群。納米粒子11，21，和71的每個群體都有不同材料的外包層(例如，粒子21外的外包層12)。
從一些不同的納米粒子制造出的納米復(fù)合材料可能具有來源于不同的納米粒子的性質(zhì)。例如，納米粒子11，21，和71可能具有多種的不同的光學(xué)的，結(jié)構(gòu)的，或其他的性質(zhì)。依照本發(fā)明，這可能是很有用的。例如，做成寬帶光放大器和其他的光學(xué)的裝置。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)知道本發(fā)明沒被限于在基質(zhì)材料里面分布一定數(shù)量的不同類型納米粒子。其實(shí)，任何數(shù)量的不同類型納米粒子可以用在各種不同的應(yīng)用中。依照本發(fā)明可以制造，例如，有著多樣類型納米粒子波導(dǎo)核心的摻Er或Er/Yb波導(dǎo)放大器。在另一個實(shí)施例中，依照本發(fā)明可以制造摻Er的鋁-鍺-硅酸鹽玻璃，摻Er的磷酸鹽玻璃，和摻Er的無機(jī)單晶的和納米粒子。在某一個實(shí)施例中，也可能包括摻了多樣稀土離子，像是鉺，銩，鏑，釹等的多樣納米粒子，加入一個聚合物波導(dǎo)核心之內(nèi)，用在放大器增益帶寬里面擴(kuò)大一個子帶的每一種稀土離子都能放大一個子帶，這樣放大器增益帶寬就擴(kuò)大了。
根據(jù)最終使用，依照本發(fā)明的納米粒子可能是赤裸的，或至少包含一個外層。如圖1所示，納米粒子可能包括外層12。外層12可能有一些重要的功能。它可能用來保護(hù)納米粒子11免于濕氣或其他的可能有害的物質(zhì)。另外，外層12可能避免凝聚。當(dāng)制造納米粒子分布在基質(zhì)式材料里面的復(fù)合材料的時(shí)候，凝聚是一個問題。
在一個實(shí)施例中，通過選擇與給定的基質(zhì)材料相容的材料的層12，層12可能除去在納米粒子表面和基質(zhì)10之間的表面能。結(jié)果，復(fù)合材料的納米粒子不至于凝聚而減少表面面積/表面能，而在不涂層的納米粒子和宿主之間存在表面面積/表面能。因此，層12使納米粒子11能夠分散進(jìn)基質(zhì)材料10之內(nèi)，而沒有納米粒子的凝聚。
當(dāng)外層12被鹵代的時(shí)候，它可能至少包含一個從氟，氯和溴中選擇的鹵素。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該鹵代外層12可能包括，例如，鹵代聚磷酸鹽(halogenatedpolyphosphates)，鹵代磷酸鹽(halogenated phosphates)，鹵代亞磷酸鹽(halogenatedphosphinates)，halogenated thiophosphinates，halogenated dithiophosphinates，鹵代焦磷酸鹽(halogenated pyrophosphates)，鹵代烷基鈦酸鹽(halogenated alkyltitanates)，鹵代烷基鋯酸鹽(halogenated alkyl zirconates)，鹵代硅烷(halogenatedsilanes)，鹵代醇(halogenated alcohols)，鹵代胺(halogenated amines)，鹵代羧酸鹽(halogenated carboxylates)，鹵代氨基化合物(halogenated amides)，鹵代硫酸鹽(halogenated sulfates)，鹵代酯(halogenated esters)，鹵代氯化酸鹽(halogenatedacid chloride)，鹵代乙酰丙酮化物的酯(halogenated acetylacetonate)，鹵代二硫化物(halogenated disulfide)，鹵代硫醇(halogenated thiols)，和halogenatedalkylcyanide?？梢允褂眠@些材料的氟化物的同時(shí)，這些材料的除氟以外的其他鹵素和氫的類似物，也可用在外層12中。
除了保護(hù)納米粒子11而且防止凝聚之外，層12也可能設(shè)計(jì)來與納米粒子11的表面互相反應(yīng)。例如，鹵代外層12可能包含一種材料，比如上述所列出的層之一，可以起反應(yīng)而且中和一個不需要的活性功能團(tuán)，如在納米粒子11的表面上常有的OH或酯。這樣，層12可能防止不需要的活性功能團(tuán)與基質(zhì)10反應(yīng)。涂料82也可能在螢光納米粒子的情況避免螢光淬熄。
在納米粒子11上的涂層并不限于單層，如在圖1中所示的層12。納米粒子可被多個涂層涂覆。
圖6概要地描述在基質(zhì)里面懸浮的一個納米粒子10。如圖所示，內(nèi)層84在納米粒子80和鹵代外層82之間。在某個實(shí)施例中，納米粒子材料80和鹵代外層84的交互作用可能是未知的。在這些情形中，納米粒子80可能有內(nèi)部的涂料分層84，包含了一種材料，該材料能與納米粒子材料和鹵代外部涂料層材料以已知的方式作用而產(chǎn)生一個鈍化層。一個這樣的內(nèi)部的涂料層，例如，可能防止該鹵代外涂料層82從納米粒子80的分層堆積。在圖6中顯示的作為單層的內(nèi)部涂料層84，可以包括多層相似的或不同的材料。
圖7為依照本發(fā)明的一個變型實(shí)施例制作一種復(fù)合材料過程的流程圖表。納米粒子11，如圖1所示，在第101步形成。一旦形成，納米粒子11在第103步進(jìn)行外部的涂層12。也可以，在第102步，一個內(nèi)部的涂料分層84(或鈍化分層)，如圖7所示，可能在納米粒子80上形成。內(nèi)部的涂料分層84，它可能包括一個或更多的鈍化層，可能用類似形成外表層82的方法，在外表層82形成之前而形成。
納米粒子可以用不同方法外涂。例如，納米粒子可能在原處同步被外涂，或換句話說，在形成過程期間被外涂。納米粒子可能在涂料材料之前先形成(例如被電噴法)。這樣，一旦納米粒子11已經(jīng)形成一個氣溶膠，他們可能已經(jīng)包括了所需要的宿主材料的層12。
在一個實(shí)施例中，層12可以通過將納米粒子直接放入涂料材料內(nèi)進(jìn)行直接的接觸而形成。例如，納米粒子可能進(jìn)入一個包括鹵代的涂料材料的溶液之內(nèi)。在一個實(shí)施例中，納米粒子可能還包括一些從形成過程中留下的剩余的涂料。在這些例子中，納米粒子可能被放入一個具有形成外部涂料層成份的溶劑之內(nèi)。一旦在溶劑中，化學(xué)的置換反應(yīng)可能替換多數(shù)納米粒子11外部先前存在的涂料分層12。在一個實(shí)施例中，納米粒子可能被涂覆處于一個氣體相反應(yīng)中的涂層，例如，在hexamethyldisilazane的氣體相反應(yīng)中。
在另外的一個實(shí)施例中，納米粒子和基質(zhì)共溶于一種溶劑中(形成一種溶液)，旋涂溶液至襯底上，而且蒸發(fā)掉溶液中的溶劑。
在另外的一個實(shí)施例中，納米粒子可能分散在一個單體基質(zhì)中，在分散均勻之后被聚合。例如，在超聲波下，金屬氧化物納米粒子能分散進(jìn)入一個液態(tài)的單體之內(nèi)。然后是去除產(chǎn)生的混合物中的氣體，然后混合一種熱的起發(fā)劑或一種感光起發(fā)劑，如含氮的(azo)，過酸，過氧化物或氧化還原類型起發(fā)劑。混合物然后被加熱，形成一種納米復(fù)合材料聚合物?；旌先缓蟊患訜嵋l(fā)形成一個聚合物復(fù)合的聚合作用。另外，被預(yù)先聚合的混合物旋涂在一個襯底之上，接下來，用熱或光來誘發(fā)聚合形成納米復(fù)合材料薄膜。
在另外的一個實(shí)施例中，涂料可能是一種鹵代的單體形式。一旦單體在粒子的表面上被吸收，他們能被聚合，或者被交聯(lián)。另外，聚合物形式的涂料能這樣形成在等離子體之下，在鹵代單體存在情況下，等離子體誘導(dǎo)的粒子表面的聚合來形成涂層的納米粒子。這里描述的涂料技術(shù)并不打算成為一個無遺漏的目錄。事實(shí)上，可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他涂層技術(shù)來涂層。
一旦制成納米粒子而且選擇外面涂層，它們在第104步驟分散進(jìn)入基質(zhì)之內(nèi)，可以運(yùn)用混合器或超聲波以獲得納米粒子的均勻分布。這樣的高速混合器包括，例如，均勻器或噴氣混合器。
將納米粒子分散在整個基質(zhì)中的另一個方法是，納米粒子在一種適當(dāng)?shù)娜軇┲泻途酆衔锕踩?，旋涂溶液至襯底上，而且蒸發(fā)掉溶劑，形成一個聚合物納米復(fù)合材料薄膜。
然而在基質(zhì)各處分散納米粒子的另外的一個方法是，分散納米粒子進(jìn)一個單體之內(nèi)，然后聚合單體形成一種納米復(fù)合物。單體能從以下的基團(tuán)中選擇丙烯酸鹽，甲基丙烯酸鹽，苯乙烯(styrene)，乙烯基(vinyl carbozole)，鹵代甲基丙烯酸鹽，鹵代丙烯酸鹽，鹵代苯乙烯，鹵代替換苯乙烯，trifluorovinyl ether單體，交聯(lián)環(huán)氧基樹脂單體(epoxymonomer with a cross-linking agent)，和酐/二胺(anhydride/diamine)，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員知道其他的單體也能用。這里描述的分散技術(shù)并不打算成為一個無遺漏的目錄。的確，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以使用其他分散技術(shù)來進(jìn)行分散。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，基質(zhì)可能包含各種不同類型的納米粒子。例如，在基質(zhì)中可能包含具有正的和/或負(fù)熱脹系數(shù)的粒子和/或納米粒子。在其他的實(shí)施例中，基質(zhì)的折射率能通過包括一種納米粒子或幾種具有不同折射率的納米粒子來調(diào)整?；|(zhì)也可能包含組成活性的材料的納米粒子。除此之外，在某一個實(shí)施例中，基質(zhì)可能包含有硫化物的納米粒子。本發(fā)明的實(shí)施例中，也包括由粒子和/或有著正的和/或負(fù)熱脹系數(shù)的納米粒子，和/或有著各種不同的折射率的納米粒子，和/或活性的材料，和/或硫化物的各種不同的納米粒子的矩陣。在某一個實(shí)施例中，納米粒子包含涂層，在其他實(shí)施例中，納米粒子沒有涂層。圖8顯示了可仿效的納米粒子的AFM圖像，粒子小于50nm。除此之外，在某一個實(shí)施例中，矩陣可以被鹵代或非鹵代。因此，應(yīng)明確地考慮不同的組合。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，基質(zhì)可能包含各種不同類型的納米粒子。例如，在某一個實(shí)施例中，基質(zhì)中可能包含具有正的或負(fù)熱脹系數(shù)粒子和/或納米粒子。在其他的實(shí)施例中，基質(zhì)的折射率能通過包含一種納米粒子或幾種具有不同折射率的納米粒子來調(diào)整?；|(zhì)也可能包含組成活性的材料的納米粒子。除此之外，在某一個實(shí)施例中，基質(zhì)可能包含有硫化物的納米粒子。本發(fā)明的一個實(shí)施例中，也包括由粒子和/或有著正的和/或負(fù)熱脹系數(shù)的納米粒子，和/或有著各種不同的折射率的納米粒子，和/或活性的材料，和/或硫化物的各種不同的納米粒子的矩陣。在某一個實(shí)施例中，納米粒子包含涂層，在其他的實(shí)施例中，納米粒子沒有涂層。除此之外，在某一個實(shí)施例中，矩陣可以被鹵代或非鹵代。因此，應(yīng)明確地考慮不同的組合。
另外的一個實(shí)施例中，由各種不同的功能性質(zhì)的基質(zhì)和納米粒子組成的聚合物納米復(fù)合材料可能更進(jìn)一步改進(jìn)抗磨蝕性質(zhì)。當(dāng)含氟聚合物摻入硬的無機(jī)材料如SiO2，TiO2，YAG等，聚合物抗磨蝕性質(zhì)由于摻入無機(jī)成分被提高了。當(dāng)與傳統(tǒng)的碳?xì)浠膹?fù)合材料相比較，這些聚合物復(fù)合材料具有其他優(yōu)點(diǎn)，如熱的和化學(xué)的穩(wěn)定性，改良的抗氣候性和水分吸收。對于一個典型的如聚(甲基丙烯酸鹽)(poly(methylmethacrylate))這樣的碳?xì)渚酆衔锘|(zhì)，用60攝氏度水浸漬測試，水分吸收是0.3％。另一方面，一種全氟聚合物在相同的測試條件之下，水分吸收少于0.01％。
在另外的一個實(shí)施例中，由各種不同的功能性質(zhì)的基質(zhì)和納米粒子組成的聚合物納米復(fù)合材料，可能更進(jìn)一步改進(jìn)抗反射涂料。新創(chuàng)材料是設(shè)計(jì)為光學(xué)聚合物的納米復(fù)合材料，通常由一種無定形聚合物組成，該無定形聚合物具有在三個色域里的高度光學(xué)透明性，而且同時(shí)可用作基質(zhì)以合并一種或多種，外涂層了無機(jī)的或有機(jī)的或聚合物的納米粒子，具有一種或多種粒子，該粒子合并了一種被挑選出的稀土離子，該稀土離子在光學(xué)電池的三個主要的極大值的波長范圍內(nèi)，即450nm，525nm和575nm。
稀土金屬的例子包括鑭系，從Z＝58到Z＝71的元素，和它們的對應(yīng)離子，Er，Dy，Nd，Pr，Yb和Holmium。這樣，例如，被發(fā)現(xiàn)，具有一些或所有的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)的吸收特性的適當(dāng)?shù)募{米粒子，能被加入到基質(zhì)聚合物的范圍是大約0.1到大約100的聚合物重量比。那光學(xué)聚合物納米復(fù)合材料的光吸收表現(xiàn)，能通過調(diào)整每一種稀土離子的在復(fù)合材料中的濃度和相對比例來控制。結(jié)果，新創(chuàng)材料有優(yōu)良的反閃耀光和透明性質(zhì)，而少有或沒有，來自于調(diào)節(jié)用稀土離子的相對較低的著色。
本發(fā)明的復(fù)合材料，如摻了納米粒子的，和摻了帶有碳氟化合物涂層的納米粒子的含氟聚合物，有著改良的熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性，低吸水率和生物適應(yīng)性。這些性質(zhì)可以用來改進(jìn)，如(1)氣體測量當(dāng)納米粒子包括ZnO，SnO2，WO3，TiO2，F(xiàn)e2O3，BiFeO3，MgAl2O4，SrTiO3或Sr1-yCayFO3-x的時(shí)候；(2)磁性記錄當(dāng)納米粒子包括金屬的粒子，如CoPt，F(xiàn)ePt和氧化鐵的時(shí)候；和(3)藥物傳輸當(dāng)納米粒子包括氟化金粒子的時(shí)候。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料包括一種基質(zhì)，和在該基質(zhì)內(nèi)的多種納米粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述納米粒子的大多數(shù)包含至少一個涂覆層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述納米粒子的大多數(shù)包含一個含鹵素的外表層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含至少一種聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，多種納米粒子分布在所述基質(zhì)中，使得該復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的各向同性特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)是從鹵代彈性體，全鹵代彈性體，鹵代塑料，和全鹵代塑料中選取的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含一種聚合物，共聚物，或者三元共聚物，所述聚合物，共聚物，或者三元共聚物具有至少一個選自下列結(jié)構(gòu)式的鹵代單體 其中，--R1，R2，R3，R4，和R5，可以相同或者不同，從直鏈或支鏈的碳?xì)浠溨羞x取，能夠形成至少一個飽和或不飽和碳基環(huán)，其中，碳?xì)浠溨辽儆幸粋€氫原子可能被鹵代如鹵代烷基(halogenated alkyl)，鹵代芳基(halogenated aryl)，鹵代環(huán)烷烴(halogenatedcyclic alky)，鹵代烯烴(halogenated alkenyl)，鹵代烷基醚(halogenated alkyleneether)，鹵代硅氧烷(halogenated siloxane)，鹵代醚(halogenated ether)，鹵代聚醚(halogenated polyether)，鹵代硫醚(halogenated thioether)，鹵代亞甲硅基(halogenated silylene)，鹵代硅氮烷(halogenated silazane)；--Y1和Y2可能相同或不同，從H，F(xiàn)，Cl，和Br原子中選?。缓?-Y3從H，F(xiàn)，Cl，和Br原子，CF3和CH3中選取。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合材料，其特征在于，R1，R2，R3，R4，和R5至少部分被氟化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合材料，其特征在于，R1，R2，R3，R4，和R5被完全氟化。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合材料，其特征在于，R1，R2，R3，R4，和R5中至少一種是從C1-C10、直鏈或支鏈的、飽和或不飽和碳?xì)浠溨羞x取。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含至少以下單體反應(yīng)其中之一的聚合物縮合產(chǎn)物HO-R-OH+NCO-R’-NCO；或HO-R-OH+Ary1-Ary2，其中--R，R’，可能相同或者不同，從鹵代亞烴基(halogenated alkylenes)，鹵代硅氧烷，鹵代醚，鹵代亞甲硅基，鹵代芳香烴(halogenated arylenes)，鹵代聚醚，鹵代環(huán)烷烴中選取；和--Ary1，Ary2，可能相同或者不同，從鹵代芳基和鹵代芳烷(halogenated alkylaryls)中選取。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含從鹵代聚碳酸酯(halogenated polycarbonates)，鹵代聚環(huán)蠟(halogenated cyclic olefin polymers)，鹵代共聚環(huán)蠟(halogenated cyclic olefin copolymers)，鹵代聚多環(huán)(halogenatedpolycyclic polymers)，鹵代聚酰亞胺(halogenated polyimides)，鹵代聚醚醚酮(halogenated polyether ether ketones)，鹵代環(huán)氧樹脂(halogenated epoxy resins)，和鹵代聚砜樹脂(halogenated polysulfones)中選取的一種材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含兩種或者更多的不同的氟化聚合物的組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)進(jìn)一步包含鹵代聚合物，該鹵代聚合物含有選自亞磷酸鹽(phosphinates)，磷酸鹽(phosphates)，羧酸鹽(carboxylates)，硅烷(silanes)，硅氧烷(siloxanes)，和硫化物(sulfides)的功能團(tuán)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述功能團(tuán)選自POOH，POSH，PSSH，OH，SO3H，SO3R，SO4R，COOH，NH2，NHR，NR2，CONH2，和NH-NH2，其中R指直鏈或支鏈碳?xì)浠?，能夠形成至少一個飽和或不飽和碳基環(huán)如亞烴基(alkylenes)，硅氧烷(siloxanes)，硅烷(silanes)，乙醚(ethers)，聚醚(polyethers)，硫醚(thioethers)，亞甲硅基(silylenes)和硅氮烷(silazanes)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，包含所述基質(zhì)的至少一種材料是從下述材料的單聚合物或共聚合物中選取乙烯(vinyl)，丙烯酸鹽(acrylate)，甲基丙烯酸鹽(methacrylate)，乙烯基芳香族(vinyl aromatic)，乙烯基酯(vinyl ester)，阿爾發(fā)貝它不飽和酸酯(alpha beta unsaturated acid ester)，不飽和羧酸酯(unsaturated carboxylic acid ester)，氯乙烯(vinyl chloride)，乙烯叉二氯(vinylidene chloride)，和二烯單體(diene monomers)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含有含氫含氟彈性體。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)進(jìn)一步包含交聯(lián)鹵代聚合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述鹵代聚合物包含氟化聚合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物包含全鹵代聚合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述全鹵代聚合物包含全氟化聚合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物包含全鹵代彈性體(perhalogenated elastomer)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含含氫全氟化彈性體(hydrogen-containing perfluoroelastomer)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含含氫氟化塑料(hydrogen-containing fluoreplastic)。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含含氫全氟化熱塑性塑料(hydrogen-containing perfluorothermoplastic)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含一種混合物，其中至少一種材料從鹵代，氟化，和全氟化聚合物中選取。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含poly[2，2-bistrifluoromethyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)包含poly[2，2-bisperfluoroalkyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)包含poly[2，2，4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含poly(pentafluorostyrene)。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含氟化聚酰亞胺(fluorinated polyimide)。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含氟化聚甲基丙烯酸甲酯(fluorinated polymethylmethacrylate)。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含聚氟化丙烯酸(polyfluoroacrylates)。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含聚氟化苯乙烯(polyfluorostyrene)。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含氟化聚碳酸酯(fluorinated polycarbonates)。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含全氟化多環(huán)聚合物(perfluoro-polycyclic polymers)。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述聚合物基質(zhì)包含氟化環(huán)石蠟聚合物(fluorinated cyclic olefin polymers)。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基質(zhì)包含氟化環(huán)石蠟共聚物(fluorinated copolymers of cyclic olefin)。
40.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從稀土金屬，過渡金屬，第五族元素，V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+和Bi3+中選取的元素。
41.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從稀土金屬，V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+，和Bi3+中選取的元素。
42.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從過渡金屬，V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+，和Bi3+中選取的元素。
43.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從第五族元素，V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+，和Bi3+中選取的元素。
44.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+，和Bi3+中選取的元素。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述至少一種元素與至少下述材料中的一種結(jié)合氧化物，磷酸鹽(phosphate)，鹵化磷酸鹽(halophosphate)，砷酸鹽，硫酸鹽，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽(gallates)，硅酸鹽，鍺酸鹽(germanate)，釩酸鹽(vanadate)，鈮酸鹽(niobate)，鉭酸鹽(tantalaite)，鎢酸鹽，鉬酸鹽(molybdate)，堿鹵化鹽(alkalihalogenates)，鹵化物，氮化物，硝酸鹽，硫化物，鋯酸鹽(zirconates)，硒化物，sulfoselenides，氧硫化物(oxysulfides)，亞磷酸鹽，hexafluorophosphinates，和tetrafluoroborates。
46.根據(jù)權(quán)利要求40所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述至少一種元素是從Cr3+和Cr4+中選取，與至少下述材料中的一種結(jié)合氧化物，磷酸鹽，鹵化磷酸鹽，砷酸鹽，硫酸鹽，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽，硅酸鹽，鍺酸鹽，釩酸鹽，鈮酸鹽，鉭酸鹽，鎢酸鹽，鉬酸鹽，堿鹵化鹽，鹵化物，氮化物，硝酸鹽，硫化物，鋯酸鹽，硒化物，sulfoselenides，氧硫化物，亞磷酸鹽，hexafluorophosphinates，和tetrafluoroborates。
47.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含半導(dǎo)體材料。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含從Si，PbS，Ge，GaP，GaAs，InP，InAs，InSb，PbSe，和PbTe中選取的半導(dǎo)體材料。
49.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從第III族到第V族元素中選取的材料。
50.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從n型第III族到第V族元素中選取的材料。
51.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從貴金屬，銅和其合金中選取的材料。
52.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從過渡金屬元素，過渡金屬合成物，含過渡金屬材料，過渡金屬氧化物，和含過渡金屬聚合物中選取的材料。
53.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種折射率介于1與5之間的材料。
54.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種折射率介于1.5與4.5之間的材料。
55.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從染料納米粒子中選取的材料。
56.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從Cr3+，Cr4+，和Ca2GeO4中選取的材料。
57.根據(jù)權(quán)利要求40所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子進(jìn)一步包含至少一種從Si，PbS，Ge，GaP，GaAs，InP，InAs，InSb，PbSe，PbTe，鈮酸鋰，非線性光學(xué)發(fā)色團(tuán)，和有機(jī)染料中選取的材料。
58.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從POOH，POSH，PSSH，OH，SO3H，SO3R，SO4R，COOH，NH2，NHR，NR2，CONH2，和NH-NH2中選取的功能團(tuán)，其中R指直鏈或支鏈碳?xì)浠?，能夠形成至少一個飽和或不飽和碳基環(huán)如亞烯基，硅氧烷，硅烷，乙醚，聚醚，硫醚，亞甲硅基，和硅氮烷。
59.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種聚合物。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述至少一種聚合物是從下述材料的單聚合物或共聚合物中選取乙烯，丙烯酸(acrylic)，乙烯基芳香族，乙烯基酯，阿爾發(fā)貝它不飽和酸酯，不飽和羧酸酯，氯乙烯，乙烯叉二氯，和二烯單體。
61.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，多數(shù)所述多種納米粒子的主要尺寸小于50納米。
62.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子進(jìn)一步包含一組含有第一類活性材料的第一組粒子，和含有不同于第一類的活性材料的至少一組粒子。
63.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，多數(shù)所述多種納米粒子包含一個鹵化外涂覆層，所述鹵化外涂覆層含有至少一種從氟，氯，溴原子中選取的鹵素。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述鹵化外涂覆層是由至少下述材料中的一種生成鹵代聚磷酸鹽(halogenated polyphosphates)，鹵代磷酸鹽(halogenated phosphates)，鹵代亞磷酸鹽(halogenated phosphinates)，halogenateddithiophosphinates，鹵代焦磷酸鹽(halogenated pyrophosphates)，鹵代烷基鈦酸鹽(halogenated alkyltitanates)，鹵代烷基鋯酸鹽(halogenated alkyl zirconates)，鹵代硅烷(halogenated silanes)，鹵代醇(halogenated alcohols)，鹵代胺(halogenatedamines)，鹵代羧酸鹽(halogenated carboxylates)，鹵代氨基化合物(halogenatedamides)，鹵代硫酸鹽(halogenated sulfates)，鹵代酯(halogenated esters)，鹵代氯化酸鹽(halogenated acid chloride)，鹵代乙酰丙酮化物的酯(halogenatedacetylacetonate)，鹵代硫醇(halogenated thiols)，和halogenated alkylcyanide。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述鹵化外涂覆層是氟化的。
66.根據(jù)權(quán)利要求63所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述多種納米粒子進(jìn)一步包含位于鹵化外涂覆層內(nèi)部的內(nèi)涂覆層，其中內(nèi)涂覆層包含一層或更多層鈍化層。
67.根據(jù)權(quán)利要求63所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述鹵化外涂覆層包含一種材料，該材料與多種納米粒子中的至少一種上的活性基團(tuán)反應(yīng)和中和。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述活性基團(tuán)是OH。
69.根據(jù)權(quán)利要求67所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述活性基團(tuán)包括酯。
70.一種形成復(fù)合材料的方法，包括將大多數(shù)多種納米粒子涂上鹵化外涂覆層；與將多種涂覆后的納米粒子分散在基質(zhì)材料中。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，所述基質(zhì)材料包含至少一種聚合物。
72.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，所述基質(zhì)材料包含至少一種含鹵聚合物。
73.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，進(jìn)一步包括，在將多種納米粒子的每一種涂以鹵化外涂覆層前，在大部分納米粒子外形成一層或更多層鈍化層。
74.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，將大多數(shù)納米粒子涂敷覆包括在存在含鹵涂覆材料的同時(shí)形成多種納米粒子，與原處同步地在多數(shù)納米粒子上形成鹵化外敷層。
75.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，涂覆大多數(shù)納米粒子進(jìn)一步包括將納米粒子分散在含鹵涂覆材料的溶液中。
76.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，涂覆納米粒子進(jìn)一步包括將納米粒子置于包含鹵化外覆層形成組份的溶液中；與進(jìn)行化學(xué)置換反應(yīng)，將大多數(shù)多種納米粒子原有的涂覆層取代為鹵化外覆層。
77.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，所述分散包括將納米粒子與基質(zhì)共溶于一種溶劑中，形成溶液；將溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于襯底上；和將溶劑從所述溶液中蒸發(fā)。
78.根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，所述基質(zhì)為單體基質(zhì)。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的方法，進(jìn)一步包括，在將納米粒子分散到基質(zhì)中后，將單體聚合。
80.一種光波導(dǎo)，包括用來傳導(dǎo)入射光的核心；和置于所述核心外的涂覆層，其特征在于，所述光波導(dǎo)的核心包括基質(zhì)；與分散在所述基質(zhì)中的多種納米粒子。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，多種所述納米粒子有至少一層鹵化外涂覆層。
82.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述基質(zhì)含有至少一種從鹵代彈性體，全鹵代彈性體，鹵代塑料，和全鹵代塑料中選取的材料。
83.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述基質(zhì)包含至少一種從含氫全氟化彈性體，含氫氟化塑料，全氟化熱塑性塑料，至少兩種不同氟化聚合物的混合物，poly[2，2-bistrifluoromethyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly[2，2-bisperfluoroalkyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly[2，3-(perfluoroalkenyl)perfluorotetrahydrofuran]，poly[2，2，4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1，3-dioxole-co-tetrafluoroethylene]，poly(pentafluorostyrene)，氟化聚酰亞胺，氟化聚甲基丙烯酸甲酯，聚氟化丙烯酸，聚氟化苯乙烯，氟化聚碳酸酯，全氟化多環(huán)聚合物，氟化環(huán)石蠟聚合物，和氟化環(huán)石蠟共聚物。
84.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述多種納米粒子包含至少一種從稀土金屬，V3+，Cr3+，Cr4+，CO2+，F(xiàn)e2+，Ni2+，Ti3+和Bi3+中選取的材料。
85.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述至少一種材料與下述材料中的至少一種結(jié)合氧化物，磷酸鹽，鹵化磷酸鹽，砷酸鹽，硫酸鹽，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽，硅酸鹽，鍺酸鹽，釩酸鹽，鈮酸鹽，鉭酸鹽，鎢酸鹽，鉬酸鹽，堿鹵化鹽，鹵化物，氮化物，硫化物，硒化物，sulfoselenides，氧硫化物，亞磷酸鹽，hexafluorophosphinates，和tetrafluoroborates。
86.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述至少一種元素是從Cr3+和Cr4+中選取，與至少下述材料中的一種結(jié)合氧化物，磷酸鹽，鹵化磷酸鹽，砷酸鹽，硫酸鹽，硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽，硅酸鹽，鍺酸鹽，釩酸鹽，鈮酸鹽，鉭酸鹽，鎢酸鹽，鉬酸鹽，堿鹵化鹽，鹵化物，氮化物，硫化物，硒化物，sulfoselenides，氧硫化物，亞磷酸鹽，hexafluorophosphinates，和tetrafluoroborates。
87.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述多數(shù)納米粒子包含一種聚合物。
88.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述鹵化外涂覆層包含至少一種從氟，氯，溴中選取的鹵素。
89.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述鹵化外涂覆層是由至少下述材料中的一種生成鹵代聚磷酸鹽，鹵代磷酸鹽，鹵代亞磷酸鹽，halogenateddithiophosphinates，鹵代焦磷酸鹽，鹵代烷基鈦酸鹽，鹵代烷基鋯酸鹽，鹵代硅烷，鹵代醇，鹵代胺，鹵代羧酸鹽，鹵代氨基化合物，鹵代硫酸鹽，鹵代酯，鹵代氯化酸鹽，鹵代乙酰丙酮化物的酯，鹵代硫醇，和halogenated alkylcyanide。
90.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，所述多種納米粒子進(jìn)一步包含位于鹵化外涂覆層內(nèi)部的內(nèi)涂覆層，其中內(nèi)涂覆層包含至少一層鈍化層。
91.根據(jù)權(quán)利要求80所述的光波導(dǎo)，其特征在于，多數(shù)所述多種納米粒子的主要尺寸小于50納米。
92.一種用于改善一種器件中增益介質(zhì)的方法， 所述方法包括一種復(fù)合材料包含一種基質(zhì)；和在基質(zhì)中的多種納米粒子；和將基質(zhì)摻雜以有效數(shù)量的粒子，該粒子包含至少一種從稀土金屬，Cr3+，Cr4+，Ni2+，V3+，Ti3+，Bi3+，CO2+，和Fe2+中選取的材料。
93.一種用于改善一種器件的電光效應(yīng)性質(zhì)的方法，所述方法包括由復(fù)合材料形成的所述器件包含一種基質(zhì)；和在基質(zhì)中的多種納米粒子；和將基質(zhì)摻雜以有效數(shù)量的粒子，該粒子包含至少一種從鈮酸鋰，GaAs，非線性光學(xué)發(fā)色團(tuán)，和有機(jī)染料中選取的材料。
94.根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，至少一種所述有機(jī)染料是從dithiphene，diphenoquinoid，和anthraquinodimethane的衍生物中選取。
95.一種用于提高一種器件的磁光效應(yīng)性質(zhì)的方法，所述方法包括由復(fù)合材料形成的所述器件包括，一種基質(zhì)，和在所述基質(zhì)中的多種納米粒子；和將納米粒子摻雜以有效數(shù)量的從以下材料中選取的至少一種材料YVO4，TbPO4，HoYbBiIG，(Cd，Mn，Hg)Te，MnAS，Y2.82Ce0.18Fe5O12，鉍替換鐵石榴石(Bi-substitutediron garnet)，釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet)，鋱鎵石榴石(Terbium Gallium Garnet)，鈮酸鋰，和順磁性稀土材料，該稀土材料包含至少一種選自Tb+3，Y+3，和Ce+3的納米粒子。
96.根據(jù)權(quán)利要求95所述的方法，其特征在于，其中納米粒子的濃度介于復(fù)合材料的體積百分比為10％到95％。
97.一種用于改善一種器件的耐磨性質(zhì)的方法，所述方法包括由復(fù)合材料形成的所述器件包含一種基質(zhì)；在基質(zhì)中的多種納米粒子；和將基質(zhì)摻雜以有效數(shù)量的至少一種堅(jiān)硬材料。
98.根據(jù)權(quán)利要求97所述的方法，其特征在于，所述至少一種堅(jiān)硬材料從SiO2，TiO2，和YAG中選取。
99.一種用于改善一種器件的光吸收性質(zhì)的方法，所述方法包括由復(fù)合材料形成的所述器件包含一種基質(zhì)；在基質(zhì)中的多種納米粒子；和將納米粒子包敷一種高透光度無定形聚合物。
100.根據(jù)權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于，所述無定形材料包含至少一種從有涂覆的，無機(jī)，有機(jī)和聚合物納米粒子中選取的材料；還包含至少一種含有稀土金屬材料的納米粒子。
101.根據(jù)權(quán)利要求99所述的方法，其特征在于，所述稀土金屬從Nd+3，Pr+3，和Ho+3中選取。
102.根據(jù)權(quán)利要求99所述的方法， 其特征在于，所述納米粒子的光吸收性質(zhì)表現(xiàn)在大約450納米，525納米或575納米波長。
103.一種用于改善一種器件的熱穩(wěn)定性質(zhì)的方法，所述方法包括由一種復(fù)合材料形成的所述器件包含一種基質(zhì)；在基質(zhì)中的多種納米粒子；和將基質(zhì)摻雜以有效數(shù)量的包含至少一種負(fù)熱脹系數(shù)材料的納米粒子。
104.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，所述至少一種負(fù)熱脹系數(shù)材料是從Ni-Ti合金，ZrW2O8，ZrMO2O8，Y2(WO4)3，V摻雜ZrP2O7，ZrV2O7，(Zr2O)(PO4)2，Th4(PO4)4P2O7，和AOMO4中選取；其中-A從Nb和Ta中選取；-M從P，As，和V中選取。
105.根據(jù)權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，所述至少一種負(fù)熱脹系數(shù)材料是從有下述分子式(1)的材料中選取A1-Y4+AY4+AY3+V2-xPxO7(1)其中-A4+從Hf，Zr，ZraMb，和HfaMb及混合物中選取，-a+b＝1-A4+從堿土金屬中選取，-A3+從稀土金屬中選取，-M從Ti，Ce，Th，U，Mo，Pt，Pb，Sn，Ge或Si中選取-y的范圍從0到0.4，-x的范圍從0.6到1.4。
106.根據(jù)權(quán)利要求105所述的方法，其特征在于，所述至少一種分子式(1)的材料從(ZrO)2VP2O7，ZrVPO7，Zr0.8Li0.2Y0.2VPO7，Zr0.8Ce0.2VPO7和HfVPO7中選取。
107.一種合成物包含一種鹵代聚合物基質(zhì)；和多種在鹵代聚合物基質(zhì)中的納米粒子。
108.一種用于改善一種器件的化學(xué)穩(wěn)定性的方法，所述方法包括由復(fù)合材料形成的所述器件包括一種含鹵聚合物基質(zhì)；和多種在含鹵聚合物基質(zhì)中的納米粒子。
109.一種用于改善一種器件的吸水性的方法，所述方法包括用一種復(fù)合材料形成的所述器件包含一種含鹵聚合物基質(zhì)；和多種在含鹵聚合物基質(zhì)中的納米粒子。
110.一種用于改善一種器件的生物適應(yīng)性的方法，所述方法包括用一種復(fù)合材料形成的所述器件包括一種含鹵聚合物基質(zhì)；和多種在含鹵聚合物基質(zhì)中的納米粒子。
111.一種集成光學(xué)器件包含一種基質(zhì)；和在基質(zhì)中的多種納米粒子。
112.一種藥物輸送器件包含一種基質(zhì)；和在基質(zhì)中的多種納米粒子，所述納米粒子包含有效數(shù)量的活性成分。
113.根據(jù)權(quán)利要求112所述的器件，其特征在于，多數(shù)所述納米粒子包敷有有效數(shù)量的生物適應(yīng)性材料的涂敷層。
114.一種集成器件包含一種基質(zhì)；和在基質(zhì)中的多種納米粒子。
全文摘要
一種復(fù)合材料包括一種基質(zhì)和分散在所述基質(zhì)中的多種納米粒子。多種納米粒子的每一種可能有一個鹵化的外涂覆層，密封所述納米粒子并防止納米粒子在所述基質(zhì)中凝聚。本發(fā)明同樣提供形成所述復(fù)合材料的方法。憑借此納米材料，所述復(fù)合材料可以有多種應(yīng)用，包括，但不局限于光學(xué)設(shè)備，窗玻璃，鏡子，玻璃板，光學(xué)透鏡，光學(xué)透鏡矩陣，光顯示器，液晶顯示器，陰極射線管，光學(xué)過濾器，光學(xué)器件，所有這些通常被稱為器件。
文檔編號G02B6/10GK1646613SQ03808787
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者安東尼·F.·蓋瑞特, 肖玉玲, 高任遠(yuǎn), 朱勁松, 布瑞恩·托馬司, 安娜·帕納克爾, 扎耶·沙曼, 高任峰 申請人:光子－X有限公司