СТЕКЛО С НАНОКРИСТАЛЛАМИ СУЛЬФИДА СВИНЦА ДЛЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХСЯ ФИЛЬТРОВ В БЛИЖНЕЙ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА

СТЕКЛО С НАНОКРИСТАЛЛАМИ СУЛЬФИДА СВИНЦА ДЛЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХСЯ ФИЛЬТРОВ В БЛИЖНЕЙ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА



RU (11) 2269492 (13) C1

(51) МПК
C03C 10/02 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2006.02.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 2004120886/03 
(22) Дата подачи заявки: 2004.07.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.07.08 
(45) Опубликовано: 2006.02.10 
(56) Аналоги изобретения: US 5449645 A, 12.09.1995.

RU 2080308 C1, 27.05.1997.

JP 2271933 A1, 06.11.1990.

JP 63310541 A1, 19.12.1988. 

JP 61090340 A1, 08.05.1986. 
(72) Имя изобретателя: Рачковская Галина Евтихиевна (BY); Захаревич Галина Борисовна (BY); Кулешов Николай Васильевич (BY); Юмашев Константин Владимирович (BY); Маляревич Александр Михайлович (BY); Гапоненко Максим Сергеевич (BY) 
(73) Имя патентообладателя: Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" (BY); Научно-исследовательское учреждение "Международный лазерный центр" (BY) 
(98) Адрес для переписки: 220050, г.Минск, ул. Свердлова, 13а, Белорусский государственный технологический университет 

(54) СТЕКЛО С НАНОКРИСТАЛЛАМИ СУЛЬФИДА СВИНЦА ДЛЯ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХСЯ ФИЛЬТРОВ В БЛИЖНЕЙ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Стекло с нанокристаллами сульфида свинца (PbS) используется в лазерной технике в качестве просветляющихся фильтров, а именно, твердотельных пассивных затворов для лазеров, излучающих в ближней ИК области спектра. Формирование в стекле наночастиц PbS размером от 3 до 7 нм достигается в результате термической обработки стекла. Наличие в стекле наночастиц PbS определенного размера (3,4; 4,5; 4,9; 6,9) смещает низший по энергии пик экситонного поглощения в диапазон длин волн 0,8-1,6 мкм и расширяет спектральную область рабочих длин волн пассивного затвора лазера. Данное стекло найдет применение в качестве пассивного затвора для генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей на длинах волн 0,8-1,6 мкм в лазерах, применяемых для медицины, волоконно-оптической связи и дистанционного зондирования атмосферы. Стекло включает компоненты при следующем их соотношении, мас.%: SiO2 33-48; В2О3 10-20,5; Na2О 15,5-16,5; ZnO 12-15; Al2О3 3,5-5,5; PbO 4,5-5,5; F 1,5-3,5; S 1,5-3. Техническая задача изобретения - формирование наночастиц сульфида свинца размером от 3 до 7 нм для обеспечения спектрального поглощения и просветления в ближней ИК области спектра от 0,8 до 1,6 мкм. 2 табл.



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к составам стекол, содержащих кристаллы сульфида свинца нанометрового размера (нанокристаллы или наночастицы) для лазерной техники, и предназначено для использования в качестве просветляющихся сред, а именно, в качестве твердотельных пассивных затворов для лазеров, излучающих в ближней ИК области спектра. 
Стекла, содержащие наночастицы полупроводникового соединения сульфида свинца (PbS), представляют собой твердотельные наноразмерные структуры, которым присущи квантоворазмерные эффекты. Сульфид свинца, PbS, характеризуется малой эффективной массой носителей заряда (электронов и дырок), узкой шириной запрещенной зоны и большим боровским радиусом экситона. Если размер наночастиц близок к боровскому радиусу экситона, то возникает квантоворазмерный эффект, который проявляется в сдвиге края фундаментального поглощения полупроводника в сторону коротких длин волн и появлении выраженных полос поглощения, связанных с экситонными резонансами. Насыщение (уменьшение) поглощения в области этих резонансов, прежде всего первого, наименьшего по энергии, при интенсивном световом воздействии используется в пассивных затворах лазеров для формирования импульсов излучения наносекундной и сверхкороткой длительностей [1, 2]. 
Управляя размерами наночастиц PbS, можно смещать положение пика поглощения первого экситонного резонанса (изменять энергию первого экситонного резонанса) в широком спектральном диапазоне и, тем самым, смещать рабочую длину волны пассивного затвора, используя для этой цели только один полупроводниковый материал - PbS. Пассивный затвор, выполненный из стекла с такими наночастицами PbS, при малой интенсивности падающего светового излучения имеет высокий коэффициент поглощения, т.е. затвор закрыт. При сильном резонансном возбуждении, когда интенсивность света сильно возрастает, коэффициент поглощения значительно снижается и наступает эффект просветления - затвор открыт и пропускает лазерный луч.
В известной работе по формированию в стеклянной матрице полупроводниковых наночастиц PbS меньшего размера (и позволяющих получить пик поглощения первого экситонного резонанса в области около 1,0-1,1 мкм) не приведен состав стекла, в котором эти частицы сформированы. Указано только, что в качестве стеклянной матрицы используется фосфатное стекло [3].
Наиболее близким к предлагаемому стеклу с наночастицами PbS по технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее в мас.%: SiO2 58-65; Na2 О 10-15; ZnO 5-17; Al2О3 0,5-5; PbO 3-6; RO 0-15; F 1-3,5; S 0-3; Se 0-3; S+Se 1-3, где RO: BeO 0-5; MgO 0-5; CaO 0-15; SrO 0-10; BaO 0-10 [4]. Образование наночастиц PbS в указанном стекле происходит в процессе его термической обработки при температурах 550-650°С. Стекло содержит наночастицы PbS размером 7-30 нм, что соответствует спектральному положению первого экситонного пика поглощения в области 1,6-2,2 мкм. Однако данное стекло не обеспечивает получения наночастиц PbS размером меньше 7 нм и не позволяет создать материал с экситонными полосами поглощения в более коротковолновой области спектра (менее 1,6 мкм).
Задачей предлагаемого изобретения является формирование в стеклянной матрице наночастиц PbS меньшего размера (от 3 до 7 нм), обеспечение спектрального поглощения и просветления, а также расширение спектрального диапазона рабочих длин волн пассивного затвора лазера от 0,8 до 1,6 мкм.
Для решения поставленной задачи предлагается стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, которое включает SiO2, Na2O, ZnO, Al2 О3, PbO, F и S и дополнительно содержит В2 O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO 2 33-48; В2О3 10-20,5; Na 2O 15,5-16,5; ZnO 12-15; Al2O3 3,5-5,5; PbO 4,5-5,5; F 1,5-3,5; S 1,5-3. Количественное сочетание указанных компонентов в предлагаемом составе стекла позволяет сформировать в стеклянной матрице наночастицы PbS меньшего размера, а именно, от 3 до 7 нм, обеспечить спектральное поглощение и просветление в коротковолновой области спектра и, таким образом, создать новый материал для просветляющихся фильтров - твердотельных пассивных затворов, с помощью которых представляется возможным осуществить генерацию наносекундных и сверхкоротких световых импульсов на длинах волн 0,8-1,6 мкм в лазерах, используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы.
Из источников литературы стекло, содержащее нанокристаллы PbS, такого химического состава для решения указанной задачи не известно и нами предлагается впервые.
Синтез стекла осуществляют в газовой пламенной печи при температуре 1350-1400°С с выдержкой при максимальной температуре варки в течение 2 часов до полного провара и осветления стекломассы. Скорость подъема температуры в печи 300°С в час.
В качестве сырьевых материалов для приготовления шихты используют: песок кварцевый SiO2, глинозем Al2О 3, борную кислоту Н3ВО3, оксид цинка ZnO, оксид натрия Na2O, свинцовый сурик Pb3 O4, фтористый натрий NaF и серу S. Шихту тщательно перемешивают, засыпают в корундизовые тигли, которые помещают в стекловаренную печь для варки.
Из готовой стекломассы методом литья в металлические формы выливают образцы для проведения дальнейшей термической обработки. Отжиг образцов осуществляют при температуре 450°С.
Термическую обработку стекла проводят в электрической печи при температуре 480-525°С в течение 1-24 часов выдержки. Варьируя температурно-временной режим термообработки стекла, получают наночастицы PbS размером 3,4; 4,5; 4,9; 6,9 нм (см. таблицу 2).
Анализ рентгенограммы стекла, прошедшего термообработку, подтвердил наличие в стеклянной матрице нанокристаллов PbS, сформированных в результате термической обработки. Основные межплоскостные расстояния (0,342; 0,297; 0,209 нм) соответствуют межплоскостным расстояниям кристаллической фазы PbS.
Конкретные составы предлагаемых стекол, а также их спектральные характеристики в сравнении со стеклом - прототипом приведены в таблицах 1 и 2.
Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы в этих целях, так как кристаллизуются либо при выработке стекломассы, либо дают объемную грубо кристаллическую структуру при термообработке. 
В таблице 2 указаны размеры наночастиц PbS, сформированных в этих стеклах в результате термической обработки, а также приведены спектральные положения первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса. Данные таблицы 2 показывают, что заявляемые стекла содержат наночастицы PbS меньшего размера (3-7 нм), чем у прототипа, при этом пик первого экситонного резонанса расположен в ближней ИК области спектра в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, т.е. на более коротких длинах волн, чем у прототипа.
Таблица 1

Составы стекол 
Компоненты стекол Содержание компонентов в составах, мас.% 
1 2 3 Прототип [4] 
SiO 2 42,0 48,0 33,0 58-65 
В2O3 15,5 10,0 20,5 - 
PbO 4,5 5,0 5,5 3-6 
Na 2O 15,5 16,5 16,0 10-15 
ZnO 14,0 12,0 15,0 5-17 
Al2O 3 3,5 5,5 4,5 0,5-5 
F 2,0 1,5 3,5 1-3,5 
S 3,0 1,5 2,0 0-3 
Se - - - 0-3 
S+Se - - - 1-3 
RO (BeO, MgO, CaO, SrO, BaO) - - - 0-15 

Таблица 2

Размер, спектральное положение первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса для образцов стекол с наночастицами PbS 
Образец Режим обработки (температура/время) Средний диаметр наночастиц, нм Спектральное положение максимума полосы поглощения первого экситонного резонанса 
длина волны, мкм энергия фотона (энергия резонанса), эВ 
№1 480°С/24 ч 3,4 0,86 1,43 

525°С/5 ч 
№2 525°С/1 ч 4.0 1,01 1,22 
№3 525°С/10 ч 4,9 1,25 0,99 
№4 525°С/20 ч 6,9 1,6 0,77 
прототип 550-650°С/1-4 ч 7-30 1,6-2,2 - 

Как видно из таблицы 2, изменение режима термообработки приводит к изменению размера наночастиц сульфида свинца, что, в свою очередь, вызывает смещение пика первого экситонного резонанса в область больших по длине волн. Наибольшая энергия первого резонанса - 1,43 эВ (самая короткая длина волны максимума полосы поглощения - 0,86 мкм) наблюдается у наночастиц PbS с диаметром 3,4 нм.
Сравнительный анализ показателей (размера нанокристаллов PbS и положения пика спектрального поглощения) предлагаемого стекла и прототипа показали, что заявляемое стекло содержит наночастицы PbS меньшего размера, чем у прототипа, при этом пик экситонного поглощения расположен в более коротковолновой области спектра, чем у прототипа.
Таким образом, заявляемый химический состав стекла при соответствующей термической обработке обеспечивает формирование нанокристаллов сульфида свинца меньшего размера (3-7 нм), обеспечивает спектральное поглощение и просветление в диапазоне длин волн 0,8-1,6 мкм и расширяет спектральный диапазон рабочих длин волн пассивного затвора лазера.
Указанные преимущества заявляемого стекла, содержащего наночастицы PbS размером 3-7 нм, позволяют создать новый наноструктурный стекломатериал для просветляющихся фильтров (твердотельных пассивных затворов), с помощью которых можно осуществлять генерацию коротких и сверхкоротких импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона 0,8-1,6 мкм, используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы.
Область применения предлагаемого стекла с нанокристаллами PbS - лазерные системы генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей. 
Источники информации
1.1. Kang, F.W. Wise, "Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots", J.Opt.Soc.Am.B.14, 1632-1646 (1997).
2. А.М.Malyarevich, I.A.Denisov, V.G.Savitsky, K.V.Yumashev, A.A.Lipovskii: "Glass Doped with PbS Quantum Dots as Passive Q-Switch for 1.54 m Laser" Appl. Optics 39, 4345 (2000).
3. A.A.Lipovskii, E.V.Kolobkova, A.Olkhovets, V.D.Petrikov and F.Wise, "Synthesis of monodisperse PbS quantum dots in phosphate glass", Physica E 5, 157-160 (1999).
4. Патент США №5,449,645, кл. С 03 С 010/02, 12.09.1995 (прототип).



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, включающее SiO2 , Na2О, ZnO, Al2O3, PbO, F и S, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит В2 O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO2 33,0-48,0 
В2 О3 10,0-20,5 
Na2O 15,5-16,5 
ZnO 12,0-15,0 
Al2 O3 3,5-5,5 
PbO 4,5-5,5 
F 1,5-3,5 
S 1,5-3,0







ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к стекольной промышленности: стекольные составы и композиции, обработка стекла, оборудование для производства и разработки новых стекольных составов и композиций, приспособления и механизмы для обработки и производства стекла, специальные стекла и др.



Стекло. Стекольные составы и композиции. Обработка стекла




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "и" означает, что будут найдены только те страницы, где встречается каждое из ключевых слов. Например, при запросе "закалка стекла" будет найдено словосочетание "закалка стекла". При использовании режима "или" результатом поиска будут все страницы, где встречается хотя бы одно ключевое слово ("закалка" или "стекла").

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+закалка -стекла".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "состав" будут найдены слова "составы", "составом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу "состав!".


Рейтинг@Mail.ru