專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)材料及光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粒子和稠化組合物(densified composition)，更具體地涉及具有所要的光學(xué)特性的粒子和稠化組合物。更具體地，在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及超細(xì)微的稀土族金屬氧化物以及粒子與稠化材料，例如非晶形粒子、結(jié)晶粒子以及玻璃，摻雜這些物質(zhì)以修改其材料特性，更具體地?fù)诫s稀土族的金屬。更進(jìn)一步，本發(fā)明涉及形成摻雜組合物(dopedcomposition)的方法，其中牽涉到使用與流動(dòng)反應(yīng)物的反應(yīng)來(lái)形成粉末，接著固化成固化的光學(xué)材料，例如玻璃、多晶體材料、結(jié)晶材料或這些材料的組合。
背景技術(shù)：
包含互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通訊和信息科技的爆炸性的成長(zhǎng)，已激發(fā)了世界范圍內(nèi)的努力利用光纖通訊(optical communication)的寬帶實(shí)現(xiàn)光纖通訊網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用密集波分復(fù)用技術(shù)(Dense Wavelength Division Multiplexingtechnology)可進(jìn)一步擴(kuò)充光纖(optical fiber)技術(shù)的容量，隨著需求增加，就需要更多通道來(lái)滿足系統(tǒng)功能。集成平面組件(integrated planarcomponent)可用來(lái)代替分散的光學(xué)組件以供應(yīng)所需的容量。為了形成這些集成結(jié)構(gòu)，相當(dāng)大的興趣在于施加到基板上的具體組合物的形成。為了從這些材料中形成具有高質(zhì)量光學(xué)涂層的光學(xué)設(shè)備光學(xué)裝置，因此需要指定涂層的特性。
發(fā)明概述從一方面來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及包含下列一種或多種的粒子集合包含非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬(metalloid)主體組成(host composition)以及稀土族金屬摻雜物(dopant)/添加物(additive)的非晶形粒子、包含選自B2O3與TeO2的準(zhǔn)金屬氧化物的粒子、包含GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物的非晶形粒子、包含選自由LiNbO3與LiTaO3所構(gòu)成組的組合物的粒子、包含選自由金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物以及金屬/準(zhǔn)金屬硒化物所構(gòu)成組的金屬/準(zhǔn)金屬組成的粒子、包含第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟摻雜物/添加物的粒子、包含由玻璃成形主體組成、在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的第二摻雜物/添加物的粒子、包含由玻璃成形主體組成、在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物的粒子和/或包含氧化物組合物的粒子，其中該氧化物組合物包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素。這些粒子通常具有不超過(guò)約500nm，另外或此外不超過(guò)約250nm的平均直徑。
從進(jìn)一步方面來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及非晶形粒子的集合，這些粒子包含有選自于由B2O3與TeO2所構(gòu)成組的準(zhǔn)金屬氧化物以及金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物。這些粒子的平均直徑通常不超過(guò)1000nm。而且，這些粒子通常包含相對(duì)于粒子總準(zhǔn)金屬氧化物與摻雜物/添加物組成含量的至少約51摩爾百分比的準(zhǔn)金屬氧化物含量。
在另一方面，本發(fā)明涉及包含粉末陣列的預(yù)型(preform)。該粉末陣列通常包含平均直徑不超過(guò)500nm的初級(jí)粒子。進(jìn)一步，該粉末陣列包含選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的至少一種組合物。
在另一方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)產(chǎn)物粒子的方法，該粒子包含選自于由非結(jié)晶的非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性(paramagenetism)導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。該方法可包含在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流(reactant stream)。進(jìn)一步，反應(yīng)物流可包含選擇的前體來(lái)產(chǎn)生所要的組合物。而且，可利用輻射源驅(qū)動(dòng)反應(yīng)以及位于導(dǎo)致粒子具有所選組成的情況下。
在進(jìn)一步方面，本發(fā)明涉及形成包含粉末陣列的預(yù)型的方法，該粉末陣列形成于至少一種產(chǎn)物粒子集合，每個(gè)產(chǎn)物粒子集合包含獨(dú)立選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。該方法可包含在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流來(lái)形成產(chǎn)物粒子，其中該反應(yīng)物流包含選擇的前體來(lái)產(chǎn)生所要的組合物，并且其中可由輻射源驅(qū)動(dòng)該反應(yīng)作用。進(jìn)一步，該方法包含從產(chǎn)物粒子流將產(chǎn)物粒子涂層到至少部分基板表面上。
在其他方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)產(chǎn)物粒子的方法，該粒子包含至少選自于由非結(jié)晶的非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成組合物，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包含反應(yīng)反應(yīng)物，以每小時(shí)至少約25克的速度產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。在另一或其他實(shí)施方案中，該方法包含反應(yīng)反應(yīng)物，以每小時(shí)至少約100克的速度產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。
在其他方面中，本發(fā)明涉及用來(lái)形成包含粉末陣列的預(yù)型的方法，該粉末陣列形成于至少一個(gè)粒子集合，每個(gè)產(chǎn)物粒子都包含獨(dú)立選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包含以每小時(shí)至少約10克的速度將粒子涂層在基板表面上。在另一或其他實(shí)施方案中，該方法包含反應(yīng)反應(yīng)物來(lái)產(chǎn)生所述粒子。在進(jìn)一步另一或其他實(shí)施方案中，在不超過(guò)25秒的時(shí)間內(nèi)將基本上整個(gè)基板表面上涂層約10微米的厚度。
在進(jìn)一步方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)摻雜玻璃層的方法。該方法包含將溶液施加給粉末陣列。通常，該溶液包含包括至少一種金屬/準(zhǔn)金屬元素的第一金屬/準(zhǔn)金屬組成以及可溶解第一金屬/準(zhǔn)金屬組成的溶劑。通常，粉末陣列包含無(wú)法有效溶解在溶劑中的第二金屬/準(zhǔn)金屬組成，并且該粉末陣列具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)顆粒直徑。該方法可進(jìn)一步包含用施加的溶液將粉末陣列加熱至其流動(dòng)溫度之上，以產(chǎn)生基本上固化的材料，該材料包含結(jié)合至少一種金屬/準(zhǔn)金屬元素的第二金屬/準(zhǔn)金屬組成。
在其他方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)產(chǎn)物組合物的方法，其中該組合物包含多種金屬/準(zhǔn)金屬元素。該方法可包含利用噴嘴在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)的反應(yīng)物流。通常，噴嘴連接到設(shè)計(jì)用來(lái)提供包含一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的氣溶膠的氣溶膠產(chǎn)生器(aerosol generator)以及連接到設(shè)計(jì)用來(lái)供應(yīng)包含一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的蒸氣/氣體的蒸氣/氣體來(lái)源。該方法可進(jìn)一步包含反應(yīng)流動(dòng)的反應(yīng)物流，以產(chǎn)生產(chǎn)物組合物。
在另一方面，本發(fā)明涉及產(chǎn)物粒子的生產(chǎn)方法。該方法可包含在反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)(reactant delivery system)內(nèi)產(chǎn)生包含液體的氣溶膠，該方法可進(jìn)一步包含蒸發(fā)液體，形成通過(guò)反應(yīng)物供應(yīng)噴嘴(reactant delivery nozzle)供應(yīng)至反應(yīng)室，作為至少部分反應(yīng)物流的反應(yīng)物粒子。該方法可也可包含反應(yīng)反應(yīng)物流，以產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。
在進(jìn)一步方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)涂層基板的方法。該方法可包含在反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生包含液體的氣溶膠，該方法可進(jìn)一步包含蒸發(fā)液體形成通過(guò)供應(yīng)噴嘴供應(yīng)的反應(yīng)物粒子。該方法可也可包含反應(yīng)反應(yīng)物粒子，以形成產(chǎn)物粒子。該方法也可額外包含將至少部分產(chǎn)物粒子沉積到基板上。
在其他方面，本發(fā)明涉及生產(chǎn)涂層的方法。該方法可包含利用在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流來(lái)形成產(chǎn)物流(product flow)，其中至少部分反應(yīng)物流通過(guò)反應(yīng)物噴嘴注入。該方法也包含利用引導(dǎo)基板表面上的產(chǎn)物流沉積涂層，以產(chǎn)生涂層表面。該方法進(jìn)一步包含通過(guò)反應(yīng)物噴嘴將未反應(yīng)的流導(dǎo)引到涂層表面上。
在其他方面，本發(fā)明涉及在反應(yīng)物流內(nèi)生產(chǎn)組合物的方法。該方法包含在反應(yīng)室內(nèi)以反應(yīng)室壓力，用至少一個(gè)反應(yīng)物噴嘴產(chǎn)生流動(dòng)的反應(yīng)物流。通常，到達(dá)噴嘴的流體可包含反應(yīng)前體以及加壓的液體。通常，反應(yīng)室的壓力足夠低到允許加壓的液體進(jìn)入反應(yīng)室內(nèi)就蒸發(fā)并且汽化。該方法可進(jìn)一步包含反應(yīng)流動(dòng)的反應(yīng)物流，以產(chǎn)生組合物。
在進(jìn)一步方面，本發(fā)明涉及摻雜組合物的方法。該方法包含將包含金屬/準(zhǔn)金屬離子的溶液與包含該組合物的粉末陣列接觸。該方法可進(jìn)一步包含施加橫越粉末陣列一維的電場(chǎng)，以激發(fā)金屬/準(zhǔn)金屬離子遷移至組合物內(nèi)。
在其他方面，本發(fā)明涉及通過(guò)改變基板表面上摻雜物/添加物濃度，在基板表面上形成玻璃的方法。該方法包含在包含可選擇的組合物的氣溶膠內(nèi)，產(chǎn)生包含主體反應(yīng)前體與摻雜物/添加物反應(yīng)前體的反應(yīng)物流。該方法進(jìn)一步包含反應(yīng)反應(yīng)物流，以產(chǎn)生包含產(chǎn)物組合物的產(chǎn)物流。該方法也包含利用將基板表面相對(duì)于產(chǎn)物流來(lái)移動(dòng)，將產(chǎn)物組合物涂層在表面上。此外該方法可包含選擇反應(yīng)物流內(nèi)的摻雜物/添加物的前體，沿著基板表面在不同位置上沉積不同的產(chǎn)物組合物。
在另一方面，本發(fā)明涉及光學(xué)裝置及其制作方法。該光學(xué)裝置通常包含至少一層玻璃與至少一層玻璃上的上覆鞘(over-cladding)，其中該上覆鞘包含含有氟摻雜物/添加物的玻璃。該方法一般包含在至少一層玻璃上施加包含氟摻雜物/添加物的玻璃。
在進(jìn)一步方面，本發(fā)明的產(chǎn)物初級(jí)粒子可任選地具有一種或多種其他特性。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，產(chǎn)物初級(jí)粒子的大小經(jīng)過(guò)分布，如此可有效讓初級(jí)粒子的直徑不會(huì)大于平均直徑5倍以上。在另一或其他實(shí)施方案中，產(chǎn)物初級(jí)粒子包含粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子其直徑大于平均直徑的45％并且小于200％。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是激光熱解裝置實(shí)施方案的示意剖面圖，其中截面取自于輻射路徑的中間。上插圖是收集噴嘴(collection nozzle)的底視圖，而下插圖則是噴嘴的頂視圖。
圖2為將蒸氣反應(yīng)物供應(yīng)至圖1激光熱解(laser pyrolysis)裝置的反應(yīng)物供應(yīng)裝置的示意側(cè)視圖。
圖3A為將蒸氣反應(yīng)物供應(yīng)至圖1激光熱解裝置的反應(yīng)物供應(yīng)裝置的示意剖面圖，其中截面取自于裝置中央。
圖3B為在單個(gè)反應(yīng)物進(jìn)口噴嘴(inlet nozzle)內(nèi)有兩個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器的反應(yīng)物供應(yīng)裝置的示意剖面圖。
圖4為用來(lái)供應(yīng)蒸氣與氣溶膠反應(yīng)物的反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)口噴嘴的示意剖面圖，其中蒸氣與氣溶膠會(huì)在噴嘴內(nèi)混合。
圖5為用來(lái)供應(yīng)蒸氣與氣溶膠反應(yīng)物的反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)口噴嘴的示意剖面圖，其中蒸氣與氣溶膠會(huì)在與輻射光束反應(yīng)之前先在反應(yīng)室內(nèi)混合。
圖6為激光熱解裝置另一實(shí)施方案的透視圖。
圖7是圖4另一種激光熱解裝置進(jìn)口噴嘴的剖面圖，其中截面取自噴嘴長(zhǎng)度方向并通過(guò)其中央。
圖8是圖4另一種激光熱解裝置進(jìn)口噴嘴的剖面圖，其中截面取自噴嘴寬度方向并通過(guò)其中央。
圖9為用于運(yùn)行激光熱解的放大反應(yīng)室實(shí)施方案的透視圖。
圖10為用于運(yùn)行激光熱解的放大反應(yīng)室實(shí)施方案的透視圖。
圖11為圖10反應(yīng)室的剖面?zhèn)纫晥D。
圖12為圖10反應(yīng)室的部分剖面?zhèn)纫晥D，取自圖10的12-12線。
圖13為使用圖10反應(yīng)室的反應(yīng)物噴嘴實(shí)施方案的片斷透視圖。
圖14為使用通過(guò)管道連接到分離的(separate)涂層室的粒子生產(chǎn)裝置所形成的光反應(yīng)沉積裝置(light reactive deposition apparatus)的示意圖。
圖15為涂層室的透視圖，其中透明的室壁允許看見(jiàn)內(nèi)部組件。
圖16為在固定于旋轉(zhuǎn)臺(tái)(rotating stage)基板上的粒子噴嘴的透視圖。
圖17為光反應(yīng)沉積裝置的示意圖，其中將粒子涂層施加到粒子生產(chǎn)室內(nèi)的基板上。
圖18為將反應(yīng)物供應(yīng)給基板旁反應(yīng)區(qū)域的反應(yīng)物噴嘴的透視圖。
圖19為圖18裝置取自線19-19的剖面圖。
圖20為光反應(yīng)沉積室實(shí)施方案的透視圖。
圖21為圖20光反應(yīng)沉積室的反應(yīng)室展開(kāi)圖。
圖22為圖21反應(yīng)室的基板支架的展開(kāi)圖。
圖23為通過(guò)電遷移沉積導(dǎo)入摻雜物/添加物的裝置的剖面圖。
圖24為設(shè)定用于在部分基板上電遷移沉積的裝置的俯視圖。
圖25為具有光學(xué)層的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖26是光回路(optical circuit)的透視圖。
圖27為圖26光回路取自線27-27的剖面圖。
圖28是光放大器(optical amplifier)的側(cè)視圖。
圖29為利用光反應(yīng)沉積形成的鉺摻雜二氧化硅玻璃(silica glass)實(shí)施方案的熒光(photoluminescene)光譜。
圖30為對(duì)應(yīng)于用來(lái)產(chǎn)生圖29光譜的試樣的通過(guò)歸一強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系所顯示的熒光衰減31為利用光反應(yīng)沉積形成的鉺摻雜二氧化硅玻璃另一實(shí)施方案的熒光光譜。
圖32為對(duì)應(yīng)于用來(lái)產(chǎn)生圖31光譜的試樣通過(guò)歸一強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系所顯示的熒光衰減33為組合物與鉺摻雜二氧化硅玻璃內(nèi)深度的關(guān)系所顯示的代表圖。
圖34為二氧化硅玻璃內(nèi)氧化鈉和氧化鋁的重量百分比與溶液內(nèi)用來(lái)形成位于用在光反應(yīng)沉積的反應(yīng)物流內(nèi)的氣溶膠的Al和Na摩爾比例的函數(shù)關(guān)系所顯示的圖。
圖35為利用光反應(yīng)沉積形成的鉺摻雜二氧化硅玻璃的進(jìn)一步實(shí)施方案的熒光光譜。
圖36為對(duì)應(yīng)于用來(lái)產(chǎn)生圖35光譜的試樣通過(guò)歸一強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系所顯示的熒光衰減圖。
發(fā)明詳述粉末、固化層(consolidated layer)以及中間稠化材料都可由許多種可選擇的組合物中生產(chǎn)出來(lái)，更具體地稀土族元素以及其他可用的光學(xué)材料。生產(chǎn)這些材料的方法可提供用于具有高度均勻性均勻性的粒子與涂層的生產(chǎn)，并且以高生產(chǎn)速率來(lái)運(yùn)作。更具體地，可生產(chǎn)許多種具有改進(jìn)特性的光學(xué)材料。關(guān)于一些實(shí)施方案，可用氧化物主體內(nèi)的稀土族摻雜物/添加物來(lái)形成非結(jié)晶粉末與玻璃，更具體地在一些實(shí)施方案內(nèi)，可用稀土族摻雜物/添加物和/或其他金屬摻雜物/添加物來(lái)形成非結(jié)晶準(zhǔn)金屬氧化物材料。非結(jié)晶粉末通常具有亞微米或納米的平均直徑，使用選擇的組合物可形成所要材料的光滑薄層，其在一些實(shí)施方案內(nèi)包含一種或多種不同的摻雜物/添加物。合適的摻雜物/添加物包含，例如可進(jìn)行所要的諸如折射系數(shù)與選擇性的光吸收特性的特性修改的稀土族。更進(jìn)一步，可用主體組成材料內(nèi)包含一種或多種選擇的摻雜物/添加物的復(fù)雜的組合物形成粉末與固化層，其中的材料可為牽涉到選自周期表內(nèi)所有元素的三、四或多種元素的簡(jiǎn)單或復(fù)雜材料。在適當(dāng)?shù)膶?shí)施方案內(nèi)，不管有沒(méi)有經(jīng)過(guò)其他處理，粉末都可用來(lái)作為光學(xué)材料等。利用反應(yīng)沉積方法直接沉積粒子涂層，并且接著將粉末固化進(jìn)入均勻、致密的層，可形成固化層，例如玻璃層。均勻的玻璃層可形成到平面光學(xué)裝置內(nèi)，并可集成到平面上以形成集成平面結(jié)構(gòu)。
通常，此處討論的流動(dòng)反應(yīng)方法可并入包含蒸氣、氣溶膠或其合適組合的反應(yīng)物流，以便將所要的元素導(dǎo)入流體中。此外，反應(yīng)條件的選擇可相對(duì)于最終反應(yīng)產(chǎn)物的本質(zhì)而改變，因此就獲得變化多端的無(wú)機(jī)材料生產(chǎn)，更具體地非晶形粒子、結(jié)晶粒子與玻璃涂層。在一些實(shí)施方案內(nèi)，使用強(qiáng)烈的輻射源來(lái)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)反應(yīng)物流的反應(yīng)。
尤其涉及粒子來(lái)說(shuō)，利用與流動(dòng)的反應(yīng)物起化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生具有各種化學(xué)計(jì)量成分、尺寸以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的亞微米無(wú)機(jī)粒子，更具體地獨(dú)自或結(jié)合其他方法并使用強(qiáng)烈輻射源的激光熱解。更具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)任選使用包括稀土族金屬的摻雜物/添加物，使用激光熱解與其他流動(dòng)的反應(yīng)物系統(tǒng)，來(lái)產(chǎn)生具有各種組合物的亞微米與納米粒子，例如非晶形粒子。使用此處說(shuō)明的方法，將可生產(chǎn)多種新的材料。通常，利用改變反應(yīng)物流的組成就可導(dǎo)入所要的摻雜物/添加物數(shù)量。摻雜物/添加物可導(dǎo)入適當(dāng)?shù)闹黧w材料內(nèi)，例如玻璃形成的材料。此外，也可形成牽涉到化學(xué)計(jì)量成分或摻雜變化的新材料，例如其中包含所要光學(xué)材料。
特定非晶形粒子的集合具有小于微米的平均初級(jí)粒子直徑。在輻射驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的粒子在組成與粒子尺寸方面有極高的均勻性，如此缺乏尺寸大于平均粒子尺寸的粒子。在一些實(shí)施方案內(nèi)，粒子的集合也包含狹窄的粒子直徑分布。若要產(chǎn)生所要的亞微米/納米大小粒子，就可單獨(dú)或結(jié)合其他處理，例如熱處理和/或摻雜處理，使用流動(dòng)反應(yīng)器，更具體地輻射驅(qū)動(dòng)式熱解反應(yīng)器，例如激光熱解反應(yīng)器。更具體地，輻射驅(qū)動(dòng)式熱解經(jīng)證實(shí)為可以有效生產(chǎn)具有高度均勻性的小于1微米平均直徑的亞微米與平均直徑小于100nm的納米大小粒子的方法。為了方便起見(jiàn)，此應(yīng)用可交互參照輻射驅(qū)動(dòng)式熱解與激光熱解?？烧{(diào)整激光熱解來(lái)直接形成涂層，最終涂層方法則為輻射式反應(yīng)沉積。為了方便起見(jiàn)，此應(yīng)用可交互參照輻射式反應(yīng)沉積與光反應(yīng)沉積。
因?yàn)榧す鉄峤饪蛇_(dá)成高度均勻的產(chǎn)物粒子，所以激光熱解是生產(chǎn)亞微米摻雜粒子以及具有復(fù)雜組成的粒子的最需要的方法。不過(guò)，也可使用牽涉到流動(dòng)反應(yīng)物流的其他方法，根據(jù)此處公布的條件來(lái)合成亞微米摻雜粒子。合適的其他方法包括有火焰熱解(flame pyrolysis)以及熱解(thermalpyrolysis)。形成粒子的方法具有反應(yīng)物產(chǎn)生于流體中的共同特性，然后在連續(xù)生產(chǎn)方法中反應(yīng)物會(huì)在流體中反應(yīng)以產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。將流體中的產(chǎn)物粒子導(dǎo)引至收集器和/或涂層用的基板表面，導(dǎo)致從流體中去除產(chǎn)物粒子。當(dāng)在流體中生產(chǎn)產(chǎn)物粒子，產(chǎn)物粒子的組成與其他特性都可在粒子從流體中去除之前、之中或者之后改變。
利用氫氧焰可進(jìn)行火焰熱解，其中火焰供應(yīng)能量來(lái)驅(qū)動(dòng)熱解。這種火焰熱解方法會(huì)生產(chǎn)一些利用此處激光熱解技術(shù)也能生產(chǎn)的材料，但是通常無(wú)法生產(chǎn)可和激光熱解相比較的高度均勻性以及狹窄的粒子尺寸分布。此外，火焰熱解的生產(chǎn)速率通常比不上高速率激光熱解系統(tǒng)可獲得的高生產(chǎn)速率。用于生產(chǎn)氧化物合適的火焰生產(chǎn)裝置公布于由Helble等人所提出，標(biāo)題為“Apparatus for Producing Nanoscale Ceramic Particles”的美國(guó)專(zhuān)利5,447,708，在此引入作為參考。更進(jìn)一步，利用調(diào)節(jié)具有熱反應(yīng)室的激光熱解方法反應(yīng)物供應(yīng)方面，可產(chǎn)生亞微米/納米大小摻雜非晶形粒子，例如由Inoue等人所提出標(biāo)題為“Ultrafine Spherical Particles of Metal Oxide and aMethod for the Production Thereof”的美國(guó)專(zhuān)利4,842,832內(nèi)說(shuō)明的裝置，在此引入作為參考。
用于生產(chǎn)所要粒子，例如粒子與具有復(fù)合組成的粒子的激光熱解成功應(yīng)用的基本特征為產(chǎn)生包含合適主體前體與摻雜物/添加物前體(若有的話)數(shù)量的反應(yīng)物流。類(lèi)似地，反應(yīng)物流內(nèi)可任選地進(jìn)一步包含其他輻射吸收物，例如當(dāng)一種或多種前體并非適當(dāng)?shù)妮椛湮瘴飼r(shí)。另外可使用其他反應(yīng)物，調(diào)整反應(yīng)物流內(nèi)的氧化還原環(huán)境。
在激光熱解中，將用諸如激光光束的強(qiáng)烈輻射束熱解反應(yīng)物流。激光光束是一種方便的能量源，而在激光熱解中也可使用其他強(qiáng)烈電磁輻射(例如光線)源。激光熱解提供用于在熱力學(xué)平衡情況下難以形成的材料的相(phase)形成，當(dāng)反應(yīng)物流脫離光束時(shí)，產(chǎn)物粒子會(huì)快速冷卻。對(duì)于摻雜非結(jié)晶或結(jié)晶材料的生產(chǎn)而言，本方法具有材料組成可在所要范圍內(nèi)調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。特別是，該方法適合用于導(dǎo)入各種摻雜物/添加物，包括例如但不限制，稀土族金屬摻雜物/添加物。
若要運(yùn)行激光熱解，可用蒸汽形式供應(yīng)一種或多種反應(yīng)物。另外或此外，可供應(yīng)一種或多種反應(yīng)物作為氣溶膠。使用氣溶膠會(huì)比只供應(yīng)蒸氣更能夠讓激光熱解使用廣泛的前體。在一些案例中，在供應(yīng)氣溶膠時(shí)可使用較便宜的前體。用氣溶膠和/或蒸氣適當(dāng)控制反應(yīng)條件將導(dǎo)致具有狹窄粒子尺寸分布的納米大小粒子。此外，激光熱解所生產(chǎn)的粒子可受熱改變粒子特性，和/或?qū)⒎蔷瘟Ｗ庸袒删鶆虿ＡА?br> 一般來(lái)說(shuō)，粒子，例如非晶形粒子與結(jié)晶粒子，可用激光熱解裝置內(nèi)適當(dāng)情況下生產(chǎn)的金屬/準(zhǔn)金屬氧化物粒子來(lái)形成，而一些具有其他修改過(guò)流體反應(yīng)器的實(shí)施方案則使用此處說(shuō)明供應(yīng)的反應(yīng)物。一些金屬/準(zhǔn)金屬氧化物特別適合用于光學(xué)應(yīng)用，和/或可固化成均勻的光學(xué)層，例如玻璃層的能力。適合用于摻雜的玻璃形成主體氧化物包含有金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、TiO2、SiO2、GeO2、Al2O3、P2O5、B2O3、TeO2以及這些物質(zhì)的組合與混合。另外，一些結(jié)晶粒子與均勻?qū)佣季哂泻线m的特性，例如光學(xué)特性。具有所要光學(xué)特性的結(jié)晶氧化物材料包含有鈮酸鋰(LiNbO3)與鈦酸鋰(LiTaO3)，這些材料可在高溫時(shí)在干燥氧氣、干燥氬氣或干燥氮?dú)鈨?nèi)固化，形成陣列膜(aligned film)?？刂茐嚎s時(shí)的溫度可用來(lái)控制整齊性(alignment)，而選擇合適的基板表面則可進(jìn)一步提高整齊性，若表面為具有合適晶格參數(shù)的結(jié)晶。另外也可使用外部磁場(chǎng)提供結(jié)晶的整齊性，而一些非氧化物材料因其特性，例如光學(xué)特性，所以也可運(yùn)用。一些可用材料包括有，例如金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物，例如InP、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、金屬/準(zhǔn)金屬硫化物以及金屬/準(zhǔn)金屬碲化物。
因?yàn)槎趸?SiO2)基玻璃可用于許多種光學(xué)應(yīng)用情況，所以特別適用。二氧化硅可結(jié)合其他材料形成所需的非晶形粒子與固化玻璃，例如適合用于光學(xué)應(yīng)用的二氧化硅基玻璃包含有，鋁硅酸鹽(Al2O3與SiO2化合)、石灰硅酸鹽(CaO與SiO2化合)、鈉鋁硅酸鹽(Na2O、Al2O3與SiO2化合)以及堿石灰硅酸鹽(Na2O、CaO與SiO2化合)。
在此可導(dǎo)入摻雜物/添加物改變粒子、相應(yīng)的均勻?qū)雍?或粉末陣列的特性，即是融合或部分融合的粒子網(wǎng)絡(luò)的特性，在網(wǎng)絡(luò)種至少一些初始初級(jí)粒子特性會(huì)反映在陣列內(nèi)。例如，可導(dǎo)入摻雜物/添加物改變材料的折射系數(shù)或處理特性，例如流動(dòng)溫度。對(duì)于光學(xué)應(yīng)用而言，改變折射系數(shù)可形成特定的用所選頻率范圍的光線來(lái)運(yùn)作的光學(xué)裝置。摻雜物/添加物也可在材料交互作用。例如，可導(dǎo)入一些摻雜物/添加物增加其他摻雜物/添加物的可溶性。
一些摻雜物/添加物特別適用于光學(xué)材料的成形，尤其適用于二氧化硅基玻璃。稀土族摻雜物/添加物可任選地導(dǎo)入金屬/準(zhǔn)金屬氧化物內(nèi)，運(yùn)用這些材料可改變最終摻雜材料的光學(xué)特性，例如螢光特性。稀土族摻雜玻璃在光學(xué)放大器的生產(chǎn)中非常有用，金屬/準(zhǔn)金屬氧化物也可摻雜氟、氯、氮和/或碳來(lái)取代氧，另外可加入其它摻雜物/添加物來(lái)改變吸收特性、發(fā)射特性、磁性和/或感光度，例如改變折射系數(shù)以響應(yīng)適當(dāng)光線的照射。一些特定的摻雜材料特別適用，包含，例如非結(jié)晶的非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成與稀土族雜物/添加物、金屬/準(zhǔn)金屬氧化物與導(dǎo)入順磁性的金屬摻雜物/添加物、準(zhǔn)金屬氧化物與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、第一金屬/準(zhǔn)金屬、不同于第一金屬/準(zhǔn)金屬的過(guò)渡金屬以及氟、氯、碳和/或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成、導(dǎo)入在電磁光譜第一波長(zhǎng)上的吸收以及在較高波長(zhǎng)上的導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及導(dǎo)入因?yàn)楸┞对谧贤饩€或可見(jiàn)光下而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)變化的摻雜物/添加物。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出稱(chēng)為光反應(yīng)沉積(light reactive deposition)的方法可形成均勻的涂層與結(jié)構(gòu)，光反應(yīng)沉積牽涉到輻射驅(qū)動(dòng)的，例如激光驅(qū)動(dòng)，流動(dòng)反應(yīng)器，該反應(yīng)器用來(lái)將粒子立刻沉積到表面上。就以激光熱解而言，反應(yīng)物會(huì)直接從反應(yīng)物源進(jìn)入流體。反應(yīng)物可在流體內(nèi)反應(yīng)，在流體內(nèi)形成產(chǎn)物粒子，接著沉積到基板表面上。沉積可在反應(yīng)室內(nèi)或在與反應(yīng)室相連的涂層室內(nèi)進(jìn)行。開(kāi)發(fā)的用于激光熱解的反應(yīng)物供應(yīng)方法可修改為用于光反應(yīng)沉積。特別是，可使用汽相/蒸氣和/或氣溶膠形式的各種反應(yīng)前體，并且產(chǎn)生涂層形式的各種高度均勻性的產(chǎn)物粒子。更具體地，可使用光反應(yīng)沉積形成高度均勻性涂層的玻璃，其任選地包含摻雜物/添加物，例如稀土族摻雜物/添加物和/或雜質(zhì)的摻雜物/添加物復(fù)雜混合物。
若要形成基本上均勻的層，則要固化粒子層?；旧暇鶆虻膶涌蔀榉墙Y(jié)晶層、多晶層、結(jié)晶層或任何這些層的合適組合。若要固化材料，將粉末或相應(yīng)的粉末陣列加熱到材料流動(dòng)溫度之上。在此溫度時(shí)，粉末或粉末陣列會(huì)壓縮形成均勻的材料層。將摻雜物/添加物導(dǎo)入粒子中，會(huì)因?yàn)榉勰┏练e的結(jié)果導(dǎo)致?lián)诫s物/添加物直接分布在致密材料中。此外或另外，摻雜物/添加物可在沉積之后但是在固化之前與粉末或粉末陣列接觸。然后在固化過(guò)程中，摻雜物/添加物會(huì)與粉末或粉末陣列結(jié)合，以形成摻雜材料。利用將涂層的材料浸泡在溶液內(nèi)、利用將摻雜物/添加物元素作為包含摻雜物/添加物元素的組合物溶液或粉末噴灑在涂層的基板上、在反應(yīng)室內(nèi)等或其任何合適的組合，使涂層的材料接觸摻雜物/添加物或包含摻雜物/添加物元素的溶液。
用于將摻雜物，更具體地稀土族摻雜物，導(dǎo)入玻璃材料的常用方法牽涉到玻璃的形成，以及將氣態(tài)或液態(tài)的摻雜物導(dǎo)入玻璃。玻璃可做成具有多孔的，幫助導(dǎo)入摻雜物。這些方法牽涉到生產(chǎn)多孔玻璃的多個(gè)步驟。此外，可能難以獲得摻雜物濃度以及均勻的摻雜物分布。相反的是，此處說(shuō)明的流動(dòng)反應(yīng)方法可直接將摻雜物/添加物導(dǎo)入玻璃材料內(nèi)。另外，摻雜物/添加物可接觸具有大表面積的粉末/粉末陣列，有助于在固化之后有效并均勻的將摻雜物/添加物并入最終致密材料內(nèi)。總之，在其他方面內(nèi)，通過(guò)選擇流動(dòng)反應(yīng)物流的組成以及反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件來(lái)調(diào)整粉末/粉末陣列的組成。利用將所要的元素導(dǎo)入用于形成粉末/粉末陣列的反應(yīng)流體，和/或利用在固化之前將摻雜物/添加物導(dǎo)入粉末/粉末陣列，可導(dǎo)入摻雜物，如此產(chǎn)生的固化材料可并入所要的組成，包含固化之后的摻雜物/添加物。
由于光傳輸通道(optical transmission channel)內(nèi)有極大的可用頻寬，所以光通訊方法的使用日漸成長(zhǎng)。光通訊系統(tǒng)通常由光纖系統(tǒng)建造而成，不過(guò)最好能將光學(xué)裝置放置在基板表面上來(lái)增加裝置的集成性(integration)。集成平面光學(xué)組件可用類(lèi)似集成電路的方法形成，并且也可形成集成光電電路。
此處用于產(chǎn)生諸如非晶形粒子的粒子與諸如玻璃的均勻材料的方法用于形成光學(xué)材料，例如，粉末本身可適合于光學(xué)材料，并且可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理并入其他光學(xué)材料內(nèi)。例如，可將粉末并入具有聚合物的組合物內(nèi)，所產(chǎn)生的組合物就具有所要的光學(xué)特性。聚合物無(wú)機(jī)粒子復(fù)合材料將進(jìn)一步說(shuō)明于共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Kambe等人所提出標(biāo)題為“Polymer-Inorganic Particle Composites”的美國(guó)專(zhuān)利09/818,141，在此引入作為參考，以及由Kambe等人與2002年2月25日所提出標(biāo)題為“StructuresIncorporating Polymer-Inorganic Particle Blends”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/083,967，在此引入作為參考。
目前使用的光學(xué)通訊光波長(zhǎng)范圍從約1.3到約1.6微米，光波導(dǎo)(waveguide)的尺寸通常是波長(zhǎng)的好幾倍。如此，相應(yīng)的光結(jié)構(gòu)就會(huì)具有波長(zhǎng)好幾倍大的尺寸。因此，相應(yīng)的光結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)光模式(optical mode)考慮因素與其他因素，而具有從幾微米到約100微米的尺寸。
光學(xué)元件可集成到類(lèi)似集成電路的平面芯片式基座上，通過(guò)將光學(xué)元件放置在諸如硅晶片的基板表面上，因此可在很小的地方上擠入許多光學(xué)元件。對(duì)于這些集成光學(xué)電路的大規(guī)模生產(chǎn)而言，現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)，例光刻法(photolithography)與蝕刻，對(duì)于合適的生產(chǎn)方法步驟有所助益。
集成光學(xué)元件的生產(chǎn)牽涉到將高質(zhì)量光學(xué)材料沉積到基板表面，更進(jìn)一步，光學(xué)材料可制作成特定裝置。更具體地，有希望的光學(xué)元件集成技術(shù)圍繞在平面波導(dǎo)的生產(chǎn)上。而在光學(xué)材料沉積之后調(diào)節(jié)半導(dǎo)體處理方法以形成波導(dǎo)。
光學(xué)膜涂層的基本特性包含表面質(zhì)量、膜均勻性以及光純度，光質(zhì)量就是夠小的吸收量以及散射損失(scattering loss)以達(dá)到所要的傳輸?shù)燃?jí)。光質(zhì)量也包含光特性的均勻性，例如折射系數(shù)。此外，光質(zhì)量也受到界面例如核心層與外鞘層(cladding layer)之間的界面，質(zhì)量的影響。對(duì)于二氧化硅(SiO2)與其他許多材料而言，適合用于光傳輸?shù)氖遣Ａ?，而?duì)于一些其他材料來(lái)說(shuō)，單結(jié)晶形式具有最高質(zhì)量的光傳輸特性。
對(duì)于光學(xué)材料的沉積來(lái)說(shuō)，已經(jīng)使用和/或建議過(guò)許多種方法，這些方法包括，例如火焰水解沉積、化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積、溶膠凝膠化學(xué)沉積以及離子植入。火焰水解沉積已經(jīng)變成平面波導(dǎo)商業(yè)實(shí)施的首選方法，火焰水解與化學(xué)氣相沉積的形式也成功用于生產(chǎn)用于作為光纖元件玻璃纖維?；鹧嫠獬练e牽涉到使用氫氧焰來(lái)反應(yīng)汽態(tài)前體，以形成用作基板表面上的涂層的光學(xué)材料粒子。隨后的涂層熱處理可形成均勻的光學(xué)材料，通常是玻璃材料。
基本上均勻的涂層，例如玻璃涂層，可并入光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)，例如平面光學(xué)結(jié)構(gòu)。平面光學(xué)結(jié)構(gòu)可包含集成光學(xué)裝置。在設(shè)計(jì)所要的光學(xué)裝置方面，材料處理仍舊是一項(xiàng)重要的考慮因素。例如，調(diào)整材料的組成與諸如密度的特性，可獲得具有所要折射系數(shù)的材料。類(lèi)似地，材料的熱膨脹和流動(dòng)溫度應(yīng)與運(yùn)用將材料形成為整體的(monolithic)、集成結(jié)構(gòu)的合理處理方法一致。固化的光學(xué)材料可具有良好的光學(xué)特性，從而通過(guò)材料的光線傳輸就不會(huì)有不必要的損失。此外，材料通常應(yīng)當(dāng)具有在合理情況下處理時(shí)，可形成集成光學(xué)電路或光電電路的集成裝置的特性。在此將以共同審查并且共同轉(zhuǎn)讓的，由Bi等人所提出標(biāo)題為“Three Dimensional Engineering ofOptical Structures”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/027,906引入作為參考，進(jìn)一步說(shuō)明使用光反應(yīng)沉積所形成的集成光學(xué)裝置。
此處說(shuō)明的材料，例如摻雜玻璃，在光學(xué)裝置的生產(chǎn)中非常有用，使用此處說(shuō)明的技術(shù)，可將材料組織成平面光學(xué)裝置。包含任何摻雜物/添加物的材料的組成可改變材料的光學(xué)特性，以適用于特定光學(xué)應(yīng)用。此處特別適合的材料包括放大材料、順磁性材料以及感光材料。
稀土族摻雜玻璃特別適合用于形成光學(xué)放大器，利用耦合至光學(xué)材料的跳動(dòng)光信號(hào)(pump light signal)可激發(fā)放大器材料，跳動(dòng)光線激發(fā)稀土族摻雜材料。然后由激發(fā)發(fā)射來(lái)放大通過(guò)低頻上的光學(xué)材料的光輸入而不是跳動(dòng)信號(hào)。因此，使用來(lái)自跳動(dòng)光線的能量放大輸入光信號(hào)。
反應(yīng)物流體內(nèi)的粒子合成已經(jīng)證實(shí)單獨(dú)使用激光熱解或者結(jié)合其它處理方法，對(duì)于生產(chǎn)具有廣泛的粒子組成以及結(jié)構(gòu)的亞微米與納米大小粒子很有用。一些包含一些改進(jìn)的材料的適合組成將在下面進(jìn)一步說(shuō)明。運(yùn)用光反應(yīng)沉積，粒子就可沉積到基板上成為涂層。下面詳細(xì)說(shuō)明的反應(yīng)物供應(yīng)方法可調(diào)適用于在有無(wú)輻射，例如光源的情況下，生產(chǎn)流動(dòng)的反應(yīng)物系統(tǒng)內(nèi)的摻雜非晶形粒子和/或結(jié)晶粒子。在一些實(shí)施方案內(nèi)，使用上述的流動(dòng)的反應(yīng)物流的其他化學(xué)反應(yīng)合成方法都可調(diào)適用于生產(chǎn)所要的粒子和/或涂層。因?yàn)榧す鉄峤饪捎酶呱a(chǎn)/沉積速率生產(chǎn)相當(dāng)均勻的產(chǎn)物粒子，所以激光熱解在一些應(yīng)用內(nèi)特別適合用于生產(chǎn)摻雜粒子和/或復(fù)雜粒子組合物的方法。
流動(dòng)的反應(yīng)物系統(tǒng)通常包含通過(guò)反應(yīng)室引發(fā)流體的反應(yīng)物供應(yīng)裝置。反應(yīng)物流體會(huì)在反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，而反應(yīng)區(qū)域則不一定位于反應(yīng)室內(nèi)狹窄的區(qū)域內(nèi)。運(yùn)用輻射束，例如光線束，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)可導(dǎo)致局部反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生高度均勻的粒子。反應(yīng)區(qū)之外，流體包含產(chǎn)物粒子、未反應(yīng)的反應(yīng)物、反應(yīng)副產(chǎn)物以及惰性氣體。流體會(huì)持續(xù)到達(dá)收集器和/或沉積表面，其上從流體中獲取至少部分產(chǎn)物粒子。在流體反應(yīng)物系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)方法的特征在于，在反應(yīng)過(guò)程中將反應(yīng)物連續(xù)供應(yīng)給流體并且從流體中移除產(chǎn)物粒子。
光反應(yīng)沉積可并入一些用于生產(chǎn)涂層的激光熱解的粒子生產(chǎn)特征，更具體地，可調(diào)節(jié)形成具有廣泛粒子組成和結(jié)構(gòu)的粒子形成的多樣性以利用光反應(yīng)沉積形成具有相當(dāng)粒子組成的粒子涂層。通常，流動(dòng)的反應(yīng)物系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)物粒子可沉積到基板上作為反應(yīng)室內(nèi)的涂層，或直接到分離的涂層室內(nèi)用于沉積到基板上，或直接到收集器收集成粉末。
激光熱解已經(jīng)成為利用在離開(kāi)輻射所定義的狹窄反應(yīng)區(qū)之后就會(huì)迅速猝滅產(chǎn)物的強(qiáng)烈輻射，例如光線，所驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)詞匯。不過(guò)，該名稱(chēng)用詞不當(dāng)，因?yàn)榭捎脕?lái)自非激光光源，例如強(qiáng)烈、不連續(xù)的光束，來(lái)取代激光。另外，在熱解中反應(yīng)并非熱解意義上的熱解。激光熱解反應(yīng)并非單獨(dú)由反應(yīng)物放熱燃燒所驅(qū)動(dòng)，事實(shí)上，在一些實(shí)施方案中，可在從反應(yīng)中看不見(jiàn)火焰的情況下傳導(dǎo)一些激光熱解反應(yīng)。因此如此處所運(yùn)用的，激光熱解通常稱(chēng)為輻射驅(qū)動(dòng)式流動(dòng)反應(yīng)。盡管可改變一些流體特性來(lái)容納涂層方法，光反應(yīng)沉積牽涉到類(lèi)似于用于粒子生產(chǎn)的激光熱解方法。
反應(yīng)條件決定激光熱解所生產(chǎn)的粒子質(zhì)量，在此可相當(dāng)精確的控制激光熱解反應(yīng)條件，以便生產(chǎn)出具有所需特性的產(chǎn)物粒子。生產(chǎn)特定粒子種類(lèi)的適當(dāng)反應(yīng)條件通常取決于特定裝置的設(shè)計(jì)。用于在特定裝置內(nèi)生產(chǎn)摻雜非結(jié)晶SiO2粒子的具體條件在下述實(shí)施例中描述。更進(jìn)一步，可對(duì)反應(yīng)條件與最終粒子間的關(guān)系做一些一般性的觀察。
增強(qiáng)光線功率會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)時(shí)間增加以及更快的猝滅率(quench rate)，快速猝滅率會(huì)傾向有助于高能量階段的產(chǎn)生，這并無(wú)在接近熱平衡的處理中獲得。類(lèi)似地，增加反應(yīng)室壓力也傾向有助于產(chǎn)生較高能量結(jié)構(gòu)。同時(shí)，增加作為反應(yīng)物流內(nèi)氧氣源或其他二次反應(yīng)物源的反應(yīng)物的濃度也有助于具有增加的氧氣量與其他二次反應(yīng)物量的粒子的生產(chǎn)。
反應(yīng)物氣流的反應(yīng)物速度與粒子大小成反比，因此增加反應(yīng)物速度就會(huì)傾向于較小的粒子大小。決定粒子尺寸的重要因素是濃縮到產(chǎn)物粒子內(nèi)產(chǎn)物合份的濃度，降低濃縮產(chǎn)物組成的濃度通常就會(huì)降低粒子尺寸。濃縮產(chǎn)物的濃度可用未濃縮，例如惰性，組合物稀釋或利用改變固定比例的濃縮產(chǎn)物與未濃縮組合物的壓力來(lái)控制濃度，而降低壓力通常會(huì)導(dǎo)致濃度降低并且相對(duì)降低粒子大小，或利用這些方法的組合，或用其他合適的方法都可控制濃度。
光功率也會(huì)影響粒子大小，增加光功率有助于熔化程度較低的材料形成較大的粒子，而熔化程度較高的材料形成較小的粒子。另外，粒子的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于最終粒子的大小也有顯著的影響。換言之，不同的產(chǎn)物組成形式在相對(duì)類(lèi)似的條件下具有形成來(lái)自不同相的不同尺寸粒子的趨勢(shì)。類(lèi)似地，在具有不同組成的粒子群落形成的情況下，每個(gè)粒子群落通常都具有自己的粒子尺寸的特征的狹窄分布。
所需的材料包括非結(jié)晶材料、結(jié)晶材料以及這些組合。更具體地，非晶形粒子可在適當(dāng)情況下固化/壓縮形成非結(jié)晶層，例如光學(xué)玻璃。因?yàn)榉蔷瘟Ｗ硬痪哂袝?huì)粉碎形成玻璃層的晶體結(jié)構(gòu)，所以非晶形粒子更容易處理成玻璃層。在激光熱解中，在反應(yīng)處理中可形成各種氧化材料作為非晶形粒子，根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理，較高的猝滅率有助于形成非晶形粒子，而較慢的猝滅率則有助于形成結(jié)晶粒子。反應(yīng)物流通過(guò)反應(yīng)區(qū)的速度較快就可達(dá)成較快的猝滅。此外，一些前體有助于非晶形粒子的產(chǎn)生，而其他前體則有助于類(lèi)似或相同化學(xué)計(jì)量的結(jié)晶粒子的產(chǎn)生。低激光功率也有助于形成非晶形粒子。非結(jié)晶氧化物的形成進(jìn)一步說(shuō)明在由Kambe等人所提出標(biāo)題為“Vanadium Oxide Nanoparticles”的美國(guó)專(zhuān)利6,106,798內(nèi)，在此引入作為參考。不過(guò)，一些所需的結(jié)晶材料都適用于光學(xué)與其他應(yīng)用。結(jié)晶粒子可固化成單結(jié)晶或多晶材料，而也更容易將非晶形粒子固化成玻璃以及將結(jié)晶粒子固化成結(jié)晶層，結(jié)晶粒子可固化成非結(jié)晶層，并且在包含猝滅條件的適當(dāng)固化條件之下非晶形粒子可固化成結(jié)晶層。
當(dāng)激光熱解可生產(chǎn)具有廣泛組成范圍的各種粒子時(shí)，則特定主體材料，因?yàn)槠渚哂锌商幚淼讲Ａ觾?nèi)的特定能力和/或其對(duì)于光學(xué)材料會(huì)處理到光學(xué)裝置內(nèi)的好處。特別適合的玻璃主體材料包括TiO2、SiO2、GeO2、Al2O3、P2O3、B2O3、TeO2以及這些材料的結(jié)合與混合。因此結(jié)晶材料適用于形成摻雜材料。
若要一些實(shí)施方案內(nèi)生產(chǎn)摻雜粒子，則可將合適前體導(dǎo)入流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)。一種或多種前體供應(yīng)形成主體組成的一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素，并且其它合適的前體則供應(yīng)任何摻雜物/添加物元素。反應(yīng)物流通常包含所要的金屬以及，此外或另外，準(zhǔn)金屬元素，形成所要比例的主體材料與摻雜物/添加物。反應(yīng)物流的組成可隨反應(yīng)條件而調(diào)整，以產(chǎn)生所要的產(chǎn)物粒子。根據(jù)特定反應(yīng)物與反應(yīng)條件，因?yàn)樵鼐哂胁煌牟迦肓Ｗ拥男?，即是與關(guān)于未反應(yīng)材料的產(chǎn)量，所以產(chǎn)物粒子可不具有與作為反應(yīng)物流的金屬/準(zhǔn)金屬元素相同的特性。因?yàn)榱黧w通過(guò)輻射束，所以此處所說(shuō)明用于輻射驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的反應(yīng)物噴嘴設(shè)計(jì)專(zhuān)用于生產(chǎn)高速反應(yīng)物流。
準(zhǔn)金屬是一種化學(xué)特性介于金屬與非金屬之間或包括金屬與非金屬的元素，準(zhǔn)金屬元素包括硅、硼、砷、銻與碲。盡管磷與碲位于周期表接近金屬元素的地方，所以通常不認(rèn)為是準(zhǔn)金屬元素。不過(guò)，P2O5形式中的磷以及TeO2形式中的碲則是類(lèi)似于準(zhǔn)金屬氧化物的優(yōu)良玻璃組成，并且P2O5與TeO2的摻雜形式具有所要的光學(xué)特性。為了方便起見(jiàn)，用于此處以及權(quán)利要求內(nèi)，磷與碲也認(rèn)為是準(zhǔn)金屬元素。
激光熱解通常用氣體/汽相反應(yīng)物來(lái)進(jìn)行，許多前體組合物，例如金屬/準(zhǔn)金屬前體組合物都以氣體供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)。以汽態(tài)供應(yīng)的適當(dāng)前體組合物通常包含具有合理蒸氣壓力的組合物，即是蒸氣壓力足以使所要的前體蒸氣進(jìn)入反應(yīng)物流內(nèi)。若需要的話，可加熱容納液體或固體前體組合物的容器來(lái)增加前體的蒸氣壓力。固體前體通?？杉訜岙a(chǎn)生足夠的蒸氣壓力。載氣可通過(guò)液態(tài)前體，幫助供應(yīng)所要的前體蒸氣量。類(lèi)似地，載氣可通過(guò)固態(tài)前體，幫助供應(yīng)前體蒸氣。另外，可將液態(tài)前體導(dǎo)引到閃蒸器(flashevaporator)內(nèi)，以供應(yīng)所選蒸氣壓力的組合物。
專(zhuān)門(mén)氣態(tài)反應(yīng)物的使用有時(shí)受限于可方便使用的前體組合物種類(lèi)，因此，已發(fā)展出將包含氣溶膠的前體，例如準(zhǔn)金屬前體，導(dǎo)入激光熱解室內(nèi)的技術(shù)。用于流動(dòng)的反應(yīng)系統(tǒng)的改進(jìn)的氣溶膠供應(yīng)裝置將進(jìn)一步說(shuō)明于由Gardner等人所提出標(biāo)題為“Reactant Delivery Apparatuses”的美國(guó)專(zhuān)利6,193,936內(nèi)，在此引入作為參考。
使用氣溶膠供應(yīng)裝置之后，可利用將組合物溶解在溶劑內(nèi)來(lái)供應(yīng)固態(tài)前體組合物。另外，粉末狀的前體組合物可分散在液體/溶劑內(nèi)用于氣溶膠供應(yīng)?？蓮募円后w、混合液體或液體溶液中供應(yīng)作為氣溶膠的液態(tài)前體組合物，可用氣溶膠反應(yīng)物獲得相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物輸出量?？蛇x擇溶劑/分散劑以達(dá)到所要的最終溶解/分散特性，適合的溶劑/分散劑包含水、甲醇、乙醇、異丙醇、其他有機(jī)溶劑以及這些的混合。溶劑應(yīng)該具有所要的純度，這樣獲得的粒子才會(huì)有所要的純度。一些溶劑，例如異丙醇，是CO2激光所發(fā)出紅外光的強(qiáng)吸收劑，所以若使用CO2激光作為光源時(shí)，反應(yīng)物流內(nèi)就不需要其他的激光吸收組合物。
若在具有溶劑時(shí)供應(yīng)作為氣溶膠的前體，則通常反應(yīng)室內(nèi)的輻射束，例如光束，會(huì)迅速蒸發(fā)溶劑，如此就會(huì)發(fā)生汽態(tài)反應(yīng)。與其他溶劑無(wú)法迅速驅(qū)動(dòng)的方法相反，所產(chǎn)生的粒子并不具有相當(dāng)高的多孔性。如此，激光熱解反應(yīng)的基本功能并不會(huì)因?yàn)闅馊苣z的存在而改變。盡管如此，氣溶膠的存在還是會(huì)影響到反應(yīng)條件。在下述實(shí)施例之中，將說(shuō)明在特定的激光熱解反應(yīng)室內(nèi)使用氣溶膠前體產(chǎn)生納米大小的稀土族摻雜非晶形粒子的條件。因此，可進(jìn)一步根據(jù)下面的說(shuō)明探討伴隨氣溶膠反應(yīng)物供應(yīng)的參數(shù)。
用于供應(yīng)氣溶膠的前體組合物通常會(huì)以大于0.2摩爾范圍的濃度溶解在溶液內(nèi)。通常，增加溶液內(nèi)前體的濃度就會(huì)增加通過(guò)反應(yīng)室輸出的反應(yīng)物量。不過(guò)，當(dāng)濃度增加時(shí)，溶液就會(huì)變得更加粘稠，這樣氣溶膠就會(huì)有大于所要尺寸的液滴。因此，溶液濃度的選擇可牽涉到合適溶液濃度的選擇因素的平衡。
對(duì)于牽涉到多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的實(shí)施方案而言，所供應(yīng)的金屬/準(zhǔn)金屬元素可全為蒸氣、全為氣溶膠或其任何合適的組合。若以氣溶膠供應(yīng)多種金屬/準(zhǔn)金屬元素，則前體可溶解/分散在單一種溶劑/分散劑內(nèi)，用來(lái)供應(yīng)到反應(yīng)物流體內(nèi)作為單一種氣溶膠。另外，分離地形成于一種氣溶膠內(nèi)的多種溶液/分散劑內(nèi)可供應(yīng)多種金屬/準(zhǔn)金屬元素。若在共用(common)的溶劑/分散劑內(nèi)未迅速溶解/分散合適的前體，則多種氣溶膠的產(chǎn)生就很有用。多種氣溶膠可導(dǎo)入共用氣體內(nèi)，以通過(guò)共用噴嘴供應(yīng)至反應(yīng)室內(nèi)。另外，可用多個(gè)噴嘴將氣溶膠和/或蒸氣反應(yīng)物分離地供應(yīng)至反應(yīng)室內(nèi)，如此反應(yīng)物就會(huì)在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)之前在反應(yīng)室內(nèi)混合。分離供應(yīng)到反應(yīng)室對(duì)化學(xué)特性不相容的反應(yīng)物特別有用，例如自發(fā)性反應(yīng)。下面進(jìn)一步說(shuō)明反應(yīng)物供應(yīng)裝置。
此外，對(duì)于高純度材料的生產(chǎn)而言，使用蒸氣與氣溶膠反應(yīng)物的組合可能為最好。通?？捎帽葰馊苣z供應(yīng)組合物較合理的成本來(lái)供應(yīng)高純度的蒸氣/氣體反應(yīng)物，這對(duì)于摻雜光學(xué)玻璃的形成特別方便。例如，以容易汽化的形式，例如四氯化硅可供應(yīng)高純度的硅。其他玻璃形成元素，例如硼也可用蒸汽形式供給反應(yīng)用。在此同時(shí)，一些摻雜物/添加物，更具體地稀土族摻雜物/添加物，并無(wú)法以蒸汽形式供應(yīng)。因此在一些實(shí)施方案內(nèi)，大多數(shù)材料會(huì)以蒸氣/氣體形式供應(yīng)，而其他摻雜物/添加物則以氣溶膠的形式供應(yīng)。下面將進(jìn)一步說(shuō)明結(jié)合蒸氣與氣溶膠用于反應(yīng)。
粒子通常進(jìn)一步包含一種或多種(非金屬/準(zhǔn)金屬)元素，例如許多合適的主體材料都是氧化物。因此，反應(yīng)物流內(nèi)也具有氧氣源。反應(yīng)器內(nèi)的情況應(yīng)該足以氧化產(chǎn)生氧化物材料。
更具體地，在一些實(shí)施方案內(nèi)可使用二次反應(yīng)物以改變反應(yīng)室內(nèi)的氧化/還原情況，和/或?qū)⒎墙饘?準(zhǔn)金屬元素或其部分提供到反應(yīng)產(chǎn)物內(nèi)。作為氧氣源的合適二次反應(yīng)物包含，例如O2、CO、H2O、CO2、O3以及這些的混合?？諝饪晒?yīng)氧分子。在一些實(shí)施方案中，金屬/準(zhǔn)金屬前體組合物包含氧，如此產(chǎn)物粒子內(nèi)的氧就有部分或全部都是由金屬/準(zhǔn)金屬前體所提供。類(lèi)似地，用于供應(yīng)氣溶膠的作為溶劑/分散劑的液體可將二次反應(yīng)物，例如氧，提供給反應(yīng)。換言之，若一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬前體包含氧和/或溶劑/分散劑包含氧，則可能不需要分離的二次反應(yīng)物，例如蒸氣反應(yīng)物，來(lái)供應(yīng)氧給產(chǎn)物粒子。下面列出其他合適的二次反應(yīng)物。
任何二次反應(yīng)物組合物在進(jìn)入輻射反應(yīng)區(qū)之前都不應(yīng)該與金屬/準(zhǔn)金屬前體發(fā)生明顯反應(yīng)，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致形成較大粒子和/或損壞進(jìn)口噴嘴。類(lèi)似地，若使用多個(gè)金屬/準(zhǔn)金屬前體，這些前體都不會(huì)在進(jìn)入輻射反應(yīng)區(qū)之前顯著產(chǎn)生反應(yīng)。若反應(yīng)物會(huì)自發(fā)性發(fā)生反應(yīng)，則要用不同的噴嘴供應(yīng)金屬/準(zhǔn)金屬前體與二次反應(yīng)物和/或不同的金屬/準(zhǔn)金屬前體，如此它們才會(huì)在剛好到達(dá)光束之前相結(jié)合。
激光熱解可用許多種光頻率、使用激光或其他強(qiáng)聚焦的光源來(lái)進(jìn)行，傳統(tǒng)光源在電磁光譜的紅外線部分內(nèi)運(yùn)作。CO2激光為特別有用的光源。反應(yīng)物流內(nèi)包含的紅外線吸收劑包含，例如C2H4、異丙醇、NH3、SF6、SiH4與O3。O3可作為紅外線吸收劑以及氧氣源。輻射吸收劑，例如紅外線吸收劑會(huì)接收來(lái)自輻射束的能量，并將能量分布給其他反應(yīng)物來(lái)驅(qū)動(dòng)熱解。
通常，吸收自輻射束，例如光束的能量會(huì)以巨大的速率升高溫度，其速率是在控制的情況下放熱反應(yīng)產(chǎn)生熱量的速率的幾倍。當(dāng)該方法牽涉到不平衡的情況時(shí)，將可根據(jù)吸收區(qū)域內(nèi)的能量來(lái)約略說(shuō)明溫度。激光熱解處理在定性上不同于燃燒反應(yīng)室內(nèi)由能源開(kāi)始反應(yīng)的方法，但是反應(yīng)是由放熱反應(yīng)所釋放的能量所驅(qū)動(dòng)。因此，當(dāng)光驅(qū)動(dòng)方法就是激光熱解時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)并非由反應(yīng)所釋放的能量所驅(qū)動(dòng)，而是由吸收自輻射束的能量所驅(qū)動(dòng)，所以就不是傳統(tǒng)的熱解反應(yīng)。更具體地，反應(yīng)物的自發(fā)性反應(yīng)通常并不會(huì)顯著進(jìn)行，若有的話，從輻射束與反應(yīng)物流的匯合處將反應(yīng)物流體往下朝噴嘴。必要的話，流體可經(jīng)過(guò)修改，如此反應(yīng)區(qū)受限仍舊。
使用惰性隔離氣體(shielding gas)可用于減少與反應(yīng)室組合物接觸的反應(yīng)物與產(chǎn)物分子的量。惰性氣體也可導(dǎo)入反應(yīng)物流內(nèi)，作為載氣和/或作為反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w一般包含Ar、He與N2。
粒子與涂層的組成利用激光熱解可產(chǎn)生多種粒子，可使用進(jìn)行光反應(yīng)沉積的激光熱解的調(diào)適來(lái)生產(chǎn)與用激光熱解所生產(chǎn)，具有選擇組成的粒子相同的涂層。更具體地，主體材料可包含位于形成結(jié)晶或非結(jié)晶材料的組成內(nèi)之一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素。此外，可摻雜粒子來(lái)改變粒子的光學(xué)、化學(xué)和/或物理特性。通常，粉末包含粒子大小屬于亞微米或納米范圍的細(xì)微或超細(xì)微粒子。當(dāng)形成粉末粒子陣列時(shí)，在沉積過(guò)程中，粒子可或不可部分熔解或結(jié)塊(sinter)。若要形成均勻的層，則要固化/稠化粉末陣列。在摻雜物/添加物的形成之間或之后，將摻雜物/添加物并入粉末陣列，導(dǎo)致?lián)诫s物/添加物分布在整個(gè)致密材料內(nèi)。
通常，作為粒子收集或粉末陣列的納米粒子特征通常是包含一種組成，該種組成包含許多不同元素并且以變化相關(guān)的比例存在，其中可選擇數(shù)量與相對(duì)比例作為應(yīng)用納米粒子的關(guān)系。通常不同元素的數(shù)量包含，例如從2種元素到約15種元素的范圍，預(yù)期數(shù)量有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14與15。一般的相關(guān)比例包含，例如從1到約1,000,000范圍內(nèi)的值，預(yù)期的數(shù)字約有1、10、100、1000、10000、100000、1000000以及合適的總和。此外，預(yù)期元素材料為原始、非電離狀態(tài)，例如主金屬/準(zhǔn)金屬元素，即是M0。
另外或此外，這類(lèi)納米元素的特征為具有下列公式AaBbCcDdEeFfGgHhIiJjKkLlMmNnOo，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N與O可單獨(dú)存在或不存在，并且至少一個(gè)A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N與O存在而且獨(dú)立選自于由周期表元素所組成的組，其中周期表元素包含1A族元素、2A族元素、3B族元素(包含鑭系元素以及錒系元素)、4B族元素、5B族元素、6B族元素、7B族元素、8B族元素、1B族元素、2B族元素、3A族元素、4A族元素、5A族元素、6A族元素、7A族元素，并且每個(gè)a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n與o都獨(dú)立選自于從約1到約1,000,000范圍內(nèi)的值，其中的預(yù)期數(shù)字約有1、10、100、1000、10000、100000、1000000與合適的總和。換言之，元素可為惰性氣體以外周期表內(nèi)任何元素。
當(dāng)以關(guān)于特定化學(xué)計(jì)量成分來(lái)說(shuō)明一些組成，化學(xué)計(jì)量成分通常只是大約量。更具體地，材料可具有污染物、缺陷等。更具體地對(duì)于其中金屬/準(zhǔn)金屬化合物具有多種氧化狀態(tài)的非結(jié)晶與結(jié)晶材料而言，材料可包含多種氧化狀態(tài)。因此，當(dāng)此處說(shuō)明化學(xué)計(jì)量成分，實(shí)際的材料也可包含相同元素的其他化學(xué)計(jì)量成分，例如SiO2也包含一些SiO等。
特別適合的粉末，例如向適用于光學(xué)材料，包括諸如硅粒子、金屬粒子的主體材料與諸如金屬/準(zhǔn)金屬氧化物、金屬/準(zhǔn)金屬碳化物、金屬/準(zhǔn)金屬氮化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硫化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物的金屬/準(zhǔn)金屬組成以及這些化合物的混合與結(jié)合。更具體地在非結(jié)晶材料中，在特定材料內(nèi)可以有極大的元素組成變化。對(duì)于光學(xué)材料而言，一些特別適合的材料包含二氧化硅、磷酸鹽玻璃、鍺氧化物、磷化銦、鈮酸鋰、碲玻璃、氧化鋁、氧化鈦、這些元素的組合以及其摻雜形式。一些金屬/準(zhǔn)金屬氧化物具有特別適合用于光學(xué)應(yīng)用，和/或可固化成均勻的玻璃層的能力。適合用于摻雜的玻璃形成主體氧化物包含，例如TiO2、SiO2、GeO2、Al2O3、P2O5、B2O3、TeO2、CaO-Al2O3、V2O5、BiO2、Sb2O5以及這些物質(zhì)的組合與混合。其他在結(jié)晶形式內(nèi)具有所要光學(xué)特性的金屬/準(zhǔn)金屬氧化物，例如LiNbO3、LiTaO3、Y3Al5O12(YAG)與稀土族元素，更具體地Nd、摻雜的YAG。此處說(shuō)明用于粒子形成與涂層的方法特別適合用來(lái)形成具有或不具有摻雜物/添加物的金屬/準(zhǔn)金屬氧化物粒子。類(lèi)似地，下面將進(jìn)一步說(shuō)明激光熱解與光反應(yīng)沉積為適合用來(lái)生產(chǎn)用于無(wú)氧化物材料的粒子集合與粉末陣列的方法。
此外，粒子與粉末陣列可在一種或多種非結(jié)晶材料或結(jié)構(gòu)材料內(nèi)包含摻雜物/添加物。可為復(fù)雜摻雜物/添加物組成的摻雜物/添加物通常包含在非化學(xué)計(jì)量成分?jǐn)?shù)量?jī)?nèi)。摻雜物/添加物通常為金屬或準(zhǔn)金屬元素，不過(guò)其他適合的摻雜物/添加物包含氟、氯、氮和/或碳，用來(lái)置換氧化物內(nèi)的氧或其他關(guān)于金屬/準(zhǔn)金屬組成的陰離子。因?yàn)檫@些陰離子摻雜物/添加物會(huì)斷裂氧化物的氧鍵網(wǎng)絡(luò)，所以要降低氧化物玻璃的流動(dòng)溫度，并且摻雜物/添加物傾向降低折射系數(shù)與介電常數(shù)。摻雜物/添加物通?？扇〈牧蟽?nèi)的組成，以維持整體介電中性。摻雜物/添加物可將所要的特性加諸在最終材料內(nèi)，可選擇摻雜物/添加物的數(shù)量來(lái)產(chǎn)生所要的特性，并且可維持材料適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)穩(wěn)定性。在結(jié)晶材料內(nèi)，摻雜物/添加物元素可取代晶格位置上的主體元素，摻雜物元素可位于之前未占用的晶格位置上，和/或摻雜物元素可位于空隙內(nèi)。與并入的晶體結(jié)構(gòu)影響摻雜物/添加物的結(jié)晶材料內(nèi)摻雜物/添加物不同的是，非結(jié)晶材料內(nèi)的摻雜物/添加物表現(xiàn)出更例如溶解在主體材料內(nèi)以形成固態(tài)混合物的摻雜物組成。因此，材料的總組成會(huì)影響最終的組合材料的包含處理參數(shù)與穩(wěn)定性的化學(xué)特性主體非結(jié)晶材料內(nèi)摻雜物/添加物的可溶性會(huì)影響同質(zhì)性(homogeneity)集成到固化玻璃內(nèi)的摻雜物/添加物的數(shù)量。
摻雜物，例如稀土族摻雜物，在組成中通常包含少于約15摩爾百分比的金屬/準(zhǔn)金屬，再進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)則少于約10摩爾百分比，在一些實(shí)施方案內(nèi)少于約5摩爾百分比，在其他實(shí)施方案內(nèi)在組成內(nèi)從約0.025到約1摩爾百分比的金屬/準(zhǔn)金屬。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，本公開(kāi)類(lèi)似地涵蓋了特定范圍。添加組合物類(lèi)似于摻雜組合物，不同之處在于含量通常較高而仍舊是組合物的少數(shù)組成，即是少于約組合物的50摩爾百分比。對(duì)于非結(jié)晶材料而言，添加物可為改性劑或玻璃形成物與改性劑(modifier)之間的中間組合物。改性劑可斷裂氧化玻璃內(nèi)的氧網(wǎng)絡(luò)來(lái)修改玻璃特性，通常是降低流動(dòng)溫度與折射系數(shù)。因此，添加物對(duì)于許多相同目的作為摻雜物非常有用。為了方面起見(jiàn)，已摻雜(doped)與摻雜中(doping)分別就是具有摻雜物和/或添加物的材料以及并入摻雜物和/或添加物的方法。
適合的材料包含非結(jié)晶納米粉末與具有摻雜物/添加物的玻璃層，合適的摻雜物/添加物包含例如稀土族，可進(jìn)行所要的特性修改，例如折射系數(shù)、感光特性、螢光特性與順磁性。粉末與玻璃層可用復(fù)雜組合物(complexcomposition)形成，包含主體材料內(nèi)一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素，以及選擇性的非結(jié)晶主體材料內(nèi)一種或多種選擇的摻雜物/添加物。粉末可用于形成光學(xué)材料等。類(lèi)似地，使用結(jié)晶主體材料內(nèi)的摻雜物/添加物可形成結(jié)晶材料。利用光反應(yīng)沉積直接沉積粒子形成粉末陣列，接著將粉末陣列固化成均勻的玻璃層、多晶或結(jié)晶材料，來(lái)形成摻雜的材料。另外，任何摻雜物/添加物都可在粉末陣列形成之后導(dǎo)入其中，以便并入固化的均勻材料內(nèi)，下面將進(jìn)一步說(shuō)明。
使用激光熱解與光反應(yīng)沉積以及復(fù)雜組合物可生產(chǎn)亞微米與納米粒子，使用這些方法可生產(chǎn)多種新的材料。通過(guò)適時(shí)導(dǎo)入反應(yīng)物組成形成所要的主體材料，則利用所要的組合物就可形成主體材料。摻雜物/添加物可在主體材料形成之時(shí)，或緊接在粉末陣列形成之后，導(dǎo)入適當(dāng)?shù)闹黧w材料內(nèi)。具體地說(shuō)，利用改變反應(yīng)物流的組成就可導(dǎo)入任何摻雜物/添加物所要的數(shù)量。可選擇反應(yīng)器內(nèi)的情況產(chǎn)生所要的材料。在另一實(shí)施方案內(nèi)，會(huì)以與所要摻雜程度成比例的方法將摻雜物/添加物元素供應(yīng)給已經(jīng)形成的粉末陣列。通過(guò)固化，所要的摻雜材料就會(huì)形成均勻的材料。
盡管當(dāng)許多材料都適合，但是二氧化硅(SiO2)基玻璃因?yàn)楝F(xiàn)存于商業(yè)應(yīng)用之中，所以特別適用。非結(jié)晶二氧化硅可和其他易與二氧化硅混合的玻璃形成材料結(jié)合。適合與二氧化硅結(jié)合形成非結(jié)晶主體材料的其他玻璃形成材料包含Al2O3、Na2O、B2O3、P2O3與GeO2。因此，可結(jié)合多種易于混合的玻璃形成組合物，形成具有諸如折射系數(shù)與玻璃轉(zhuǎn)變溫度的所要特性合玻璃主體組成?；旌喜Ａе黧w材料可進(jìn)一步摻雜材料，以便進(jìn)一步調(diào)整材料的特性。
廣泛使用的二氧化硅玻璃組合物具有顯著的光學(xué)應(yīng)用與潛在的光學(xué)應(yīng)用，通常，這些二氧化硅玻璃可根據(jù)此處說(shuō)明的光反應(yīng)沉積來(lái)形成。二氧化硅玻璃通常會(huì)與其他玻璃形成組合物結(jié)合來(lái)改變光學(xué)特性，例如折射系數(shù)，和/或改變處理特性，例如降低流動(dòng)溫度。下面概括一些具有合適光學(xué)特性的代表組合物。
硅酸鋁玻璃形成具有有用光學(xué)應(yīng)用的組合物組，此組包含合適摩爾百分比約70％SiO2、約30％Al2O3與約0.025％Er2O3；約93.5％SiO2、約5.6％Al2O3與約0.9％Er2O3以及約58％SiO2、約23％Al2O3、約19％Tb2O3與約0.4％Sb2O3的組成。實(shí)施例中將進(jìn)一步說(shuō)明硅酸鋁鈉，其包含摩爾百分比約59％SiO2、約20％Al2O3、約20％Na2O與約1％Er2O3的組成。代表性的堿石灰硅酸鹽具有摩爾百分比約70％SiO2、約15％CaO、約15％Na2O與約0.03％CrO2的組成。固化期間氧分壓的控制可用來(lái)將Cr+2(CrCl2)和/或Cr+3(Cr(NO3)3)氧化成Cr+4。代表性的二氧化硅可摻雜鉻，約0.05％CrO2。其他實(shí)施例為硅酸磷玻璃，由包含摩爾百分比約88％SiO2、約11％P2O3與約0.8％Er2O3的組合物所表示。
一些非二氧化硅玻璃也非常適合用于光學(xué)應(yīng)用，例如鍺化物、磷酸鹽、鈣酸鋁(aluminocalcinate)以及碲化物。代表性的鍺化物玻璃在摩爾百分比方面包含約80％GeO2、約20％SiO2與約0.5％Er2O3的第一組成；約72％GeO2、約18％SiO2、約10％Al2O3、約0.5％Er2O3與約0.5Yb2O3的第二組成；約72％GeO2、約18％SiO2、約10％P2O5、約0.5％Er2O3與約0.5Yb2O3的第三組成；約60％GeO2、約24％K2O、約16％Ga2O3與約0.1％Tm2O3的第四組成。兩代表性的磷化物玻璃包含在摩爾百分比方面約58％P2O5、約23％Na2O、約13％Al2O3與約6％Er2O3的組成；以及約50％P2O5、約17％Na2O、約30％SiO2與約3％Er2O3的組成。一些代表性的鈣酸鋁包含在摩爾百分比方面約57.75％到約59.55％CaO、約23％到約28％Al2O3、約4％到約8％MgO、約7％到約8.5％SiO2、約0到約1％Er2O3與約0到約1％Yb2O3范圍內(nèi)的組成。兩代表性的碲化物玻璃包含在摩爾百分比方面約75％TeO2、約20％ZnO、約5％Na2O與約0.15％Er2O3的組成；以及約80％TeO2、約10％ZnO、約10％Na2O、約1％(Er2O3、Tm2O3或Nd2O3)的組成。
一些結(jié)晶材料也具有所要的光學(xué)特性。一些代表性的結(jié)晶光學(xué)材料包含在摩爾百分比方面約97％Al2O3與約3％Er2O3、約90％Al2O3、約10％(Er2O3、Nd2O3或Tb2O3)；約99.3％TiO2與約0.75％Er2O3以及約96.7％YVO4、約3％Yb2O3與約0.3％Er2O3。
導(dǎo)入摻雜物/添加物可改變粒子和/或最終均勻?qū)拥奶匦裕绻鈱W(xué)特性與物理特性。例如，可導(dǎo)入一些摻雜物/添加物改變材料的折射系數(shù)。對(duì)于光學(xué)應(yīng)用而言，改變折射系數(shù)可形成特定光學(xué)裝置，其用所選頻率范圍的光線來(lái)進(jìn)行。在此也可導(dǎo)入摻雜物/添加物改變材料的處理特性。更具體地，一些摻雜物/添加物會(huì)改變流動(dòng)溫度，即是玻璃轉(zhuǎn)變溫度，如此就可用低溫處理玻璃。摻雜物/添加物也可在材料交互作用。例如，可導(dǎo)入一些摻雜物/添加物，例如P2O5與Al2O3，增加其他摻雜物/添加物的可溶性。摻雜材料在光學(xué)裝置的生產(chǎn)中非常有用，使用此處說(shuō)明的技術(shù)，可將摻雜材料組織成平面光學(xué)裝置。
在一方面，合適粒子包含非結(jié)晶組成，可用多種摻雜物/添加物形成光學(xué)玻璃。在一些實(shí)施方案內(nèi)，一種或多種摻雜物/添加物包含稀土族金屬。因?yàn)橄⊥磷褰饘倌軌蚋淖儾牧系墓鈱W(xué)特性，所以特別適用。若粒子固化成均勻?qū)?，則最終材料就會(huì)具有受到稀土族摻雜物/添加物以及其他摻雜物/添加物影響的折射系數(shù)。此外，稀土族摻雜物/添加物影響光發(fā)射特性，而改變材料的應(yīng)用情況而可用于光放大器與其他光學(xué)裝置的生產(chǎn)。稀土族金屬包含周期表Mb族的過(guò)渡金屬。更具體地，稀土族元素包含Sc、Y與鑭系元素。其他適用的摻雜物/添加物包含錒系元素。對(duì)于光學(xué)玻璃而言，適合作為摻雜物/添加物的稀土族金屬包含Er、Yb、Nd、La、Ce、Tb、Dy、Pr與Tm。適合的非稀土族金屬摻雜物/添加物包含Al、Ga、Mg、Sr、Zn、Bi、Sb、Zr、Pb、Li、Na、K、Ba、W、Si、Ge、P、B、Te與Ca。
在設(shè)計(jì)所要的光學(xué)裝置方面，材料處理仍舊是一項(xiàng)重要的考慮因素。例如，調(diào)整材料的組成與諸如密度的特性可獲得具有所要折射系數(shù)的材料。類(lèi)似地，材料的熱膨脹和流動(dòng)溫度應(yīng)與形成整體的，集成結(jié)構(gòu)的合理處理方法一致，而無(wú)需能導(dǎo)入諸如非故意雙折射(unintentional birefringence)的不必要光學(xué)特性的過(guò)度壓力。固化的光學(xué)材料可在操作波長(zhǎng)(operatingwavelength)上提供高透明度與同質(zhì)性，如此通過(guò)材料的光線傳輸就不會(huì)有不必要的損失。此外，材料必須具有在合理情況下處理時(shí)，可形成集成光學(xué)電路或光電電路的集成裝置的特性。類(lèi)似的材料限制會(huì)成為形成最新集成電子裝置的問(wèn)題。
使用激光熱解形成作為亞微米/納米粒子的許多材料。一些材料將在下列說(shuō)明中詳細(xì)說(shuō)明。運(yùn)用光反應(yīng)沉積，這些材料就可直接形成粉末陣列形狀的涂層。根據(jù)此處的說(shuō)明與實(shí)施例，利用激光熱解與光反應(yīng)沉積可生產(chǎn)其他范圍的材料。更具體地，下面將描述適合用于形成一些改進(jìn)過(guò)材料的方法。
在此將以共同審查并且共同轉(zhuǎn)讓的，由Kumar等人所提出標(biāo)題為“Silicon Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/085,514引入作為參考，說(shuō)明二氧化硅納米粒子的生產(chǎn)。此專(zhuān)利申請(qǐng)說(shuō)明非結(jié)晶SiO2的生產(chǎn)。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Bi等人所提出標(biāo)題為“Metal(Silicon)Oxide/Carbon Composites”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/123,255引入作為參考，說(shuō)明氧化鈦納米粒子與結(jié)晶二氧化硅納米粒子的生產(chǎn)。更具體地，此專(zhuān)利申請(qǐng)說(shuō)明銳鈦礦(anatase)與金紅石(rutile)TiO2的生產(chǎn)。
此外，已經(jīng)形成納米大小氧化錳粒子。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Kumar等人所提出標(biāo)題為“Metal Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/188,770引入作為參考，說(shuō)明這些粒子的生產(chǎn)。此專(zhuān)利申請(qǐng)說(shuō)明MnO、Mn2O3、Mn3O4與Mn5O8的生產(chǎn)。
另外，氧化釩納米粒子的形成說(shuō)明于由Bi等人所提出標(biāo)題為“VanadiumOxide Nanoparticles”的美國(guó)專(zhuān)利6,106,798引入作為參考。類(lèi)似地，將生產(chǎn)銀釩氧化物納米粒子，如由Horne等人所提出的美國(guó)專(zhuān)利6,225,007，以及共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的由Reitz等人所提供的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/311,506，標(biāo)題同為“Metal Vanadium Oxide Particles”的說(shuō)明，在此引入作為參考。
更進(jìn)一步，利用激光熱解結(jié)合或不結(jié)合后續(xù)熱處理來(lái)生產(chǎn)鋰錳氧化物納米粒子，如由Kumar等人所提出標(biāo)題為“Composite Metal Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/188,768、標(biāo)題為“Reaction Methods for Producing TernaryParticles”的申請(qǐng)09/334,203，以及由Horne等人所提出標(biāo)題為“LithiumManganese Oxides and Batteries”的美國(guó)專(zhuān)利6,136,287的說(shuō)明，這三件申請(qǐng)?jiān)诖艘胱鳛閰⒖肌?br> 在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Kumar等人所提出標(biāo)題為“Aluminum Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/136,483引入作為參考，說(shuō)明氧化鋁納米粒子的生產(chǎn)。更具體地，此專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)γ-Al2O3的生產(chǎn)。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Chiruvolu等人所提出標(biāo)題為“AluminumOxide Powders”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/969,025引入作為參考，說(shuō)明利用激光熱解/光反應(yīng)沉積搭配摻雜結(jié)晶與非結(jié)晶鋁來(lái)形成δ-Al2O3與θ-Al2O3。
非結(jié)晶氧化鋁材料可與其他玻璃形成物結(jié)合，例如SiO2和/或P2O3。例如，適合用于形成光學(xué)玻璃的氧化鋁金屬氧化物摻雜物/添加物包含氧化銫(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)、氧化鋇(BaO)等以及任兩種以上的組合。玻璃摻雜物/添加物可影響例如折射系數(shù)、固化溫度和/或玻璃的多孔性。用于紅外線發(fā)射器適合的金屬氧化物摻雜物/添加物包含氧化鈷(Co3O4)、Er2O3、CrO2、Tm2O3、Nd2O3、Yb2O3、Pr2O3、Dy2O3、Dy2O3、Ho2O3等以及任何兩者以上適合的組合。
另外，氧化錫納米粒子的形成說(shuō)明于由Kumar等人所提出標(biāo)題為“TinOxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利6,200,674內(nèi)，在此引入作為參考。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Reitz等人所提出標(biāo)題為“Zine Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/266,202引入作為參考，說(shuō)明氧化鋅納米粒子的生產(chǎn)。更具體地，將說(shuō)明ZnO納米粒子的生產(chǎn)。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Kumar等人所提出標(biāo)題為“HighLuminescence Phosphor Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/843,195引入作為參考，說(shuō)明亞微米與納米粒子以及相應(yīng)的稀土族金屬氧化物粒子、稀土族摻雜金屬/準(zhǔn)金屬氧化物粒子、稀土族金屬/準(zhǔn)金屬硫化物與稀土族摻雜金屬/準(zhǔn)金屬硫化物的涂層。適合用于形成磷的主體材料包含ZnO、ZnS、Zn2Si2O4、SrS、YBO3、Y2O3、Al2O3、Y3Al5O12與BaMgAl14O23以及任兩者以上適合的組合。用于活化磷粒子作為摻雜物/添加物的示例性的非稀土族金屬包含，例如錳、銀與鉛。用于形成金屬氧化磷的示例性的非稀土族金屬包含，例如銪、鈰、鋱或鉺。通常，使用重金屬離子或稀土族離子作為林內(nèi)的活化劑(activator)。對(duì)于磷應(yīng)用而言，粒子通常是結(jié)晶粒子。
鐵、氧化鐵與一碳化三鐵(iron carbide，F(xiàn)e3C)說(shuō)明于由Bi等人出版于J.Mater.Res.第8卷第7期第1666-1674頁(yè)(1993年7月)，標(biāo)題為“Nanocrystalline α-Fe，F(xiàn)e3C，and Fe7C3produced by CO2laser pyrolysis”，在此引入作為參考。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Reitz等人所提出標(biāo)題為“Metal Vanadium Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/311,506引入作為參考，說(shuō)明銀金屬納米粒子的生產(chǎn)。利用激光熱解生產(chǎn)納米碳粒子說(shuō)明于由Bi等人出版于J.Mater.Res.第10卷第11期第2875-2884頁(yè)(1995年11月)，標(biāo)題為“Nanoscale carbon blacks produced by CO2laser pyrolysis”，在此引入作為參考。
利用激光熱解生產(chǎn)硫化鐵(Fe1-xS)納米粒子說(shuō)明于由Bi等人所提出第286卷第161-166，標(biāo)題為“Material Research Society Symposium Proceedings”(1993)，在此引入作為參考。用于激光熱解生產(chǎn)硫化鐵的前體為五羰基鐵(Fe(CO)5)與硫化氫(H2S)。其他適合于蒸汽供應(yīng)的氣體硫前體包括火硫酰氯(S2O5Cl2)、二氯化硫(S2Cl2)、硫酰氯(SO2Cl2)，二氯化亞硫酰(SOCl2)等以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的硫磺前體包含，例如可溶于水的硫酸銨((NH4)2SO4)2、硫酸(H2SO4)等以及任何適合的組合。其他金屬/準(zhǔn)金屬硫化物材料也可用類(lèi)似方法生產(chǎn)。
使用上述的激光熱解方法可生產(chǎn)氧化鈰，適合于氣溶膠供應(yīng)的前體包含，例如硝酸鈰(Ce(NO3)3)、氯化鈰(CeCl3)、草酸鈰(Ce2(C2O4)3)等以及任兩者以上適合的組合。類(lèi)似地，使用上述的激光熱解方法可生產(chǎn)二氧化鋯，適合于氣溶膠供應(yīng)的鋯前體包括，例如氯化氧鋯(ZrOCl2)、硝酸氧鋯(ZrO(NO3)2)等以及任兩者以上適合的組合。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Bryan等人所提出標(biāo)題為“ReactiveDeposition For The Formation Of Chip Capacitors”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)60/312,234引入作為參考，說(shuō)明芯片電容器介電材料涂層的沉積。適合的介電材料包括主要是鋇鈦酸鹽(BaTiO3)，可任選地與其他金屬氧化物混合。其他適合并入具有適當(dāng)摻雜物/添加物的陶瓷芯片電容器的介電氧化物包含，例如SrTiO3、CaTiO3、SrZrO3、CaZrO3、Nd2O3-2TiO3、La2O3-2TiO2等以及兩者以上。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Reitz等人所提出標(biāo)題為“MetalVanadium Oxide Particles”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/311,506引入作為參考，說(shuō)明遵照類(lèi)似于銀釩氧化物納米粒子生產(chǎn)的過(guò)程，利用激光熱解所進(jìn)行的硅酸鋁與鈦酸鋁的三元納米粒子的生產(chǎn)。適合于硅酸鋁生產(chǎn)的前體包含，以蒸汽供應(yīng)的氯化鋁(AlCl3)、四氯化硅(SiCl4)等以及任兩者以上適合的組合，還有以氣溶膠供應(yīng)的四(正丁氧基)硅甲烷與異丙氧基化鋁(Al(OCH(CH3)2)3)的混合物、四乙氧基硅甲烷(tetraethoxysilane)與硝酸鋁或四乙氧基硅甲烷與氯化鋁的混合物等，以及任兩者以上適合的組合。類(lèi)似地，適合于鈦酸鋁生產(chǎn)的前體包含以氣溶膠供應(yīng)的硝酸鋁(Al(NO3)3)與溶解于硫酸的二氧化鈦(TiO2)粉末混合物、異丙氧基化鋁與異丙氧基化鈦(Ti(OCH(CH3)2)4)的混合物等，以及任兩者以上適合的組合。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Chaloner-Gill等人所提出標(biāo)題為“Phosphate Powder Compositions And Methods For Forming Particles WithComplex Anions”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/845,985引入作為參考，說(shuō)明亞微米與納米粒子以及具有復(fù)雜陰離子的金屬/準(zhǔn)金屬組成涂層的生產(chǎn)。適合的多原子陰離子包括，例如磷酸鹽(PO4-3)、硫酸鹽(SO4-2)、硅酸鹽(SiO4-4)等，以及任兩者以上適合的組合。上面已討論過(guò)適合于形成磷酸鹽陰離子的磷前體、形成硫酸鹽陰離子的硫前體以及形成硅酸鹽陰離子的硅前體，而適合的陽(yáng)離子則包含金屬與準(zhǔn)金屬陽(yáng)離子。磷酸鹽玻璃可用于許多范疇中，玻璃的磷酸鹽組成包括，例如磷酸鋁(AlPO4)、磷酸鈣(Ca3(PO4)2)等，以及任兩者以上適合的組合。適合于蒸汽供應(yīng)的氣體磷酸鹽前體組成包括三氫化磷(PH3)、三氯化磷(PCl3)、五氯化磷(PCl5)、三氯氧化磷(POCl3)、P(OCH3)3等以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的磷酸鹽前體包含(C2H5O)3P、(C2H5O)3PO、磷酸銨((NH4)3PO4)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、磷酸二氫銨((NH4)H2PO4)、磷酸(H3PO4)等以及任何適合的組合，全都可適度溶于水。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Reitz等人所提出標(biāo)題為“ParticleDispersions”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/433,202引入作為參考，說(shuō)明利用激光熱解合成碳化硅與氮化硅。其他金屬/準(zhǔn)金屬碳化物與金屬/準(zhǔn)金屬氮化物材料也可用類(lèi)似方法生產(chǎn)。
對(duì)于一些主體玻璃形成材料和/或特別適用于光學(xué)應(yīng)用的摻雜物/添加物而言，適合的前體可用前體材料代表名單來(lái)說(shuō)明。例如下面的代表名單。
適合于蒸汽供應(yīng)的硅前體包括，例如四氯化硅(SiCl4)、三氯硅甲烷(Cl3HSi)、三氯甲基硅甲烷(CH3SiCl3)、四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4，也就是熟知的乙基硅甲烷與四乙基硅甲烷)等，以及任兩者以上適合的組合。適合的硼前體包括，例如三氯化硼(BCl3)、乙硼烷(B2H6)、BH3等，以及任兩者以上適合的組合。適合于蒸汽供應(yīng)的磷酸鹽前體組成包括，例如三氫化磷(PH3)、三氯化磷(PCl3)、五氯化磷(PCl5)、三氯氧化磷(POCl3)、P(OCH3)3等以及任兩者以上適合的組合。適合的鍺前體包括，例如GeCl4等，以及任兩者以上適合的組合。適合的鈦前體包括，例如四氯化鈦(TiCl4)、異丙氧基化鈦(Ti(OCH(CH3)2)4)等，以及任兩者以上適合的組合。適合的液體鋁前體包含仲丁氧基鋁(Al(OC4H9)3)、三甲基鋁(Al(CH3)3)、三甲基胺鋁(Al(CH3)3NH3)等，以及任兩者以上適合的組合。一些適合的固態(tài)鋁前體可從包含下列的組成中獲取，例如氯化鋁(AlCl3)、乙氧基化鋁(Al(OC2H5)3)、異丙氧基化鋁(Al(OCH(CH3)2)3)等，以及任兩者以上適合的組合。適合的碲前體包括，例如Te(C2H5)2、Te(CH3)2、Te(C3H7)2、Te(C4H9)2、Te(C3H4)2、Te(CH3C3H4)2等，以及任兩者以上適合的組合。
關(guān)于稀土族金屬前體，適合于蒸汽供應(yīng)的前體包括七氟二甲基辛二酸鉺(erbium heptafluorodimethyloctanedionate)、Er(C11H19O2)3、Yb(C11H19O2)3、Pr(C11H19O2)3、Nb(C11H19O2)3、Tm(C11H19O2)3等，以及任兩者以上適合的組合。其他一些適合的金屬摻雜物/添加物的代表性前體包括，例如液態(tài)鋅前體組成，例如二乙基鋅(Zn(C2H5)2)、二甲基鋅(Zn(CH3)2)等，以及任兩者以上適合的組合。具有足夠蒸汽壓的氣態(tài)供應(yīng)的固體鋅前體包括，例如氯化鋅(ZnCl2)等以及任兩者以上適合的組合。適合于蒸汽供應(yīng)的鋰前體包括固體，例如醋酸鋰(Li2O2CCH3)，以及液體，例如溶解在己烷里的氨基化鋰(LiNH2)等以及任兩者以上適合的組合。
適合于氣溶膠供應(yīng)的硅前體包括，例如可溶在醚中的四氯化硅Si(Cl4)、可溶解在四氯化碳中的三氯硅甲烷(Cl3HSi)、膠態(tài)二氧化硅、可溶解在乙醇中的Si(OC2H5)4、Si(OCH3)4、(CH3)3SiOSi(CH3)3等，以及任兩者以上適合的組合。類(lèi)似地，適合以氣溶膠供應(yīng)的硼前體包含，例如可溶解在水中以及許多有機(jī)溶劑中的四硼酸二銨((NH4)2B4O7)、B(OC2H5)2、B(C2H5)3等，以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的磷酸鹽前體包含，例如全部可適度溶于乙醇與醚的磷酸銨((NH4)3PO4)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、磷酸二氫銨((NH4)H2PO4)與磷酸(H3PO4)，以及溶于醇和醚中的OP(OC2H5)3、P(OC2H5)3、OP(OCH3)3等以及任何適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的鋁前體包含，例如可溶解在許多種有機(jī)溶劑中的氯化鋁(AlCl3·6H2O)，以及可溶解在水中的硝酸鋁(Al(NO3)39H2O)與氫氧氯化鋁(Al2(OH)5Cl·2H2O)，以及Al(C2H5)3、Al(OC4H9)3、Al(C5H7O2)3、Al(C18H35O2)3等，以及任兩這以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的鈦前體包括，例如Ti(N(CH3)2)4、TiO2OH等以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的鍺前體包括，例如Ge(OC2H5)3、Ge(OCH3)4等以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的碲前體包括，例如可溶解于乙醇中的TeCl4等以及任兩者以上適合的組合。
類(lèi)似地，稀土族摻雜物/添加物可作為氣溶膠來(lái)供應(yīng)，下面將呈現(xiàn)出一些適合用于氣溶膠供應(yīng)的代表性的稀土族前體以及合適的溶劑。氯化釔(YCl3)與硝酸釔(Y(NO3)3)溶解于水中，氯化鑭(LaCl3與LaCl3·7H2O)和六水合硝酸鑭(La(NO3)3)·6H2O)溶解于水中，氯化銩(TmCl3與TmCl3·7H2O)溶解于水中，氯化鐿(YbCl3與YbCl3·6H2O)溶解于水中，氯化鐠(PrCl3與PrCl3·7H2O)和六水合硝酸鐠(Pr(NO3)3·6H2O)溶解于水中，氯化釹(NdCl3與NdCl3·6H2O)和六水合硝酸釹(Nd(NO3)3·6H2O)溶解于水中，氯化鉺(ErCl3與ErCl3·6H2O)溶解于水中，其他合適的稀土族貴金屬摻雜物/添加物包含，例如Er(NO3)3、CeCl3與Ce(NO3)3。
其他非稀土族金屬摻雜物/添加物也可用氣溶膠方法供應(yīng)。例如，氯化鋅(ZnCl2)與硝酸鋅(Zn(NO3)2)可溶解于水與一些有機(jī)溶劑中，例如異丙醇。適合以氣溶膠從溶液中供應(yīng)的鋰前體包含，例如可溶于水與乙醇中的醋酸鋰(LiCH3CO2)與硝酸鋁(LiNO3)、微溶于水、乙醇與一些有機(jī)溶劑中的氯化鋰(LiCl)、微溶解于水與乙醇中的氫氧化鋰(LiOH)等，以及任兩者以上適合的組合。適合于氣溶膠供應(yīng)的鉍前體包括，例如可溶解于稀水性酸液的硝酸鉍(Bi(NO3)3)等以及任兩者以上適合的組合。三氯化碲(SbCl3)可溶于乙醇中，疊氮化鋇(Ba(N3)2)與氯化鋇(BaCl2)則可溶于水中。
如同上述，氟摻雜物/添加物適用于一些應(yīng)用。對(duì)于磷涂層二氧化硅玻璃而言，特別適用的氟化物前體包含，例如氣態(tài)的三氟化磷(PF3)，可用蒸汽供應(yīng)到激光熱解/光反應(yīng)沉積室內(nèi)。其他可用蒸汽和/或氣溶膠供應(yīng)的氟前體包含，例如(C2H5O)3SiF、(C2H5O)2SiF2、(C2H5O)SiF3、(C2H5)2SiF2、C2H5SiF3、C6H5SiF3、H2SiF6·xH2O、SiF4、Si4F3Cl、SiF2Cl2、SiFCl3、HPO2F2、HPF6·6H2O、(i-C3H7O)2POF、H2PO3F、CF4、CF3COCF3·H2O、AlF3、SnF2、SnF4、GeF2、GeF4、GeF3Cl、GeF2Cl2、G3FCl3、TiF4、FCH2CO2H、C2F6、CCl2F2、BF3·2H2O、((CH3)2N)2BF、C6H5BF2、(4-CH3C6H4)BF2、(4-CH3C6H4)BF2、HBF4等，以及任兩者以上適合的組合?？蓪?dǎo)入氯摻雜物/添加物作為金屬/準(zhǔn)金屬元素的氯化物，或類(lèi)似于氟的化合物。在此可導(dǎo)入碳與氮摻雜物/添加物作為伴隨其他前體的元素，并且碳可作為乙烯或其他碳?xì)浠衔飦?lái)供應(yīng)。
激光熱解裝置適當(dāng)?shù)募す鉄峤庋b置通常包含與周?chē)h(huán)境隔離的反應(yīng)室，連接到反應(yīng)物供應(yīng)裝置的反應(yīng)物進(jìn)口(inlet)會(huì)產(chǎn)生流過(guò)反應(yīng)室作為流體的反應(yīng)物流。而輻射束路徑(例如光束路徑)則會(huì)在反應(yīng)區(qū)上與反應(yīng)物流匯合。反應(yīng)物/產(chǎn)物流會(huì)在反應(yīng)區(qū)后持續(xù)流向出口(outlet)，反應(yīng)物/產(chǎn)物流從此流出反應(yīng)室并進(jìn)入收集裝置。對(duì)于光反應(yīng)沉積而言，涂層可在反應(yīng)室內(nèi)或在與反應(yīng)室相連的分離的涂層室內(nèi)進(jìn)行，正如下面將進(jìn)一步說(shuō)明的。通常，輻射源，例如激光會(huì)位于反應(yīng)室之外，并且光束通過(guò)適當(dāng)?shù)拇翱谶M(jìn)入反應(yīng)室。
請(qǐng)參閱圖1，激光熱解系統(tǒng)的具體實(shí)施方案100牽涉到反應(yīng)物供應(yīng)裝置102、反應(yīng)室104、隔離氣體供應(yīng)裝置106、收集裝置108與光源110。下面說(shuō)明的第一反應(yīng)供應(yīng)裝置可用來(lái)供應(yīng)一種或多種專(zhuān)門(mén)氣體反應(yīng)物，另外說(shuō)明另一種反應(yīng)物供應(yīng)裝置，用于供應(yīng)一種或多種氣溶膠狀態(tài)的反應(yīng)物。進(jìn)一步的反應(yīng)物供應(yīng)裝置可供應(yīng)一種或多種氣溶膠狀態(tài)的反應(yīng)物，以及一種或多種氣態(tài)/氣體反應(yīng)物。
請(qǐng)參閱圖2，反應(yīng)物供應(yīng)裝置102的第一實(shí)施方案112包含前體組合物的來(lái)源120，對(duì)于液態(tài)或固態(tài)反應(yīng)物而言，來(lái)自一種或多種載氣來(lái)源122的載氣可導(dǎo)入前體源(precursor source)120內(nèi)，以幫助反應(yīng)物的供應(yīng)。前體源120可為液體容納容器、固體前體供應(yīng)裝置或其他合適的容器。來(lái)自載氣源122的載氣可為紅外線吸收劑和/或惰性氣體。在一些實(shí)施方案內(nèi)，閃蒸器(以選擇的蒸氣壓供應(yīng)前體蒸氣)內(nèi)的前體源通常沒(méi)有載氣。閃蒸器可連接到液體容器來(lái)供應(yīng)液體前體，合適的閃蒸器可來(lái)自于例如MKSEquipment，或可由可容易購(gòu)的組件制作而成。
通過(guò)結(jié)合單一管路(single tuning)130部分內(nèi)的氣體，混合來(lái)自紅外線吸收劑源124、惰性氣體源126和/或第二反應(yīng)物源128的氣體與來(lái)自前體源120的氣體/蒸氣。可加熱管路130以避免管內(nèi)的前體凝結(jié)。氣體/蒸氣會(huì)在與反應(yīng)室104有足夠距離之處相結(jié)合，從而氣體/蒸氣在進(jìn)入反應(yīng)室104之前就能充分混合。管路130內(nèi)結(jié)合的氣體/蒸氣會(huì)通過(guò)管道132進(jìn)入通道134，該通道用液體與反應(yīng)物進(jìn)口256相連(圖1)。
從可為液態(tài)反應(yīng)物供應(yīng)裝置、固體反應(yīng)物供應(yīng)裝置、汽缸、閃蒸器或其他合適的容器或容器的第二前體源138可供應(yīng)第二前體/反應(yīng)物。如圖2內(nèi)所示，第二前體源138利用管路130將第二反應(yīng)物供應(yīng)到管道132。另外，質(zhì)量流量控制器146可用來(lái)調(diào)節(jié)圖2反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體流量。在其他的實(shí)施方案內(nèi)，第二前體可通過(guò)第二管道通過(guò)第二通道供應(yīng)至反應(yīng)室內(nèi)，如此反應(yīng)物在到達(dá)反應(yīng)室內(nèi)之前都不會(huì)混合。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Reitz等人所提出標(biāo)題為“Multiple Reactant Nozzles For A FlowingReactor”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/970,279引入作為參考，說(shuō)明具有多個(gè)反應(yīng)物供應(yīng)噴嘴的激光熱解裝置。根據(jù)兩前體說(shuō)明的概念，可類(lèi)似供應(yīng)一種或多種其他的前體，例如第三種前體、第四種前體等。
如同上述，反應(yīng)物流可包含一種或多種氣溶膠。氣溶膠形成于反應(yīng)室104內(nèi)，或在注入反應(yīng)室104之前形成于反應(yīng)室104之外。若在注入反應(yīng)室104之前產(chǎn)生氣溶膠，則相較于使用氣體反應(yīng)物，氣溶膠可通過(guò)反應(yīng)物進(jìn)口導(dǎo)入，例如圖2的反應(yīng)物進(jìn)口134。
請(qǐng)參閱圖3A，反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)102的實(shí)施方案210可用來(lái)將氣溶膠供應(yīng)至管道132。反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)210包含外部噴嘴(outer nozzle)212與內(nèi)部噴嘴(inner nozzle)214。外部噴嘴212具有上部通道(upper channel)216，通往外部噴嘴212頂端上的矩形出口218，如圖3A內(nèi)的插圖所示。矩形進(jìn)口218具有選擇的直徑，可產(chǎn)生在反應(yīng)室內(nèi)膨脹的反應(yīng)物流。外部噴嘴212包含位于基板(base plate)222內(nèi)的排放管220，排放管220用來(lái)排除來(lái)自外部噴嘴212的冷凝氣溶膠。內(nèi)部噴嘴214可用裝配件224固定外部噴嘴212。
內(nèi)部噴嘴214的頂端可為雙孔內(nèi)部混合噴霧器(twin orifice internal mixatomizer)226。液體會(huì)通過(guò)管子228送至噴霧器，并且通過(guò)管子230將要導(dǎo)入反應(yīng)室的氣體送至噴霧器，氣體與液體交互作用有助于形成液滴。
多個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器可在反應(yīng)室內(nèi)或一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向反應(yīng)室的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生氣溶膠，該氣溶膠產(chǎn)生器可用來(lái)產(chǎn)生相同或彼此不同的氣溶膠組成。對(duì)于氣溶膠產(chǎn)生器產(chǎn)生不同組成的氣溶膠的實(shí)施方案內(nèi)，氣溶膠可用來(lái)導(dǎo)入不容易或不便溶解/分散到相同溶劑/分散劑內(nèi)的摻雜物/添加物。因此，若使用多個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器直接在反應(yīng)室內(nèi)形成氣溶膠，則可沿著反應(yīng)區(qū)定向氣溶膠產(chǎn)生器以混合反應(yīng)物或供應(yīng)可能是重疊的分離物流。若在單一進(jìn)口噴嘴內(nèi)產(chǎn)生兩或多種氣溶膠，則氣溶膠可混合并流動(dòng)于共同的氣流內(nèi)。圖3B內(nèi)顯示具有兩氣溶膠產(chǎn)生器的進(jìn)口噴嘴，進(jìn)口噴嘴240包含氣溶膠產(chǎn)生器242、244，可產(chǎn)生直接到達(dá)出口246的氣溶膠。
另外，氣溶膠產(chǎn)生器可在分離的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生氣溶膠，從而氣溶膠就可在反應(yīng)室內(nèi)結(jié)合。對(duì)于在單個(gè)溶解/分散處理中難以導(dǎo)入所要組合物的實(shí)施方案中，在單個(gè)進(jìn)口噴嘴或多個(gè)進(jìn)口噴嘴內(nèi)使用多個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器會(huì)有所幫助。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Mosso等人所提出標(biāo)題為“Particle Production Apparatus”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/362,631引入作為參考，說(shuō)明在不同進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生氣溶膠的多個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器。
在這些氣溶膠實(shí)施方案任一項(xiàng)內(nèi)，也可供應(yīng)一種或多種蒸氣/氣體反應(yīng)物/前體。例如，蒸氣/氣體前體可自行導(dǎo)入氣溶膠產(chǎn)生器內(nèi)，以幫助形成氣溶膠。在另一項(xiàng)實(shí)施方案內(nèi)，蒸氣可通過(guò)分離的進(jìn)口到供應(yīng)通道(deliverychannel)進(jìn)入產(chǎn)生氣溶膠之處，從而蒸氣與氣溶膠就會(huì)混合并通過(guò)同一個(gè)反應(yīng)物進(jìn)口供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)。在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，蒸氣前體通過(guò)分離的反應(yīng)物進(jìn)口供應(yīng)到反應(yīng)室，來(lái)與包含氣溶膠的流體結(jié)合。此外，可結(jié)合這些方法以供應(yīng)單一種蒸氣前體、通過(guò)不同供應(yīng)通道的不同蒸氣前體或者這兩者的組合。
圖4內(nèi)說(shuō)明一種進(jìn)口噴嘴的實(shí)施方案，其設(shè)定成供應(yīng)蒸氣前體到通道，并隨同氣溶膠一起供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)。請(qǐng)參閱圖4，氣溶膠產(chǎn)生器360將氣溶膠供應(yīng)至通道362。通道362導(dǎo)向通常導(dǎo)向反應(yīng)室的反應(yīng)物進(jìn)口364。如有必要，可將反應(yīng)物進(jìn)口364配置成離反應(yīng)室內(nèi)輻射路徑一段適合距離來(lái)供應(yīng)反應(yīng)物流/流體。蒸氣通道366導(dǎo)入通道362，如此蒸氣前體就可與來(lái)自氣溶膠產(chǎn)生器360通過(guò)反應(yīng)物進(jìn)口364供應(yīng)的氣溶膠混合。蒸氣通道366連接到閃蒸器368，不過(guò)也可使用其他蒸氣來(lái)源，例如發(fā)泡器(bubbler)或固態(tài)蒸氣源。閃蒸器會(huì)將液體前體加熱至一個(gè)溫度，將選擇的蒸氣壓力供應(yīng)給蒸氣通道366。可加熱蒸氣通道366和/或通道362，以降低或消除蒸氣反應(yīng)物的凝結(jié)現(xiàn)象。閃蒸器368連接到液體源370。
圖5內(nèi)說(shuō)明一種反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)施方案，該系統(tǒng)用于從包含氣溶膠的反應(yīng)物流中獨(dú)自供應(yīng)蒸氣前體進(jìn)入反應(yīng)室。請(qǐng)參閱圖5，氣溶膠產(chǎn)生器380在導(dǎo)向反應(yīng)物進(jìn)口384的通道382內(nèi)產(chǎn)生氣溶膠。來(lái)自反應(yīng)物進(jìn)口382的氣溶膠會(huì)導(dǎo)向輻射束386，蒸氣通道388、390供應(yīng)蒸氣反應(yīng)物至反應(yīng)室，就在接觸到輻射束386之前與氣溶膠混合。
在另一項(xiàng)實(shí)施方案內(nèi)，通過(guò)圖5的通道388、390供應(yīng)氣溶膠前體，而蒸氣/氣體反應(yīng)物則通過(guò)通道382供應(yīng)。例如，蒸氣硅前體和/或其他玻璃形成主體元素可通過(guò)通道382供應(yīng)，而摻雜物/添加物則可通過(guò)通道388、390供應(yīng)。在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，可在輻射束和/或在輻射束之外供應(yīng)前體，例如摻雜物/添加物前體，以與其他反應(yīng)物流體相交。若摻雜物/添加物前體就在在輻射束之外與反應(yīng)物/產(chǎn)物流相交，則仍舊會(huì)形成粒子并且摻雜物/添加物會(huì)被導(dǎo)入粒子矩陣中，或摻雜物/添加物會(huì)伴隨熱粒子，從而摻雜物/添加物就會(huì)在固化時(shí)并入最終均勻的材料內(nèi)。
請(qǐng)參閱圖1，反應(yīng)室104包含主反應(yīng)室250。反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)102連接至在噴嘴252上的主反應(yīng)室250?？杉訜岱磻?yīng)室104至表面溫度高于裝置壓力下反應(yīng)物與惰性組成混合物的露點(diǎn)(dew point)。
噴嘴252的末端具有可作為惰性隔離氣體通道的環(huán)狀開(kāi)口254，以及作為反應(yīng)物的通道的反應(yīng)物進(jìn)口256(左下插圖)，以在反應(yīng)室內(nèi)形成反應(yīng)物流。反應(yīng)物進(jìn)口256可為裂縫(slit)，如圖1下方插圖內(nèi)所示。環(huán)形開(kāi)口254具有，例如約1.5英寸的直徑，以及沿著半徑方向約1/8英寸到約1/16英寸的寬度。通過(guò)環(huán)形開(kāi)口254的隔離氣流有助于避免整個(gè)反應(yīng)室104的反應(yīng)物氣體與產(chǎn)物粒子散布(spread)。
管狀部分260、262位于噴嘴252的兩端的任一端。管狀部分260、262分別包括，例如ZnSe窗口264、266。窗口264、266的直徑約是1英寸，窗口264、266可為圓柱鏡片，其焦距長(zhǎng)度等于反應(yīng)室中央到鏡片表面的距離，以便將光束聚焦到噴嘴開(kāi)口中央之下的點(diǎn)處。窗口264、266可具有抗反射(antireflective)的涂層。適當(dāng)?shù)腪nSe鏡片可購(gòu)自加州圣地牙哥的LaserPower Optics公司。管狀部分260、262可讓窗口264、266遠(yuǎn)離主反應(yīng)室250，從而窗口264、266就比較不會(huì)受到反應(yīng)物和/或產(chǎn)物的污染。窗口264、266可放置于，例如離主反應(yīng)室250的邊緣約3cm的地方。
用橡膠O形環(huán)密封窗口264、266至管狀部分260、262，以避免周?chē)諝饬魅敕磻?yīng)室104內(nèi)。管狀進(jìn)口268、270用于將隔離空氣流供應(yīng)到管狀部分260、262內(nèi)，以降低窗口264、266的污染程度。連接管狀進(jìn)口268、270至隔離空氣供應(yīng)裝置106。
請(qǐng)參閱圖1，隔離空氣系統(tǒng)106包含連接至惰性氣體管道28的惰性氣體源280。惰性氣體管道282流進(jìn)導(dǎo)向環(huán)形開(kāi)口254的環(huán)形通道284。質(zhì)量流量控制器286會(huì)調(diào)節(jié)進(jìn)入惰性氣體管道282的惰性氣流。若使用圖2的反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)112，若需要的話，惰性氣體源126也可作為管道282的惰性氣體源。請(qǐng)參閱圖1，可用惰性氣體源280或分離的惰性氣體源將惰性氣體供應(yīng)到管子268、270。質(zhì)量流量控制器288可控制流向管子268、270的流體。
對(duì)準(zhǔn)光源110以產(chǎn)生進(jìn)入窗口264與退出窗口266的光束300，窗口264、266限定穿過(guò)主反應(yīng)室250的光路徑，并在反應(yīng)區(qū)302上與反應(yīng)物流體匯合。在離開(kāi)窗口266之后，光束300會(huì)撞擊功率表304，其也用來(lái)作為光束障礙物(beam bump)用。適當(dāng)?shù)墓β时砜少?gòu)自加州Santa Clara的Coherent Inc。光源110可為激光或強(qiáng)烈的傳統(tǒng)光源，例如電弧燈泡。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，光源110為紅外線激光，更具體地CW CO2激光，例如PRCCorp.，Landing，NJ出品最大輸出功率為1800瓦的激光。
通過(guò)噴嘴252內(nèi)的反應(yīng)物進(jìn)口256的反應(yīng)物，將反應(yīng)物流初始化。反應(yīng)物流會(huì)通過(guò)反應(yīng)區(qū)302，在此發(fā)生牽涉到金屬/準(zhǔn)金屬前體組成與摻雜物/添加物前體組成的反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)302內(nèi)氣體的加熱非常迅速，根據(jù)特定情況大約是105℃/秒。在離開(kāi)反應(yīng)區(qū)302后反應(yīng)就迅速停止，并且在反應(yīng)物/產(chǎn)物流中形成粒子306。方法的不平衡本質(zhì)允許生產(chǎn)出尺寸高度均勻并且結(jié)構(gòu)同性質(zhì)的納米粒子。
反應(yīng)物流的路徑會(huì)持續(xù)到收集噴嘴310，收集噴嘴310具有圓形開(kāi)口312，如圖1上方插圖所示。圓形開(kāi)口312將材料供應(yīng)至收集系統(tǒng)108。
連接在主反應(yīng)室上的壓力表320可監(jiān)控反應(yīng)室壓力，適合用于生產(chǎn)所要氧化物的反應(yīng)室壓力范圍通常約從80托(Torr)到約650托。
收集系統(tǒng)108可包含來(lái)自于收集噴嘴310的彎曲通道330。因?yàn)榱Ｗ拥某叽缧?，所以產(chǎn)物粒子會(huì)隨著氣流通過(guò)彎曲處。收集系統(tǒng)108包含位于氣流內(nèi)用于收集產(chǎn)物粒子的過(guò)濾器332。由于彎曲部分330，所以過(guò)濾器并未直接支撐在反應(yīng)室之上。多種材料，例如鐵弗龍_(四氟乙烯)、不銹鋼、玻璃纖維等都可用來(lái)制作過(guò)濾器，只要材料具有情性并且有夠細(xì)的網(wǎng)子可以捕捉粒子即可。適合用于過(guò)濾器的材料包括，例如ACE Glass Inc.，Vineland，NJ的玻璃纖維、AF Equipment Co.，Sunnyvale，CA的柱狀Nomex_過(guò)濾器以及All Con World Systems，Seaford，DE的不銹鋼過(guò)濾器。
在此使用泵334將收集系統(tǒng)108維持在選擇的壓力上。在將泵排放出來(lái)的流體排放到環(huán)境中之前，會(huì)先通過(guò)洗滌器(scrubber)336來(lái)去除任何殘留的反應(yīng)化學(xué)物。
泵唧率(pumping rate)由插在泵334與過(guò)濾器332之間的手動(dòng)針形閥或自動(dòng)節(jié)流閥338來(lái)控制，當(dāng)因?yàn)檫^(guò)濾器332上粒子累積而使反應(yīng)室壓力增加，就可調(diào)整手動(dòng)閥或節(jié)流閥來(lái)維持泵唧率以及相應(yīng)的反應(yīng)室壓力。
該裝置可用計(jì)算機(jī)350來(lái)控制。通常，計(jì)算機(jī)控制輻射源，例如光線，并監(jiān)控反應(yīng)室內(nèi)的壓力，計(jì)算機(jī)也可用來(lái)控制反應(yīng)物流體和/或隔離氣體。
反應(yīng)可持續(xù)到過(guò)濾器332上收集到足夠的粒子，從而泵334就無(wú)法在反應(yīng)室104內(nèi)維持抵抗通過(guò)過(guò)濾器332的阻力所要的壓力。當(dāng)反應(yīng)室104內(nèi)的壓力不再維持于所要壓力值時(shí)，反應(yīng)就會(huì)停止，并且拆除過(guò)濾器332。就此實(shí)施方案而言，在無(wú)法繼續(xù)維持反應(yīng)室壓力之前，單次運(yùn)行約可收集到1-300克的粒子。根據(jù)反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)、生產(chǎn)的粒子種類(lèi)以及所使用的過(guò)濾器種類(lèi)，單次運(yùn)行通常至少持續(xù)10小時(shí)。
圖6內(nèi)顯示激光熱解裝置的另一實(shí)施方案。激光熱解裝置400包含反應(yīng)室402，該反應(yīng)室402具有矩形平行管路形狀。反應(yīng)室402沿著激光光束延伸最長(zhǎng)邊，反應(yīng)室402在側(cè)邊上具有觀察窗口404，如此就可在操作時(shí)觀察反應(yīng)區(qū)。
反應(yīng)室402具有限定通過(guò)反應(yīng)室的光路徑的管狀延長(zhǎng)(tubularextension)408、410。管狀延伸408與圓柱鏡片412的密封處相連。管子414連接激光416或其他光源與鏡片412。類(lèi)似地，管狀延伸410與管子418的密封處連接，進(jìn)一步導(dǎo)向光束障礙物/光計(jì)量表420。因此，可封閉從激光416到光束障礙物420的整個(gè)光線路徑。
進(jìn)口噴嘴426會(huì)在下表面428上與反應(yīng)室402連接，進(jìn)口噴嘴426包含栓鎖到下表面428來(lái)固定進(jìn)口噴嘴426的板(plate)430。請(qǐng)參閱圖7與圖8內(nèi)的截面圖，進(jìn)口噴嘴426包含內(nèi)部噴嘴432與外部噴嘴434，內(nèi)部噴嘴432的頂端可為雙孔內(nèi)部混合噴霧器436。適合的氣體噴霧器可購(gòu)自Spraying Systems，Wheaton，IL。雙孔內(nèi)部混合噴霧器436具有扇葉形狀，可產(chǎn)生氣溶膠與氣態(tài)前體的薄板(thin sheet)。液體會(huì)通過(guò)管子438送至噴霧器，并且通過(guò)管子440將要導(dǎo)入反應(yīng)室的氣體送至噴霧器，氣體與液體交互作用有助于形成液滴。
外部噴嘴434包含氣室部分450、漏斗部分452與供應(yīng)部分454。氣室部分450容納內(nèi)部噴嘴432的噴霧器，漏斗部分452將氣溶膠與氣態(tài)前體導(dǎo)引到供應(yīng)部分454內(nèi)，供應(yīng)部分454會(huì)由0.5英寸的矩形出口456導(dǎo)引到約3英寸之處，如圖7的插圖所示。外部噴嘴434包含排放裝置458，用來(lái)排除收集在外部噴嘴內(nèi)的任何液體。外部噴嘴434由形成圍繞出口456的隔離氣體開(kāi)口462的外壁460覆蓋。惰性氣體由進(jìn)口464導(dǎo)入。圖7與8內(nèi)的噴嘴可經(jīng)過(guò)改進(jìn)用來(lái)供應(yīng)氣溶膠與蒸氣前體，如上面關(guān)于圖3-5所述。
請(qǐng)參閱圖6，離開(kāi)噴嘴(exit nozzle)470連接到位于反應(yīng)室402頂端表面上的裝置400，離開(kāi)噴嘴470導(dǎo)向過(guò)濾室472，過(guò)濾室472與管子474連接，導(dǎo)向泵。柱形過(guò)濾器固定在管子474的開(kāi)口上，上面已說(shuō)明過(guò)適合的柱形過(guò)濾器。
另外，激光熱解裝置的另一種設(shè)計(jì)說(shuō)明于由Bi等人所提出標(biāo)題為“Efficient Production of Particles by Chemical Reaction”的美國(guó)專(zhuān)利5,958,348內(nèi)，在此引入作為參考。此另一種設(shè)計(jì)有助于利用激光熱解生產(chǎn)商業(yè)數(shù)量的粒子。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Mosso等人所提出標(biāo)題為“Particle Production Apparatus”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/362,631引入作為參考，說(shuō)明商業(yè)容量激光熱解裝置的其它實(shí)施方案與其他合適的功能。
在商業(yè)容量激光熱解裝置的一個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)室與反應(yīng)物進(jìn)口會(huì)延著光束顯著延長(zhǎng)，以增加反應(yīng)物與產(chǎn)物的總產(chǎn)量。上述用于供應(yīng)氣溶膠反應(yīng)物的實(shí)施方案可經(jīng)過(guò)修改為延長(zhǎng)的反應(yīng)室的設(shè)計(jì)。在延長(zhǎng)的反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入具有一個(gè)或多個(gè)氣溶膠產(chǎn)生器的氣溶膠的其它實(shí)施方案說(shuō)明于由Gardner等人所提出標(biāo)題為“Reactant Delivery Apparatuses”的美國(guó)專(zhuān)利6,193,936內(nèi)，在此引入作為參考。蒸氣與氣溶膠前體的組合可利用上面關(guān)于圖3-5所討論的方法供應(yīng)到此反應(yīng)室內(nèi)，這些改進(jìn)過(guò)的反應(yīng)器與相應(yīng)的噴嘴可經(jīng)過(guò)修改，使其用于使用蒸氣前體、氣溶膠前體以及這兩者組合的光反應(yīng)沉積。
通常，具有延長(zhǎng)反應(yīng)室與反應(yīng)物進(jìn)口的激光熱解裝置設(shè)計(jì)成減少氣室壁的污染，增加生產(chǎn)量并且有效使用資源。若要達(dá)成這些目的，延長(zhǎng)的反應(yīng)室會(huì)增加反應(yīng)物與產(chǎn)物的總產(chǎn)量，而不會(huì)相對(duì)增加反應(yīng)室的死體積(deadvolume)。反應(yīng)室的死體積會(huì)被未反應(yīng)的組成和/或反應(yīng)產(chǎn)物污染。更進(jìn)一步，適當(dāng)?shù)母綦x氣流將反應(yīng)物與產(chǎn)物局限在穿過(guò)反應(yīng)室的流體內(nèi)。有效使用激光能量就可獲得極高的反應(yīng)物總輸出。
圖9內(nèi)顯示未改進(jìn)的反應(yīng)室472設(shè)計(jì)。反應(yīng)物進(jìn)口474導(dǎo)引至主反應(yīng)室476，反應(yīng)物進(jìn)口474通常與主反應(yīng)室476的形狀一致。主反應(yīng)室476包含沿著反應(yīng)物/產(chǎn)物流的出口478，用于去除特定產(chǎn)物、任何未反應(yīng)的氣體與惰性氣體。若需要的話，其構(gòu)型(configuration)可相反成為從頂端供應(yīng)反應(yīng)物，并且從底部收集產(chǎn)物。隔離氣體進(jìn)口480位于反應(yīng)物進(jìn)口474的兩端，隔離氣體進(jìn)口用來(lái)在反應(yīng)物流的側(cè)邊上形成惰性氣體的遮蔽(blanket)，以禁止反應(yīng)室壁與反應(yīng)物或產(chǎn)物之間相接觸。延長(zhǎng)的主反應(yīng)室476與反應(yīng)物進(jìn)口474的尺寸可設(shè)計(jì)用于高效率粒子生產(chǎn)。使用1800瓦CO2激光時(shí)，陶瓷納米粒子生產(chǎn)方面合理的反應(yīng)物進(jìn)口474長(zhǎng)度，應(yīng)該從約5毫米到約1米。
管狀部分482、484從主反應(yīng)室476延伸出來(lái)。管狀部分482、484內(nèi)有窗口486、488，用于定義穿過(guò)反應(yīng)室472的光束路徑490。管狀部分482、484可包含惰性氣體進(jìn)口492、494，用于將惰性氣體導(dǎo)入管狀部分482、484。
改進(jìn)的反應(yīng)系統(tǒng)包含收集裝置，用以從反應(yīng)物流中去除納米粒子，該收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)成以成批方式(batch mode)收集粒子，在終止生產(chǎn)之前收集大量粒子。在成批方式內(nèi)用過(guò)濾器等設(shè)備收集粒子。另外，收集系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成利用在收集裝置內(nèi)不同粒子收集器之間切換，或利用提供用于去除粒子但不用讓收集系統(tǒng)暴露在周?chē)h(huán)境下，以持續(xù)生產(chǎn)方式運(yùn)作系統(tǒng)。用于持續(xù)粒子生產(chǎn)的收集裝置合適的實(shí)施方案公布于由Gardner等人所提出，標(biāo)題為“Particle Collection Apparatus And Associated Methods”的美國(guó)專(zhuān)利6,270,732，在此引入作為參考。
請(qǐng)參閱圖10-12，其中顯示激光熱解反應(yīng)系統(tǒng)500的具體實(shí)施方案，該系統(tǒng)包含反應(yīng)室502、粒子收集系統(tǒng)504、激光506以及反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)508(下面將做說(shuō)明)。反應(yīng)室502包含位于反應(yīng)室502底部的反應(yīng)物進(jìn)口514，在此反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)508與反應(yīng)室502相連。在此實(shí)施方案中，從反應(yīng)室底部供應(yīng)反應(yīng)物而從反應(yīng)室的頂端收集產(chǎn)物。
隔離氣體管道516位于反應(yīng)物進(jìn)口514的前后兩端，惰性氣體通過(guò)供應(yīng)口(port)518供應(yīng)至隔離氣體管道516。隔離空氣管道沿著反應(yīng)室502壁導(dǎo)引隔離氣體，以禁止反應(yīng)物氣體或產(chǎn)物與壁接觸。
反應(yīng)室502沿著圖8內(nèi)標(biāo)示為“w”的方向延長(zhǎng)，激光光束路徑520通過(guò)從主反應(yīng)室出來(lái)的沿著管子524放置的窗口522進(jìn)入反應(yīng)室，并穿過(guò)反應(yīng)室502的延長(zhǎng)方向。激光光束通過(guò)管子528，從窗口530離開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，管子524與528讓窗口522與530位于主反應(yīng)室約11英寸。激光光束終止于光束障礙物532。在操作中，激光光束與通過(guò)反應(yīng)物進(jìn)口514產(chǎn)生的反應(yīng)物流匯合。
主反應(yīng)室526的頂端開(kāi)至粒子收集系統(tǒng)504內(nèi)。粒子收集系統(tǒng)504包含連接至主反應(yīng)室526頂端的出口管道534，用以接收來(lái)自主反應(yīng)室526的流體。出口管道534將產(chǎn)物粒子帶出反應(yīng)物流平面之外到達(dá)柱形過(guò)濾器536，過(guò)濾器536在一端上有杯子538，而過(guò)濾器536的另一端則固定于碟片540。碟片540的中央固定有通氣口(vent)542，提供進(jìn)入過(guò)濾器536的中央。通氣口542利用管道連接到泵。因此，產(chǎn)物粒子利用從反應(yīng)室502流向泵來(lái)捕捉產(chǎn)物粒子。上面已說(shuō)明過(guò)適合的泵。適合的泵包含，例如Saab 9000汽車(chē)的空氣清潔過(guò)濾器(零件號(hào)碼A44-67)，其包含具有橡膠的浸漬蠟紙(wax impregnated paper)或聚氨酯端蓋。
在具體實(shí)施方案內(nèi)，反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)508包含反應(yīng)物噴嘴550，如圖14內(nèi)所示。反應(yīng)物噴嘴550可包含連接板(attachment plate)552，反應(yīng)物噴嘴550在反應(yīng)物進(jìn)口514處與栓鎖到主反應(yīng)室526的底部的連接板552連接。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，噴嘴550具有四個(gè)終止于四個(gè)裂縫554、556、558、560的通道。裂縫558與560可用來(lái)供應(yīng)前體，以及反應(yīng)物流其他所要的組件。裂縫554、556可用來(lái)供應(yīng)惰性隔離氣體。若第二反應(yīng)物與釩前體自發(fā)性反應(yīng)，則也可通過(guò)裂縫554、556供應(yīng)。一種用于生產(chǎn)氧化物粒子的裝置具有四個(gè)3英寸×0.04英寸的裂縫554、556、558和560的尺寸。
涂層沉積光反應(yīng)沉積是一種運(yùn)用強(qiáng)烈輻射源，例如光源驅(qū)動(dòng)從反應(yīng)物流合成所要的組成涂層方法。光反應(yīng)沉淀在強(qiáng)烈輻射源驅(qū)動(dòng)反應(yīng)方面類(lèi)似于激光熱解。不過(guò)，在光反應(yīng)沉積中，最終組成被導(dǎo)至形成涂層的基板表面。導(dǎo)致生產(chǎn)高度均勻性粒子的激光熱解特性可相應(yīng)地導(dǎo)致生產(chǎn)具有高度均勻性的涂層。
在光反應(yīng)沉積內(nèi)，可在與反應(yīng)室分離的涂層室內(nèi)進(jìn)行基板的涂層，或在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行涂層。在這些構(gòu)型中，對(duì)于摻雜的非結(jié)晶材料而言，可類(lèi)似于激光熱解裝置的反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)來(lái)設(shè)定該反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)。因此，可修改上述利用激光熱解生產(chǎn)摻雜非晶形粒子的說(shuō)明以及下面實(shí)施例，用于利用本部分說(shuō)明的方法來(lái)生產(chǎn)涂層。
若在與反應(yīng)室分離的涂層室內(nèi)進(jìn)行涂層，則反應(yīng)室基本上可和用于進(jìn)行激光熱解的反應(yīng)室一樣，不過(guò)總輸出和反應(yīng)物流大小可經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)適用于涂層方法。對(duì)于這些實(shí)施方案而言，涂層室與將涂層室與反應(yīng)室連接起來(lái)的管道(conduit)取代了激光熱解系統(tǒng)的收集系統(tǒng)。
具有分離的反應(yīng)室與涂層室的涂層裝置示意顯示于圖14內(nèi)。請(qǐng)參閱圖14，涂層裝置566包含反應(yīng)室568、涂層室570、將反應(yīng)室與涂層室570連接起來(lái)的管道572、從涂層室570出來(lái)的排氣管道574以及連接到排氣管道574的泵576。閥門(mén)578可用來(lái)控制到達(dá)泵576的流體。例如閥門(mén)578可為手動(dòng)針形閥或自動(dòng)節(jié)流閥。閥門(mén)578可用來(lái)控制泵唧率與相應(yīng)的氣室壓力。
請(qǐng)參閱圖15，管道572從粒子生產(chǎn)裝置568到達(dá)涂層室570。管道572終止于涂層室570內(nèi)的開(kāi)口582。在一些實(shí)施方案內(nèi)，開(kāi)口572位于基板584表面附近，如此粒子的動(dòng)能會(huì)直接引導(dǎo)粒子撞擊基板584的表面?；?84可固定在臺(tái)(stage)或其他平臺(tái)586上，相對(duì)于開(kāi)口582放置基板584。在涂層室570與泵576之間可配置收集系統(tǒng)、過(guò)濾器、清潔器等588，以去除未涂層在基板表面上的粒子。
圖16內(nèi)顯示從粒子生產(chǎn)裝置相對(duì)于管道放置基板的臺(tái)的實(shí)施方案。粒子噴嘴590導(dǎo)引粒子朝向旋轉(zhuǎn)臺(tái)592。如圖16內(nèi)所示，臺(tái)592上固定四個(gè)基板594。對(duì)臺(tái)和室的尺寸做出相應(yīng)的修改，更多或更少的基板可固定到移動(dòng)的臺(tái)上。臺(tái)592的移動(dòng)橫掃過(guò)基板表面上的粒子流，并將特定基板594放置在噴嘴590的路徑內(nèi)。如圖16內(nèi)所示，運(yùn)用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)臺(tái)592。臺(tái)592可包含提供臺(tái)592上基板的溫度控制的熱控制功能。另一種設(shè)計(jì)牽涉到臺(tái)的直線移動(dòng)或其他動(dòng)作。在其他實(shí)施方案內(nèi)，并未聚焦粒子流，所以整個(gè)表面或其所要的部分就可同時(shí)涂層，而不用相對(duì)產(chǎn)物流來(lái)移動(dòng)基板。
若在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行涂層，則固定基板來(lái)接收從反應(yīng)區(qū)流出的產(chǎn)物組成。盡管猝滅可能足夠快以形成固態(tài)粒子，但是該組成可能沒(méi)有完全固化成固態(tài)粒子。不管組成有沒(méi)有固化成固態(tài)粒子，粒子都具有高度均勻性。在一些實(shí)施方案內(nèi)，基板固定在反應(yīng)區(qū)附近。
在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行基板涂層的裝置600示意顯示于圖17內(nèi)。反應(yīng)/涂層室602連接至反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)604、輻射源606以及排氣系統(tǒng)(exhaust)608。排氣系統(tǒng)608可連接到泵610，不過(guò)來(lái)自反應(yīng)物本身的壓力可維持流體通過(guò)系統(tǒng)。
當(dāng)產(chǎn)物離開(kāi)反應(yīng)室時(shí)，各種構(gòu)型可用來(lái)使涂層橫掃基板表面。圖18與19內(nèi)顯示一個(gè)實(shí)施方案?；?20相對(duì)于反應(yīng)物噴嘴622移動(dòng)，如向右的箭頭所示。反應(yīng)物噴嘴和/或基板可相對(duì)于反應(yīng)室移動(dòng)。反應(yīng)物噴嘴622就位于基板620之上。利用沿著路徑624導(dǎo)引光束的合適光學(xué)元件就可定義光學(xué)路徑(optical path)624。光學(xué)路徑624位于噴嘴622與基板620之間，用于定義位于基板620表面之上的反應(yīng)區(qū)。熱粒子傾向于粘附在較冷的基板表面上。圖19內(nèi)顯示截面圖，當(dāng)基板掃過(guò)反應(yīng)區(qū)時(shí)，就形成了粒子涂層626。
通常，輸送帶628上可承載基板620。在一些實(shí)施方案內(nèi)，可調(diào)整輸送帶628的位置，以改變從基板626到反應(yīng)區(qū)的距離。從基板到反應(yīng)器的距離的改變相應(yīng)地改變撞擊基板的粒子的溫度。撞擊基板的粒子的溫度通常會(huì)改變最終涂層的特性以及后續(xù)處理的情況，例如涂層的后續(xù)熱處理的固化?；迮c反應(yīng)區(qū)之間的距離可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整，以產(chǎn)生所要的涂布特性。此外，支撐基板的臺(tái)/輸送帶可包含熱控制功能，從而就可依照需求調(diào)整基板的溫度為較高或較低的溫度。
圖20-22內(nèi)顯示光反應(yīng)沉積裝置的具體實(shí)施方案。請(qǐng)參閱圖20，工藝室(process chamber)650包含連接至CO2激光(圖中未顯示)的光管652以及連接至光束障礙物裝置的光管654。進(jìn)口管道656與供應(yīng)蒸氣反應(yīng)物與載氣的前體供應(yīng)系統(tǒng)相連。進(jìn)口管道656導(dǎo)向工藝噴嘴(process nozzle)658，排氣管660沿著流體方向從工藝噴嘴658連接到工藝室650，排氣管660導(dǎo)向粒子過(guò)濾室662，粒子過(guò)濾室662連接到泵接頭664上的泵。
圖21內(nèi)顯示工藝室650的展開(kāi)圖。晶片承載裝置(wafer carrier)666支撐工藝噴嘴658上的晶片，晶片承載裝置666與支撐臂668相連，該支撐臂移動(dòng)晶片承載裝置以移動(dòng)晶片通過(guò)從反應(yīng)區(qū)放射出來(lái)的粒子流，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)激光光束與來(lái)自工藝噴嘴658的前體流匯合。支撐臂668包含用管子隔離起來(lái)的直線轉(zhuǎn)換器(linear translator)。激光進(jìn)入口(laser entry port)670用來(lái)導(dǎo)引工藝噴嘴658與晶片之間的激光光束，來(lái)自工藝噴嘴不受阻礙的流體會(huì)直接到達(dá)導(dǎo)向粒子輸送管660的排氣噴嘴672。
圖22內(nèi)顯示晶片承載裝置666與工藝噴嘴658的展開(kāi)圖。工藝噴嘴658的末端具有供應(yīng)前體的開(kāi)口674以及圍繞前體開(kāi)口的，以限制前體與產(chǎn)物粒子的擴(kuò)散的隔離氣體開(kāi)口676。晶片承載裝置666包含連接到工藝噴嘴658并具有托架680的支撐678。圓形晶片682保持在固定裝置(mount)684內(nèi)，如此晶片682會(huì)在固定裝置684內(nèi)沿著軌道686滑動(dòng)，將晶片682移動(dòng)到從反應(yīng)區(qū)來(lái)的流體內(nèi)。背面保護(hù)(backside shield)688避免在晶片682背面不受控制的粒子沉積。軌道686連接到支撐臂668。
對(duì)于任何涂層構(gòu)型而言，流體與基板的匯合會(huì)偏移流體的軌道。因此，可能最好改變反應(yīng)室出口的位置，以考慮因?yàn)榛逶斐傻牧鲃?dòng)方向的改變，例如，可能最好改變反應(yīng)室的設(shè)計(jì)，以導(dǎo)引偏移的流體到出口和/或據(jù)此改變出口位置。
可調(diào)整沉積過(guò)程中基板的溫度來(lái)達(dá)成特定目的。例如，在沉積期間可冷卻基板，因?yàn)橄鄬?duì)較冷的基板能吸引粒子至其表面上。不過(guò)在一些實(shí)施方案內(nèi)，在沉積過(guò)程中加熱基板，例如至約500℃。粒子更好地粘附在加熱的基板上。此外，粒子傾向于在加熱的基板上稠化并熔融，從而若初次在加熱的基板上形成涂層，則有助于后續(xù)的涂層固化到熔融玻璃(fused glass)或其他材料內(nèi)。
利用光反應(yīng)沉積、硅玻璃沉積以及光學(xué)裝置來(lái)形成涂層將進(jìn)一步說(shuō)明于共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Bi等人所提出標(biāo)題為“Coating Formation ByReactive Deposition”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/715,935引入作為參考，以及由Bi等人于2001年10月16日提出標(biāo)題為“Coating Formation By ReactiveDeposition”的PCT申請(qǐng)PCT/US01/32413，在此引入作為參考。
由于來(lái)自反應(yīng)的熱量，所以作為導(dǎo)入反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流體板(sheet of flow)限制良好的反應(yīng)物流傾向于在反應(yīng)區(qū)之后散開(kāi)。若基板掃過(guò)反應(yīng)區(qū)附近的反應(yīng)區(qū)，則流體的散開(kāi)就不顯著。在一些實(shí)施方案內(nèi)，最好使基板掃過(guò)流體更遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)，從而流體會(huì)顯著散開(kāi)并且不用移動(dòng)基板就可同時(shí)涂層整個(gè)基板或其所要的部分。獲得均勻粒子涂層的適合距離取決于基板尺寸以及反應(yīng)條件，通常約15厘米的距離適用于直徑4英寸的晶片。
在整個(gè)表面同時(shí)涂層的實(shí)施方案內(nèi)，當(dāng)在沉積期間產(chǎn)物粒子流體的組成會(huì)隨時(shí)間改變，則粒子的組成會(huì)通過(guò)涂層厚度而改變。若組成持續(xù)改變，則生成通過(guò)層的連續(xù)組成梯度。對(duì)于光學(xué)材料而言，包括從第一組成至第二組成連續(xù)組成變化的連續(xù)組成梯度層(continuous composition gradientlayer)通常具有不超過(guò)300微米的厚度，在其他實(shí)施方案內(nèi)則不超過(guò)約150微米，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，范圍從約500nm到約100微米，并且仍舊在其他實(shí)施方案內(nèi)，范圍約1微米到約50微米。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，明確范圍內(nèi)的其他范圍與次范圍(subrange)是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
另外，可連續(xù)增加或不連續(xù)地改變組成，以產(chǎn)生牽涉到兩組成之間組成逐漸改變的，具有改變組成的層，或具有不連續(xù)組成的遞減層。最終轉(zhuǎn)換材料(transition material)具有階梯狀(step-wise)的，從第一組成到第二組成的組成改變。通常，第一組成與第二組成為相鄰層的組成(或相同層上的相鄰組成)，從而轉(zhuǎn)換材料可在兩相鄰層(或相鄰組成)之間提供逐漸轉(zhuǎn)變的組成。當(dāng)光學(xué)轉(zhuǎn)換材料具有兩層時(shí)，轉(zhuǎn)換材料通常包含至少三層，在其他實(shí)施方案內(nèi)至少4層，而在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)在從5層到100層范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)?？偤穸韧ǔｎ?lèi)似于先前章節(jié)內(nèi)說(shuō)明的持續(xù)梯度層，階梯狀轉(zhuǎn)換材料內(nèi)每一層的厚度小于約100微米，在其他實(shí)施方案內(nèi)小于約25微米，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)在從約500nm到約20微米范圍內(nèi)，并且在其他實(shí)施方案內(nèi)范圍從約1微米到約10微米。階梯狀轉(zhuǎn)換材料內(nèi)的層可或不可具有約相等的厚度。類(lèi)似地，組成內(nèi)階梯狀變化可或不可在轉(zhuǎn)換材料層之間采取同等步驟。
在沉積所有所需的層之前或之后，涂層可經(jīng)過(guò)加熱處理，將涂層從不連續(xù)粒子層轉(zhuǎn)換成連續(xù)層，下面將進(jìn)一步說(shuō)明。固化的涂層可用于光學(xué)材料或其他用途，若要形成裝置，通常特定組成位于結(jié)構(gòu)內(nèi)特定位置。
對(duì)于不連續(xù)的光學(xué)裝置或基板表面上其他結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)而言，在光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)不同位置上的光學(xué)材料組成通?？刹煌?。若要導(dǎo)入組成變化，可控制沉積過(guò)程本身來(lái)生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)。另外，在沉積后，可用多種圖案形成方法(patterning)。下面將進(jìn)一步說(shuō)明在一或多涂層層沉積之后的圖案形成。
使用此處說(shuō)明的沉積方法，在沉積過(guò)程中可改變沉積在基板上產(chǎn)物粒子的組成，以便在基板上選擇的位置處沉積具有特定組成的粒子，沿著x-y平面改變光學(xué)材料的最終組成。例如，若在基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流時(shí)改變產(chǎn)物粒子組成，在不同線條或晶格位置上具有不同粒子組成的基板表面上形成線條或晶格。運(yùn)用光反應(yīng)沉積，通過(guò)調(diào)整反應(yīng)形成產(chǎn)物粒子的反應(yīng)物或通過(guò)改變反應(yīng)條件，來(lái)改變產(chǎn)物組成。反應(yīng)條件會(huì)影響產(chǎn)物粒子的最終組成和/或特性。例如，反應(yīng)室壓力、流率、輻射強(qiáng)度、輻射能量/波長(zhǎng)、反應(yīng)流內(nèi)惰性稀釋氣體的濃度、反應(yīng)物流溫度可影響產(chǎn)物粒子的組成和其他特性。
在一些實(shí)施方案內(nèi)，反應(yīng)物流可包含可變化以改變產(chǎn)物組成的蒸氣和/或氣溶膠反應(yīng)物。更具體地，通過(guò)改變流體內(nèi)摻雜物/添加物元素的組成和/或數(shù)量，可改變摻雜物/添加物的濃度。將主體前體，例如硅前體、硼前體和/或磷前體，作為蒸氣反應(yīng)物來(lái)供應(yīng)是非常有利，這是因?yàn)檫@樣可獲得純度非常高的蒸氣前體，而摻雜物/添加物前體可作為氣溶膠來(lái)供應(yīng)，這是因?yàn)樵S多所要的摻雜物/添加物元素并不容易以蒸氣前體形成來(lái)提供。上面已進(jìn)一步說(shuō)明過(guò)蒸氣前體與氣溶膠前體的供應(yīng)。
當(dāng)利用改變反應(yīng)物流組成或基板掃過(guò)產(chǎn)物流的反應(yīng)條件下可改變產(chǎn)物粒子組成時(shí)，更具體地當(dāng)有更顯著的組成改變時(shí)，最好停止?fàn)可娴讲煌某煞值牟煌练e步驟間的沉積。例如，用第一組成涂層部分基板而剩下部分用其他組成涂層，基板可掃過(guò)產(chǎn)物流將第一組成沉積在沉積中止的特定點(diǎn)上。然后移動(dòng)基板到其余未進(jìn)行任何涂層的距離，然后利用改變反應(yīng)物流或反應(yīng)條件，改變產(chǎn)物成分，并且在產(chǎn)物流穩(wěn)定的短暫時(shí)間后使基板掃過(guò)反方向，以便將第二組成涂層在與第一組成互補(bǔ)的圖案中。第一組成與第二組成涂層之間可留下小空隙，以降低具有混合成分的邊界區(qū)的存在。在固化步驟期間，可填充小空隙以在兩種材料之間形成具有相對(duì)尖銳邊界的光滑表面。
沉積方法歸納為用于兩種以上組成和/或基板上多個(gè)精細(xì)圖案的沉積。在更精細(xì)方法中，當(dāng)產(chǎn)物流穩(wěn)定和/或基板定位，可使用快門(mén)(shutter)阻擋沉積?？删_定位精確控制的臺(tái)/輸送帶，并掃過(guò)基板以用于特定組成的沉積?？裳杆俅蜷_(kāi)與關(guān)閉快門(mén)來(lái)控制沉積。在此可使用或不使用空隙稍微分隔圖案內(nèi)不同的組成位置。
在其他實(shí)施方案內(nèi)，使用分散的掩膜(mask)控制粒子的沉積。分散掩膜可提供有效并精確的粒子圖案形成方法，運(yùn)用化學(xué)汽相沉積與物理汽相沉積，從原子或分子程度就可累積材料層，這牽涉到在原子或分子程度上建造掩膜，以避免材料沉積于掩膜阻擋區(qū)之下。因此，涂層的掩膜為對(duì)應(yīng)于掩膜無(wú)獨(dú)立自支撐(self-supporting)結(jié)構(gòu)的表面上的涂層，并且涂層的掩膜會(huì)以化學(xué)或物理方法結(jié)合到具有與涂層的掩膜原子接觸的表面上。相反的是，如此處說(shuō)明的粒子沉積，粒子尺寸通常至少是大分子(macromolecular)，直徑約3納米(nm)以上，從而具有與其他平坦表面相對(duì)的平坦表面的掩膜，提供足夠的接觸避免顯著的粒子遷移通過(guò)掩膜。當(dāng)涂層的掩膜可有效用于光反應(yīng)沉積，物理掩膜提供有別于涂層掩膜另一種有效的表面圖案形成。分散掩膜具有未結(jié)合到表面的完整自支撐結(jié)構(gòu)，從而就可從涂層表面上完整地去除掩膜。因此，此處的分散掩膜方法不同于之前修改自光刻法用于汽相沉積方法的掩膜方法。
在這些實(shí)施方案內(nèi)，粒子涂層的形成相應(yīng)地牽涉到導(dǎo)引由分散掩膜所遮蔽基板上的產(chǎn)物粒子流。分散掩膜具有在選擇位置上有開(kāi)口的表面，通常是平坦表面。分散掩膜阻擋除開(kāi)口以外的表面，如此粒子就可通過(guò)開(kāi)口沉積在表面上。因此，利用選擇開(kāi)口布局，掩膜提供在表面上的組成圖案形成。在一些實(shí)施方案內(nèi)，合適的分散掩膜包含具有比產(chǎn)物流遠(yuǎn)窄的裂縫的掩膜，如此就可非常精準(zhǔn)的控制沉積方法。移動(dòng)裂縫可形成所要的、精確控制具有一種或多種組成的圖案。在使用分散掩膜之后，可去除掩膜并重復(fù)使用。
在一些實(shí)施方案內(nèi)，可使用多個(gè)掩膜沿著單一層沉積粒子。例如，通過(guò)第一掩膜沉積圖案之后，可使用第二補(bǔ)充掩膜(complementary mask)在第一掩膜沉積期間遺留未覆蓋的表面至少部分上沉積材料。當(dāng)使用層上具有變化化學(xué)組成的涂層完成單層或其部分時(shí)，可用其它補(bǔ)充掩膜形成復(fù)雜圖案。
因此運(yùn)用光反應(yīng)沉積，可獲得一系列有效的方法來(lái)改變層內(nèi)和不同層內(nèi)的光學(xué)材料的化學(xué)組成，以形成具有在材料內(nèi)選擇位置上具有選擇組成的三維光學(xué)結(jié)構(gòu)。在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的，由Bi等人所提出標(biāo)題為“Three Dimensional Engineering of Optical Structures”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/027,906引入作為參考，進(jìn)一步說(shuō)明在沉積過(guò)程中光學(xué)材料組成的圖案形成。
如同上面的詳細(xì)說(shuō)明，激光熱解裝置與相應(yīng)的光反應(yīng)沉積都經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，用于納米粉末與粉末陣列的商業(yè)數(shù)量生產(chǎn)。另外或此外，取決于許多因素(例如所利用的起始材料、所要的反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)條件、沉積效率等，以及這些因素的合適組合)，本發(fā)明提供基本上改變的生產(chǎn)和/或粒子沉積率。因此，在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，粒子生產(chǎn)率可在從每小時(shí)5克反應(yīng)產(chǎn)物到每小時(shí)10公斤反應(yīng)產(chǎn)物的范圍內(nèi)。更具體地，使用此處說(shuō)明的裝置，可用最多至少每小時(shí)10公斤的粒子生產(chǎn)率來(lái)達(dá)成涂層，在其他實(shí)施方案內(nèi)為約至少每小時(shí)1公斤，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，最低生產(chǎn)率至少約每小時(shí)25克，并且在其他實(shí)施方案內(nèi)為至少約每小時(shí)5克。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍之間的生產(chǎn)率是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。示范的粒子生產(chǎn)率(單位為每小時(shí)克)包含但不低于約5、10、50、100、250、500、1000、2500、5000或10000。
并非所產(chǎn)生的所有粒子都沉積在表面上。通常，根據(jù)移動(dòng)基板通過(guò)產(chǎn)物粒子薄板的其他實(shí)施方案而言，沉積效率取決于基板通過(guò)具有粒子的產(chǎn)物流的相對(duì)速度。在基板移動(dòng)的適度相對(duì)速率上，可達(dá)成不低于約15％到約20％的涂層效率，即是約15％到約20％所生產(chǎn)的粒子沉積在基板表面上。例行最優(yōu)化可進(jìn)一步增加沉積效率。當(dāng)基板通過(guò)產(chǎn)物粒子的移動(dòng)相對(duì)較慢時(shí)，可達(dá)到至少約40％的沉積效率。在一些實(shí)施方案內(nèi)，粒子生產(chǎn)率至少約是每小時(shí)5克，或另外或此外，至少約是每小時(shí)25克的反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基板上。通常，在可達(dá)到的粒子生產(chǎn)率與沉積效率之內(nèi)，可獲得至少約5g/hr的沉積率，在其他實(shí)施方案內(nèi)至少約25g/hr，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)反為至少?gòu)募s100g/hr到約5kg/hr，在其他實(shí)施方案內(nèi)范圍從約250g/hr到約2.5kg/hr。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍之間的沉積率是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。示范的粒子沉積率(單位為每小時(shí)克)包含但不低于約5、10、25、50、100、250、500、1000、2500或5000。
另外或此外，根據(jù)所要的涂層基板規(guī)格，本發(fā)明提供基本上可改變基板的移動(dòng)速率與粒子流彼此的相對(duì)速率。因此在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，可用絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量速率，并且可在從每秒約0.001英寸到約每小時(shí)12英寸的范圍或更大范圍內(nèi)變化。進(jìn)一步，在其他實(shí)施方案內(nèi)，可用相對(duì)于涂層基板的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量速率，并且可從每分鐘約1基板到約每秒1基板的范圍內(nèi)變化。
對(duì)于合適的晶片/基板尺寸而言，基板表面的至少基本部分可涂層足夠的厚度，以每分鐘2微米的速率形成固化材料，在其他實(shí)施方案內(nèi)至少約每分鐘5微米，在一些實(shí)施方案內(nèi)至少約每分鐘20微米，并且在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)至少約每分鐘100微米，其中粉末陣列的厚度要足夠厚來(lái)形成特定厚度的固化材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
對(duì)于使用產(chǎn)物粒子薄板的適當(dāng)實(shí)施方案而言，由于基板移動(dòng)速率受限于以所需的速率移動(dòng)基板的能力以及同時(shí)獲得所要的涂層的均勻性，所以基板移動(dòng)速率通常是選取沉積率與所要涂層厚度的函數(shù)。由于利用光反應(yīng)沉積可獲得高沉積率(coating rate)，如此就可輕易達(dá)到非?？焖俚耐繉勇?。這些利用LRD的涂層率顯著快過(guò)相較方法的速率。更具體地，在約10kg/hr的生產(chǎn)率上，即使沉積效率只有約2.5％，還是可在約一秒的時(shí)間內(nèi)在八英寸晶片上涂層約10微米厚度的粉末，條件是粉末密度約是大量密度的10％。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可根據(jù)由涂層率、沉積率、所要的厚度與基板上粉末的密度組成的組中選擇一種或多種其他變量，就可利用簡(jiǎn)單的幾何原理計(jì)算出上述變量。
更具體地，如本文所述的根據(jù)致動(dòng)器臂(actuator arm)移動(dòng)基板通過(guò)反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)物粒子流設(shè)計(jì)的裝置可用1秒或更少的時(shí)間涂層整個(gè)八英寸晶片的速率直線移動(dòng)基板。通常，在特別適合獲取快速率優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方案內(nèi)，將以至少約每秒0.1厘米的速率涂層基板，在其他的實(shí)施方案內(nèi)至少約0.5cm/s，在其他實(shí)施方案內(nèi)至少約1cm/s、在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)范圍從約2cm/s到約30cm/s，以及在其他實(shí)施方案內(nèi)范圍從約5cm/s到約30cm/s。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍之間的涂層率是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
粒子與粒子涂層特性激光熱解/光反應(yīng)沉積特別適合用于形成高度均勻性的粒子，更具體地納米粒子?？墒占Ｗ右怨┻M(jìn)一步處理，或者粒子可直接沉積到基板上形成粒子涂層。小粒子尺寸、圓球形與粒子均勻性都對(duì)于最終涂層的均勻性有重大貢獻(xiàn)，例如，組成以及材料之間表面與界面的光滑度。更具體地，缺少顯著大于平均的粒子會(huì)導(dǎo)致更均勻的涂層。
適合粒子的集合通常具有初級(jí)粒子在至少不超過(guò)約1000nm的平均直徑的范圍內(nèi)，在大多數(shù)實(shí)施方案內(nèi)，在不超過(guò)約500nm范圍內(nèi)，在其他實(shí)施方案內(nèi)，在約2nm到約100nm范圍內(nèi)，在一些實(shí)施方案內(nèi)，在從約2nm到約95nm范圍內(nèi)，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，在從約5nm到約75nm范圍內(nèi)，以及在其他實(shí)施方案內(nèi)，在約5nm到約50nm范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他平均直徑范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。粒子直徑通常由透射電子顯微鏡檢查來(lái)評(píng)估，粒子不對(duì)稱(chēng)邊上的直徑測(cè)量值是以沿著粒子軸上的平均長(zhǎng)度測(cè)量值為基礎(chǔ)。通常，如此處所說(shuō)明，粒子的收集基本上收集到未熔融的初級(jí)粒子，不過(guò)這些粒子也可用靜電力吸引，如下所說(shuō)明。而維持初級(jí)粒子特性的粉末陣列則進(jìn)一步說(shuō)明于上以及下列之中。
初級(jí)粒子通常具有粗糙的球形總體外觀(spherical gross appearance)，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶粒子通常具有對(duì)應(yīng)到底層晶格的面。盡管如此，結(jié)晶初級(jí)粒子傾向于在激光熱解中成長(zhǎng)，該成長(zhǎng)在三個(gè)物理空間上大致相同，因而造就出球形總體外觀。非晶形粒子通常具有更像球形的形狀，在一些實(shí)施方案內(nèi)，95％的初級(jí)粒子，以及在一些實(shí)施方案內(nèi)，99％的粒子期長(zhǎng)短軸之間的尺寸比率小于2。
利用此處說(shuō)明的方法可生產(chǎn)出多種化學(xué)粒子，通常是固態(tài)粒子，固態(tài)粒子通常沉積成粉末。對(duì)于一些應(yīng)用而言，最好具有非常均勻的粒子。利用聚焦輻射的方法特別適合用于形成高度均勻的粒子，更具體地納米粒子。在激光熱解中，收集器通常與反應(yīng)區(qū)相距一段足夠的距離，從而當(dāng)粒子到達(dá)收集器時(shí)都已經(jīng)完全猝滅。若適當(dāng)控制反應(yīng)條件，初級(jí)粒子就會(huì)猝滅，如此就會(huì)形成對(duì)于其他初級(jí)粒子具有非硬熔融(hard fusing)的，即是無(wú)可分散的熔融的獨(dú)立初級(jí)粒子。
因?yàn)榱Ｗ拥某叽绾苄。猿跫?jí)粒子在收集之后傾向于形成松散聚集(loose agglomerate)，這是鄰近粒子之間的van der Waals和其它電磁力作用的結(jié)果。這些聚集可分散散到顯著的程度或完全分散，如果需要的話。即使粒子形成松散聚集的狀態(tài)，粒子透射電子顯微圖片內(nèi)納米大小的初級(jí)粒子仍舊清晰可見(jiàn)。粒子通常具有對(duì)應(yīng)到顯微圖片內(nèi)可見(jiàn)的納米大小粒子的表面積。更進(jìn)一步，由于粒子的小尺寸以及每單位重量的材料的大表面積，所以顯現(xiàn)出獨(dú)特的特性。例如，在鋰電池內(nèi)展現(xiàn)出出乎意料的高能量密度的氧化鋇納米粒子說(shuō)明于由Bi等人所提出標(biāo)題為“Batteries WithElectroactive Nanoparticles”的美國(guó)專(zhuān)利5,952,125內(nèi)，在此引入作為參考。
初級(jí)粒子在尺寸方面具有極高的均勻性，如上述的，激光熱解通常導(dǎo)致粒子具有非常窄的粒子直徑范圍。更進(jìn)一步，合適中性條件下的熱處理并不會(huì)改變粒子直徑狹窄的范圍。使用激光熱解的反應(yīng)物氣溶膠供應(yīng)，粒子直徑的分布對(duì)于反應(yīng)條件特別敏感。僅管如此，若適當(dāng)控制反應(yīng)條件，利用氣溶膠供應(yīng)系統(tǒng)就可獲得非常窄的粒子直徑分布。如透射電子顯微圖片的檢查得知，初級(jí)粒子通常具有大小方面的分布，例如在至少約95％范圍內(nèi)，并且在一些實(shí)施方案內(nèi)為99％，的初級(jí)粒子具有大于40％第一平均直徑，以及小于約225％平均直徑的直徑。在另一或其他實(shí)施方案內(nèi)，初級(jí)粒子通常具有大小方面的分布，例如在至少約95％范圍內(nèi)，并且在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)為99％，的初級(jí)粒子具有大于45％平均直徑，以及小于約200％平均直徑的直徑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
更進(jìn)一步，在一些實(shí)施方案內(nèi)，初級(jí)粒子并沒(méi)有超過(guò)約5倍平均直徑，在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)超過(guò)4倍平均直徑，以及在其他實(shí)施方案內(nèi)超過(guò)3倍平均直徑的范圍的平均直徑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他分布截?cái)?cut-off)范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。換言之，粒子大小分布并未有效指出少量具有與相對(duì)平均大小相當(dāng)大小的粒子。在粒子大小分布中截?cái)嗍切》磻?yīng)區(qū)與相應(yīng)的粒子快速猝滅的結(jié)果。大小分布尾部的有效截?cái)啾砻?，?06個(gè)粒子之中有少于1個(gè)粒子直徑大于平均值之上特定截?cái)嘀怠＊M窄的大小分布、缺乏分布尾部以及粗略的圓形都可利用于許多應(yīng)用。
此外，納米粒子通常具有非常高的純度。更進(jìn)一步，利用激光熱解所生產(chǎn)的結(jié)晶納米粒子具有高度結(jié)晶特性。利用將粒子加熱至燒結(jié)溫度(sintering temperature)之下，如此可去除粒子表面上的特定雜質(zhì)，達(dá)到不僅高結(jié)晶度而且還有高純度。
當(dāng)直接在基板表面上收集粒子時(shí)，可調(diào)整基板到反應(yīng)區(qū)的距離以及基板溫度，來(lái)控制基板表面上的沉積特性。表面上的粒子形成粒子陣列，粒子陣列可為隨機(jī)堆疊在表面上的獨(dú)立初級(jí)粒子形式。初級(jí)粒子陣列只利用相鄰和相近的粒子間的電磁力結(jié)合在一起。在一些實(shí)施方案內(nèi)，最好在初級(jí)粒子之間形成具有一定難硬熔融程度的粒子陣列。通過(guò)使基板靠近反應(yīng)區(qū)可達(dá)成初級(jí)粒子間的熔融，從而當(dāng)粒子撞擊基板表面和/或加熱基板時(shí)，粒子就不會(huì)完全猝滅。即使難硬熔融初級(jí)粒子，但由于初級(jí)粒子的納米大小，即是亞微米大小，所以最終粒子陣列還是能維持初級(jí)粒子的特性。更具體地，由掃描電子顯微圖片中可看見(jiàn)初級(jí)粒子。此外，熔融粒子間的通道會(huì)反應(yīng)出周?chē)廴诹Ｗ拥募{米大小，例如利用納米直徑通道延伸到粉末陣列。如此，初級(jí)粒子的納米特性就會(huì)建立在由納米大小初級(jí)粒子所形成的粉末陣列中。
由于納米粒子尺寸小理論上能密集堆疊，并因?yàn)榱Ｗ娱g的靜電力，所以粒子傾向于作為松散陣列涂層表面。粉末陣列的相對(duì)或表面密度取決于粒子大小、粒子組成與沉積情況，這會(huì)影響到粒子熔融以及粒子與表面間的作用力。相對(duì)密度是相對(duì)于相同組成的完全致密材料來(lái)評(píng)估的。通常，由納米粒子形成的粉末陣列相對(duì)密度范圍小于約0.6，在其他實(shí)施方案內(nèi)在約從0.02到約0.55范圍內(nèi)，以及在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)在約0.05到約0.4范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
為了獲得特定目的，涂層的特性可隨粉末層的組成以及基板上材料的位置而變。通常，若要形成光學(xué)裝置，可將均勻的光學(xué)材料放置在基板上的特定位置上。此外，可用可控制的方法沉積多粒子層，形成具有不同組成和/或光學(xué)特性的層。類(lèi)似地，涂層可制作成均勻的厚度，或基板不同的部分可涂層不同的粒子厚度。例如利用改變相對(duì)粒子噴嘴的基板掃過(guò)速度(sweep speed)，多次掃過(guò)接受厚粒子涂層的基板部分或例如使用掩膜在層上形成圖案，可供應(yīng)不同的厚度。上面已說(shuō)明用于粒子選擇沉積的方法。
因此，如此處說(shuō)明的材料層可包含不同于其他層的平面結(jié)構(gòu)的特定層。因此，一些層可覆蓋整個(gè)基板表面或其大部分，而其他層則覆蓋基板表面上較小的部分。在此方法中，該層可形成一或多個(gè)局部裝置(localizeddevice)。在沿著平面基板的特定點(diǎn)上，結(jié)構(gòu)的剖面圖可顯示出與表面其他點(diǎn)上不同數(shù)量的可辨認(rèn)的層。通常，對(duì)于光學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，粒子涂層厚度在小于約500微米范圍內(nèi)，在其他實(shí)施方案內(nèi)在小于約250微米的范圍內(nèi)，在其他實(shí)施方案內(nèi)在從約50納米到約100微米的范圍內(nèi)，并且在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)在從約100納米到約50微米的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍與次范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
粉末陣列摻雜在沉積期間通過(guò)適當(dāng)將摻雜物/添加物導(dǎo)入粒子生產(chǎn)的反應(yīng)物流中就可摻雜材料，另外或此外，粉末陣列可在形成之后摻雜。由于并入粉末陣列的初級(jí)粒子具有納米大小，所以粉末陣列具有較大的表面積可在后續(xù)固化過(guò)程中幫助摻雜物/添加物并入主體材料內(nèi)。摻雜物/添加物可供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)或從反應(yīng)/涂層室去除的粉末陣列，若摻雜物/添加物在涂層表面從反應(yīng)室內(nèi)去除之后供應(yīng)到粉末陣列，則摻雜物/添加物可直接或利用電子遷移沉積供應(yīng)到粉末陣列。在這些沉積方法內(nèi)，在開(kāi)始摻雜處理之前粉末陣列可部分固化以穩(wěn)固陣列，通常不用去除陣列的所有納米結(jié)構(gòu)特性。
通常，將摻雜物/添加物作為包含所要摻雜物/添加物的組合物來(lái)供應(yīng)。摻雜物/添加物組成內(nèi)任何剩余的元素通常都會(huì)在固化過(guò)程期間蒸發(fā)。例如，在固化時(shí)金屬/準(zhǔn)金屬硝酸鹽可讓金屬/準(zhǔn)金屬元素并入主體材料作為摻雜物/添加物，并且去除氮的氧化物(nitrogen oxide)以去除摻雜物/添加物組成的反離子。摻雜物/添加物組成可供應(yīng)到粉末陣列作為溶液、氣溶膠和/或粉末。通常，使用溶液有助于溶液流過(guò)并流入粉末陣列，將摻雜物/添加物均勻?yàn)⒃诜勰╆嚵袃?nèi)。通過(guò)使用可適當(dāng)潤(rùn)濕粉末陣列的液體量，可選擇溶液的濃度，這有助于摻雜物/添加物在所選的摻雜物/添加物程度上更均勻的分布。表面活化劑和/或溶劑的選擇可用來(lái)降低表面張力，并且有助于摻雜物/添加物的分布。溶劑可在粉末陣列固化期間或之前蒸發(fā)。在固化步驟期間，可選擇任何表面活化劑蒸發(fā)。
反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)可用來(lái)將摻雜物/添加物供應(yīng)給反應(yīng)室內(nèi)的粉末陣列，更具體地，通過(guò)反應(yīng)物進(jìn)口噴灑摻雜物/添加物組成就可在涂層裝置內(nèi)供應(yīng)摻雜物/添加物，從而摻雜物/添加物組成可供應(yīng)至所有或選擇的基板部分。可使用氣溶膠供應(yīng)系統(tǒng)供應(yīng)作為氣溶膠的摻雜物/添加物組成。在摻雜物/添加物組成噴灑期間，可關(guān)閉或調(diào)整輻射束至非常低的功率來(lái)蒸發(fā)部分溶劑，但不會(huì)與摻雜物/添加物組成發(fā)生反應(yīng)?？尚薷纳鲜龅姆磻?yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)以用于供應(yīng)未反應(yīng)的摻雜物/添加物組成。例如以恒定速度使基板掃過(guò)摻雜物/添加物流，從而涂層方法可用于在粉末陣列上供應(yīng)基本上均勻的涂層。
另外，摻雜物/添加物可在從反應(yīng)/涂層室去除粉末陣列之后供應(yīng)給粉末陣列。例如利用噴灑、涂刷、浸泡等方法，將摻雜物/添加物，通常作為組合物，以液體、氣溶膠和/或粉末的形式供應(yīng)到粉末陣列。就反應(yīng)室內(nèi)供應(yīng)的溶液來(lái)說(shuō)，可選擇溶液的濃度與其他特性，以均勻分布固化材料內(nèi)的摻雜物/添加物。粉末陣列的浸涂(dip coating)是一種方便的方法，可在粉末陣列上獲得均勻的摻雜物/添加物分布。
在此并非只允許摻雜物/添加物組成通過(guò)粉末陣列的自然遷移，也可用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)摻雜物/添加物的離子進(jìn)入主體矩陣內(nèi)。特別是，可使用電泳或電子遷移摻雜物/添加物將沉積導(dǎo)入材料內(nèi)。在此方法中，電場(chǎng)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)摻雜物/添加物離子進(jìn)入粉末陣列的主體矩陣內(nèi)。包含主體離子的溶液會(huì)與粉末陣列接觸。通常，電極放置于和粉末陣列反向的基板附近，而極性相反的電極則放置在溶液內(nèi)。若需要時(shí)，每種電極都可超過(guò)一個(gè)。若摻雜物/添加物離子為陽(yáng)離子，則陽(yáng)極就放置在溶液內(nèi)并且陰極放置在基板附近。離子就會(huì)受到驅(qū)動(dòng)朝向陰極。因?yàn)榉勰╆嚵形挥陉帢O與溶液之間，所以離子就會(huì)受到驅(qū)動(dòng)而進(jìn)入粉末陣列內(nèi)。
圖23內(nèi)顯示用于進(jìn)行摻雜物/添加物離子電子遷移沉積進(jìn)入粉末陣列的裝置的實(shí)施方案。涂層的基板800包含基板802與粉末陣列804。阻擋裝置(barrier)806用于限定摻雜物/添加物溶液808接觸到粉末陣列804。第一電極810置于基板802附近，而第二電極812則置于溶液808內(nèi)。電極810與812連接到適當(dāng)?shù)碾娫?14，例如電池或連接到線電壓(linear voltage)的可調(diào)式電源供應(yīng)器，在電極之間供應(yīng)電流/電場(chǎng)。
影響電子遷移過(guò)程的參數(shù)包括電流強(qiáng)度、溶液濃度與摻雜時(shí)間，電流可用恒定場(chǎng)或脈沖方法供應(yīng)。可調(diào)整這些參數(shù)以選擇沉積率、粉末陣列內(nèi)的摻雜物/添加物濃度、摻雜物/添加物深度輪廓以及摻雜的均勻性。由于粉末陣列的納米結(jié)構(gòu)，在電子遷移沉積之后預(yù)期到摻雜物/添加物較少聚結(jié)(clustering)。此外，可使用電子遷移沉積多種摻雜物/添加物同時(shí)或依序?qū)敕勰╆嚵袃?nèi)。在此通過(guò)在具有合適所選濃度的溶液內(nèi)包含多種摻雜物/添加物離子，以產(chǎn)生所要的摻雜物/添加物程度，可同時(shí)導(dǎo)入多種摻雜物/添加物。類(lèi)似地，通過(guò)在第一摻雜物/添加物沉積之后改變?nèi)芤海梢佬驅(qū)攵喾N摻雜物/添加物。
通過(guò)使用溶液阻擋裝置(solution barrier)使溶液選擇性地接觸部分粉末陣列，如此摻雜物/添加物就可導(dǎo)入選擇的粉末陣列部分。另外或此外，部分粉末陣列可用掩膜覆蓋，例如傳統(tǒng)用于電子處理中的光阻(resist)，來(lái)阻擋摻雜物/添加物遷移進(jìn)入遮蔽的區(qū)域。請(qǐng)參閱圖24內(nèi)的實(shí)施例，涂層的基板820可接觸用于將摻雜物/添加物溶液限制在部分涂層基板上的阻擋裝置822，更進(jìn)一步，部分涂層基板820會(huì)用掩膜824覆蓋住。在此實(shí)施方案內(nèi)，粉末陣列未遮蔽的部分與摻雜物/添加物溶液接觸而進(jìn)行摻雜。通常在層固化成均勻材料之后選擇掩蔽技術(shù)(masking)來(lái)形成所要的裝置。通過(guò)改變不同摻雜物/添加物電子遷移沉積之間的掩膜，如此可將多種摻雜物/添加物依序供應(yīng)到相同和/或不同，雖然有任選重疊的涂層基板部分。
在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)，包含所要摻雜物/添加物的組合物可分離地在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)，用來(lái)涂層至粉末陣列上。因此，分離的摻雜物/添加物粉末層就可沉積到主體粉末頂端。對(duì)特定實(shí)施例而言，若主體粉末為金屬/準(zhǔn)金屬氧化物，則可在主體粉末陣列頂端上形成作為分離的粉末陣列的摻雜物/添加物金屬/準(zhǔn)金屬氧化物的摻雜物/添加物粉末。固化后，材料熔融成均勻的組合物，該組合物具有在材料中大致均勻的摻雜物/添加物的分布。可選擇摻雜物/添加物粉末的量，以產(chǎn)生所要的摻雜物/添加物程度。可重復(fù)涂層方法以形成所要比例的主體粉末陣列(H)與摻雜物/添加物粉末陣列(D)層，HDHDHD...或者HDHDH...，其中主層總是圍繞摻雜物/添加物層。當(dāng)然，在一些實(shí)施方案內(nèi)在形成單個(gè)主層或摻雜物/添加物層的過(guò)程中，在涂層裝置內(nèi)可運(yùn)用多次涂層，每次處理都使基板掃過(guò)反應(yīng)物/產(chǎn)物流?？蛇x擇其他層的量，以產(chǎn)生所要的總厚度以及摻雜物/添加物分布。更具體地，較薄的主層以及相應(yīng)的摻雜物/添加物層會(huì)導(dǎo)致最終固化材料內(nèi)更均勻的摻雜物/添加物分布。通常，其他層包含至少一個(gè)主層與一個(gè)摻雜物/添加物層，在一些實(shí)施方案內(nèi)為在少于約50個(gè)主層與少于約50個(gè)摻雜物/添加物層的范圍內(nèi)，以及在進(jìn)一步實(shí)施方案內(nèi)在從3個(gè)主層與2個(gè)摻雜物/添加物層到少于約25主層與至少約25個(gè)摻雜物/添加物層的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。
通常，可結(jié)合許多摻雜方法，將一種或多種摻雜物/添加物元素導(dǎo)入粉末陣列或最終固化材料。更具體地，如上所述，在粉末陣列形成期間用于導(dǎo)入摻雜物/添加物的方法，以及在粉末陣列沉積之后導(dǎo)入摻雜物/添加物的方法。例如，運(yùn)用多種技術(shù)可導(dǎo)入特定摻雜物/添加物，以獲得固化材料內(nèi)所要摻雜物/添加物程度和/或摻雜物/添加物的分布。此外，對(duì)于多個(gè)摻雜物/添加物的沉積而言，為了方便處理和/或獲得最終固化材料的所要特性，使用上述一種或多種技術(shù)都可沉積每種摻雜物/添加物。
固化形成光學(xué)材料熱處理可燒結(jié)粒子并導(dǎo)致粒子的壓縮(即是稠化)，來(lái)形成所要的材料，例如光學(xué)材料。這種粒子的燒結(jié)通常稱(chēng)為固化。稠化材料通常是均勻的材料，其通常不具有多孔網(wǎng)絡(luò)，不過(guò)在材料的均勻性方面會(huì)有隨機(jī)的缺陷。若要固化，即稠化光學(xué)材料，可將材料加熱至結(jié)晶材料的熔點(diǎn)以上或非結(jié)晶材料的流動(dòng)溫度(flow temperature)，例如玻璃轉(zhuǎn)變溫度之上并且盡可能高于軟化溫度(softening temperature)(低于該點(diǎn)溫度，玻璃是自支撐的)，以將涂層固化到致密材料內(nèi)。固化可用于在層內(nèi)形成非結(jié)晶、結(jié)晶或多晶相。通常，固化可在層圖案形成之前或之后進(jìn)行。在此可用反應(yīng)器火焰供應(yīng)預(yù)熱處理，減少固化過(guò)程中摻雜物/添加物的遷移，并且部分稠化材料。使用此處說(shuō)明的技術(shù)，可將摻雜玻璃組織成平面光學(xué)裝置。
通常，在一定條件下進(jìn)行加熱來(lái)降低材料的粘性增加流動(dòng)。若要形成粘性液體，將結(jié)晶粒子加熱至熔點(diǎn)上，以及將非晶形粒子加熱至其玻璃轉(zhuǎn)變溫度上。因?yàn)檎承愿?，所以材料通常不?huì)在基板表面上顯著流動(dòng)，不過(guò)可填入小空隙內(nèi)。以較高的溫度處理減少熔體的粘性會(huì)導(dǎo)致基板不必要熔化、層之間組成的遷移或流動(dòng)形成基板上所選的區(qū)域的流動(dòng)?？烧{(diào)整加熱與猝滅時(shí)間，改變固化涂層的特性，例如密度。當(dāng)最終固化材料均勻時(shí)，材料的密度可根據(jù)處理情況稍微改變。此外，熱處理可去除不要的雜質(zhì)和/或改變材料的化學(xué)計(jì)量成分與晶體結(jié)構(gòu)。
在粉末層沉積之后可關(guān)閉前體，如此反應(yīng)物流只包含燃料與反應(yīng)的氧氣源，來(lái)形成沒(méi)有粒子的氣體/蒸氣產(chǎn)物。由燃料與氧氣源反應(yīng)造成的火焰可用來(lái)加熱基板上未摻雜任何材料的涂層基板，當(dāng)摻雜的二氧化硅玻璃完全固化后，這種加熱步驟可降低摻雜物/添加物遷移。在許多層的涂層步驟之間或許多層的沉積之后進(jìn)行火焰加熱(flame heating)步驟，其中每個(gè)涂層具有或不具有與其他層相同的組成。通常，在沉積所要的層數(shù)或材料量之后，將進(jìn)行最終固化熱處理將材料完全固化。在形成具有均勻組成的涂層中，可沉積一層或多層具有相同組成的粒子。在任何固化或部分固化之前，可沉積所有層，例如用火焰，或在用相同成分粒子形成每層或次一層之后進(jìn)行完整或部分固化。在最終固化之后，由均勻組成粒子形成的層會(huì)由于固化過(guò)程中摻雜物/添加物的遷移，材料厚度的變化會(huì)引起摻雜物/添加物濃度的變化。
適合的處理溫度與時(shí)間通常取決于粒子組成，相較于粒子較大的粉末，納米大小的小粒子通?？捎玫蜏睾?或較短的時(shí)間處理，這是因?yàn)橄噍^于大型材料(bulk material)，納米粒子有較低的熔點(diǎn)。不過(guò)，也可使用類(lèi)似熔點(diǎn)的溫度，來(lái)獲得較大的表面光滑度。
對(duì)于二氧化硅納米粒子的處理而言，粒子涂層可加熱至約800℃到1700℃的溫度，不過(guò)以硅基板來(lái)說(shuō)，溫度上限約是1350℃。用適合的陶瓷基板可達(dá)到較高的溫度。因?yàn)槎趸枇Ｗ觾?nèi)的摻雜物/添加物可降低適當(dāng)?shù)墓袒瘻囟?，所以可選擇摻雜物/添加物在較低溫度下流入均勻光學(xué)材料內(nèi)。當(dāng)置入二氧化硅(SiO2)內(nèi)，適合用于降低流動(dòng)溫度的摻雜物/添加物包含硼、磷、鍺、氟、鋁以及這些的組合?？蛇x擇一種或多種摻雜物/添加物的數(shù)量與組成，以產(chǎn)生用于固化的流動(dòng)溫度以及固化光學(xué)材料的折射系數(shù)。
熱處理可在適合的爐子上進(jìn)行，并且最好控制例如壓力和/或氣體組成等爐子內(nèi)的環(huán)境。適合的爐子包括，例如感應(yīng)爐或氣體通過(guò)管子的管爐。熱處理可在從涂層室去除涂層基板之后進(jìn)行。在另一項(xiàng)實(shí)施方案內(nèi)，熱處理可集成到涂層方法中，如此可以以自動(dòng)方法依序在裝置內(nèi)進(jìn)行處理步驟。
對(duì)于許多應(yīng)用而言，最好供應(yīng)具有不同組成的多種粒子涂層。通常，這些多種粒子涂層可配制成彼此相鄰?fù)ㄟ^(guò)所涂層基板的x-y平面(例如垂直于基板相對(duì)于產(chǎn)物流的移動(dòng)方向)，或彼此堆疊在所涂層基板的z平面上，或任何適合的相鄰區(qū)域與堆疊層的組合。每種涂層都可供應(yīng)至所要厚度。
對(duì)于一些實(shí)施方案內(nèi)的光學(xué)應(yīng)用而言，二氧化硅與摻雜的二氧化硅可彼此相鄰和/或在另一層內(nèi)沉積。類(lèi)似地，具有不同摻雜物/添加物的不同的二氧化硅層可沉積在其他層內(nèi)。特別是，具有不同組成的兩個(gè)層可彼此堆疊沉積，并且此外或另外，一個(gè)接著一個(gè)，例如A層與B層形成AB層。在其他實(shí)施方案內(nèi)，沉積超過(guò)兩個(gè)以上不同組成的層，例如A層、B層與C層沉積成依序的(例如彼此堆疊、或彼此相鄰或相鄰與堆疊)ABC層。類(lèi)似地，可形成具有不同組成的交替層順序，例如ABABAB...或ABCABCABC...。也可依照需求形成其他層的組合。
每個(gè)都有特定組成的單個(gè)均勻?qū)油ǔＴ诠袒缶哂性谛∮诩s100微米范圍的平均厚度，在許多實(shí)施方案內(nèi)從約0.1微米到約50微米的范圍，在其他實(shí)施方案內(nèi)從約0.2微米到約20微米的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。以相同組成粒子所形成的每個(gè)均勻?qū)佣伎山?jīng)過(guò)光反應(yīng)沉積裝置內(nèi)產(chǎn)物流的一次或多次處理所形成，在此將測(cè)量垂直于其結(jié)構(gòu)具有最大表面積的投射面的厚度。
具有多種粒子涂層的材料可在每層沉積之后，或在多層沉積或者兩種方法的組合之后進(jìn)行熱處理。最佳處理順序通常取決于材料的熔點(diǎn)，不過(guò)通常，最好同時(shí)對(duì)許多層進(jìn)行熱處理與固化。特別是，同時(shí)固化多層可減少制造處理的時(shí)間與復(fù)雜度，因此降低制造成本。若加熱溫度屬于合理值，熔化的材料仍舊有足夠的粘性，因而在界面上所述層不會(huì)融入不要的量。稍微融合該層通常不會(huì)影響性能。通過(guò)改變反應(yīng)條件，例如前體流或總氣流，可在單層內(nèi)或?qū)又g的z方向上沉積具有粒子大小變化的粒子。因此，較小的粒子就可沉積在較大粒子的頂端上。因?yàn)檩^小的粒子在較低的溫度就已經(jīng)軟化，所以在固化步驟期間，上層的固化就很少有可能傷害到下層。若要在沉積之后形成有圖案的結(jié)構(gòu)，可使用圖案形成方法，例如石印術(shù)(lithography)與光刻法以及蝕刻，例如化學(xué)蝕刻、干式蝕刻或輻射蝕刻，在一層或多層內(nèi)形成所要的圖案。通常在其他材料沉積之前，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行此圖案形成。圖案形成可在粒子層或固化層上進(jìn)行。
光學(xué)結(jié)構(gòu)如同上述，粒子與固化材料可有許多種應(yīng)用，包含例如光學(xué)應(yīng)用。更具體地，固化后形成的均勻材料可用來(lái)形成光學(xué)裝置，例如光纖預(yù)型(fibrepreform)與平面光學(xué)結(jié)構(gòu)。此處所說(shuō)明的改進(jìn)材料可有利地并入多種所要的光學(xué)裝置內(nèi)，而這些裝置可并入集成光學(xué)與光電結(jié)構(gòu)內(nèi)。更具體地，一些摻雜物/添加物可導(dǎo)入所要的功能特性，而其他摻雜物/添加物則改進(jìn)形成具有復(fù)數(shù)層和/或其他特征的結(jié)構(gòu)的處理。上述方法可用來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的沉積，該結(jié)構(gòu)在選擇的部分內(nèi)有選擇的成分和/或摻雜物/添加物。
對(duì)于潛在有處理改進(jìn)的實(shí)施例而言，通常形成的層結(jié)構(gòu)具有遠(yuǎn)離較低流體溫度的基板的層，如此上層固化就不會(huì)再度熔化下層，或者若一起固化，就不會(huì)過(guò)度降低下層的粘性使得材料的流動(dòng)超出預(yù)期。具有改變主體與任何摻雜物/添加物材料組成的較大能力，提供了相應(yīng)的選擇所要流動(dòng)溫度來(lái)處理層結(jié)構(gòu)的能力。就特定實(shí)施例而言，圖25內(nèi)顯示層結(jié)構(gòu)。光學(xué)結(jié)構(gòu)850具有位于基板858上的光學(xué)層852、854、856。頂層856包含氟摻雜物/添加物以降低材料的流動(dòng)溫度，上面已詳細(xì)說(shuō)明過(guò)氟摻雜物/添加物。如果適當(dāng)改變其他主體和/或摻雜物/添加物組成來(lái)調(diào)整處理溫度，則層854，可能與層852，也可任選地包含氟摻雜物/添加物。此外，當(dāng)形成建造在基板上的單個(gè)結(jié)構(gòu)，通常會(huì)將不同材料供應(yīng)給彼此相連的層。不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。在處理期間，通常加熱結(jié)構(gòu)，然后冷卻來(lái)固化材料。所以可選擇具有相容熱膨脹系數(shù)的主體與摻雜物/添加物組成，減少應(yīng)力與任何相應(yīng)的光學(xué)畸變(optical distortion)。
通常，通過(guò)光纖與平面光學(xué)裝置的光路徑會(huì)取自波導(dǎo)的形狀，波導(dǎo)就是由折射系數(shù)較低的外鞘所包圍折射系數(shù)較低的材料。就代表實(shí)施例而言，圖26與27內(nèi)示意顯示基板上的光回路。如圖26內(nèi)所示，光回路870包含位于基板878上的光學(xué)裝置872、874、876。圖27內(nèi)顯示包含光學(xué)裝置876的截面圖，光學(xué)裝置876包含下覆鞘(undercladding)光學(xué)材料882、核心光學(xué)材料884以及上覆鞘光學(xué)材料886。通常，核心光學(xué)材料884在任何光學(xué)特性方面都不同于下覆鞘光學(xué)材料882與上覆鞘光學(xué)材料886，例如折射系數(shù)，這可能是組成不同、密度不同或晶體結(jié)構(gòu)不同所造成。下覆鞘光學(xué)材料882在組成和/或光學(xué)特性方面可和上覆鞘光學(xué)材料886相同或不同，上覆鞘光學(xué)材料886通常沿著兩層放置，一層共享核心光學(xué)材料而另一個(gè)是重疊層。
基板878可由硅所形成，常見(jiàn)的基板為圓形晶片，不過(guò)也可使用方形或其他形狀的基板。對(duì)于預(yù)型的形成而言，最好將基板一方極度延長(zhǎng)，縱橫比范圍可從約1∶5到約1∶50，或在其他實(shí)施方案內(nèi)從約1∶10到約1∶25。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，這些特定范圍內(nèi)的其他范圍是可預(yù)期的，并且涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。類(lèi)似地，預(yù)型最好具有當(dāng)加入其他涂層時(shí)，尺寸改變的涂層，如此最終結(jié)構(gòu)就不必須是方形從而有助于從預(yù)型中拉出光纖。
適合的光學(xué)裝置包含光波導(dǎo)裝置，例如光耦合器、分流器(splitter)、陣列式波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating，AWG)等。在基板表面上制造的波導(dǎo)稱(chēng)之為平面波導(dǎo)，平面波導(dǎo)對(duì)于光通訊與其他光電應(yīng)用的集成光回路的生產(chǎn)非常有用。其他相關(guān)光學(xué)裝置包含，例如立體光儲(chǔ)存裝置、Bragg光柵、光衰減器、光分流器/耦合器、濾光器、光交換器(optical switch)、激光、調(diào)節(jié)器、互連器(interconnect)、光絕緣器、光波分插復(fù)用器(opticaladd-drop multiplexer，OADM)、光放大器、光極化器、光學(xué)循環(huán)器(opticalcirculator)、移相器(phase shifter)、光學(xué)鏡/反射器、光相位阻礙器(opticalphase retarder)與光輻射探測(cè)器(optical detector)。
稀土族摻雜玻璃特別適合用于形成光學(xué)放大器，利用耦合至光學(xué)材料的跳動(dòng)式光信號(hào)可激發(fā)放大器材料，跳動(dòng)的光線激發(fā)稀土族摻雜材料。通過(guò)低頻上的光學(xué)材料的光輸入，然后由激發(fā)發(fā)射(stimulated emission)來(lái)放大跳動(dòng)信號(hào)。因此，使用來(lái)自跳動(dòng)光線的能量放大輸入光信號(hào)。Cr+4離子也可用來(lái)形成光放大器。此外，稀土族離子可用來(lái)作為泵唧感光劑(sensitizer)改進(jìn)泵唧效率，或提供稀土族發(fā)射器其他泵唧頻帶(pumping band)，例如Yb+3可為Er+3的感光劑，并且Ho+3可改進(jìn)Tm+3發(fā)射器的泵唧頻帶。
圖28內(nèi)顯示代表性放大器結(jié)構(gòu)的截面圖。下覆鞘層890位于基板892上。核心層894包含在波導(dǎo)898、900之間沿光通道的放大器材料896。泵唧波導(dǎo)902以光學(xué)方法連接到放大器材料896，泵唧波導(dǎo)902由同一層內(nèi)的覆鞘904所圍繞，并連接至泵唧光源。上覆鞘材料906可放置在泵唧波導(dǎo)902上。
形成具有選取主體與摻雜物/添加物的復(fù)雜光的組成的改進(jìn)能力，可用來(lái)將多種功能導(dǎo)入光結(jié)構(gòu)的一種或多種材料內(nèi)。例如，可導(dǎo)入放大能力、UV/可見(jiàn)光感光性和/或順磁性。上面已說(shuō)明過(guò)放大特性。利用Ce+3、Tb+3、Eu+2、Sn+2和/或Ge+4摻雜物/添加物可導(dǎo)入U(xiǎn)V/可見(jiàn)光感光性。更具體地，在將UV/可見(jiàn)光感光材料暴露在高能量光線，例如藍(lán)光或紫外光之后以持續(xù)的方式改變其折射系數(shù)。這些折射系數(shù)變化可用來(lái)形成使用UV/可見(jiàn)光干擾圖案，所導(dǎo)入系數(shù)周期改變的光學(xué)裝置，例如波導(dǎo)與光柵。利用Ce+3、Tb+3、Gd+3、Yb+3和/或Dy+3摻雜物/添加物可導(dǎo)入順磁性效果。順磁性材料具有增強(qiáng)的法拉第效應(yīng)，法拉第效應(yīng)可用于改變光的偏振，從而影響材料的透射與反射特性。更具體地，法拉第效應(yīng)牽涉到平面偏振光(plane-polarized light)的旋轉(zhuǎn)，這提供用于核心波導(dǎo)內(nèi)光的不定向傳播。通過(guò)增強(qiáng)順磁性可增加Verdet常數(shù)幅度與法拉第效應(yīng)，增強(qiáng)的法拉第效應(yīng)可用來(lái)構(gòu)成較小的光學(xué)裝置，例如光旋轉(zhuǎn)器與法拉第絕緣體(Faradayisolator)。
在此將以共同審查并共同轉(zhuǎn)讓的PCT申請(qǐng)，由Bryan等人所提出標(biāo)題為“Multilayered Optical Structures”的美國(guó)申請(qǐng)PCT/01/45762以及由Bi等人所提出標(biāo)題為“Three Dimensional Engineering Of Optical Structures”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/027,096引入作為參考，進(jìn)一步說(shuō)明包含集成平面光學(xué)結(jié)構(gòu)的光纖預(yù)型與平面光學(xué)結(jié)構(gòu)的層結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例實(shí)施例1-鉺摻雜二氧化硅玻璃此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用光反應(yīng)沉積與固化，具有包含礬土與氧化鈉玻璃形成物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，然后開(kāi)始?xì)馊苣z流。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片移至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約20分鐘。
在異丙醇(530克，純度99.5％)/水(250克)溶劑混合液內(nèi)，結(jié)合66克(g)四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、25.6克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、9.5克硝酸鈉(NaNO3，純度99％)以及1.9克硝酸鉺(Er(NO3)3·5H2O，純度99.99％)形成溶液。溶液的氣溶膠由氬氣、乙烯與氧分子氣體載入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。C2H4氣體用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表1內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表1
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。在此使用連接到用于顯微檢查的Hitachi S-3000H掃描電子顯微鏡的能量分散X光分析儀(Energy dispersive X-Ray analysis)(EDXA，Oxford Instruments Mode 7021)來(lái)測(cè)量涂層的化學(xué)組成。使用20kV加速電壓以及以約85mA電流運(yùn)作的W極絲的EDXA掃描需要500X放大倍率。相互作用體積(interaction volume)估計(jì)具有約2微米的直徑，在涂層表面上進(jìn)行EDXA掃描。粉末陣列具有下列由EDXA所測(cè)量的組成O-49.1重量百分比(wt％)、Si-31.7wt％、Na-9.9wt％、Al-5.1wt％、Er2.4wt％以及雜質(zhì)(C、H、N等)總共2.2wt％。
在馬弗爐(Neytech，Model Centurion Qex)內(nèi)加熱涂層晶片，晶片首先在氧氣環(huán)境內(nèi)加熱到650℃，以去除碳污染物，然后在氦氣環(huán)境內(nèi)加熱至975℃完成玻璃固化。連同加熱與冷卻情況，熱處理概括于表2內(nèi)。
表2
sccm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米晶片在從爐子中取出后，在其表面上有一層干凈的玻璃。該固化的玻璃具有從約4微米到6微米的厚度。該固化的玻璃由EDXA分析后具有下列組成O-50.2wt％、Si-34.1wt％、Na-10.5wt％、Al-3.7wt％、Er-1.5wt％以及總共0.1wt％的雜質(zhì)。
使用980nm激光二極體(SDL8630)、TRIAX-320單色器(Jobin-Yvon)以及雙色TE冷卻式Si/InGaAs探測(cè)器(Jobin-Yvon，DSS-SIGA020A)進(jìn)行鉺的光譜研究。泵唧光束聚焦在玻璃表面上，并且使用集合鏡將螢光聚焦到探測(cè)器內(nèi)，使用0.2mm細(xì)縫進(jìn)行熒光(PL)測(cè)量，使用峰值歸一化數(shù)據(jù)，用于比較并確定半最大值全波(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)。圖29內(nèi)顯示PL光譜。通過(guò)將單色器設(shè)定到PL峰值，將細(xì)縫增加到2mm并且以1Hz50微秒脈沖用300mW的功率操作激光二極體，來(lái)進(jìn)行鉺激發(fā)狀態(tài)壽命的測(cè)量。在此運(yùn)用Tektronix TDS220數(shù)字示波器測(cè)量螢光衰減程度。圖30內(nèi)顯示歸一化的入射強(qiáng)度的熒光衰減與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系的圖，從圖30內(nèi)的斜率可獲得4.8ms的壽命值。在此將以跨周進(jìn)行的許多試樣測(cè)量來(lái)確認(rèn)測(cè)量的可重復(fù)性。
實(shí)施例2-在氯氣環(huán)境內(nèi)加熱涂層的晶片此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用光反應(yīng)沉積、氧與氯混合氣體內(nèi)的熱處理與固化，具有包含礬土與氧化納玻璃形成物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，然后開(kāi)始?xì)馊苣z流。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片移至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約20分鐘。
在異丙醇(524克，純度99.5％)/水(250克)溶劑混合液內(nèi)，結(jié)合74克(g)四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、29.9克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、5.2克硝酸鈉(NaNO3，純度99％)以及1.6克硝酸鉺(Er(NO3)3·5H2O，純度99.99％)形成溶液。溶液的氣溶膠由氬氣、乙烯與氧分子氣體載入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。C2H4氣體用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表3內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表3
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。在此使用連接到用于顯微檢查的Hitachi S-3000H掃描電子顯微鏡的能量分散X光分析儀(EDXA，Oxford Instruments Mode 7021)來(lái)測(cè)量涂層的化學(xué)組成，使用20kV加速電壓以及以約85mA電流運(yùn)作的W極絲的EDXA掃描需要500X放大倍率。相互作用體積估計(jì)具有約2微米的直徑，在涂層表面上進(jìn)行EDXA掃描。粉末陣列具有下列由EDXA所測(cè)量的組成O-51.6wt％、Si-35.4wt％、Na-4.2wt％、Al-5.8wt％、Er-1.9wt％以及雜質(zhì)(C、H、N等)總共1.0wt％。
在管爐(Lindburg，Mode Blue M)內(nèi)加熱涂層晶片，晶片首先在氧氣-氯氣(O2+Cl2)環(huán)境內(nèi)加熱到450℃，以去除碳與氫(OH)污染物，然后以450℃在氮?dú)鈨?nèi)凈化，然后在氦氣環(huán)境內(nèi)加熱至975℃完成玻璃固化。若在最終固化之前停止熱處理，則涂層就會(huì)含有約3-5wt％氯。連同加熱與冷卻情況，熱處理概括于表4內(nèi)。
表4
晶片在從爐子中取出后，在其表面上有一層干凈的玻璃。該固化的玻璃具有從約4微米到6微米的厚度。該固化的玻璃由EDXA分析后具有下列組成O-52.8wt％、Si-35.6wt％、Na-3.7wt％、Al-6.2wt％、Er-1.7wt％以及總共0.0wt％的雜質(zhì)。
使用980nm激光二極體(SDL8630)、TRIAX-320單色器(Jobin-Yvon)以及雙色TE冷卻式Si/InGaAs探測(cè)器(Jobin-Yvon，DSS-SIGA020A)進(jìn)行鉺的光譜研究。泵唧光束聚焦在玻璃表面上，并且使用集合鏡將螢光聚焦到探測(cè)器內(nèi)，使用0.2mm細(xì)縫進(jìn)行熒光(PL)測(cè)量，使用峰值歸一化數(shù)據(jù)，用于比較并確定半最大值全波(FWHM)。圖31內(nèi)顯示PL光譜。通過(guò)將單色器設(shè)定到PL峰值，將細(xì)縫增加到2mm并且以1Hz 50微秒脈沖用300mW的功率操作激光二極體，來(lái)進(jìn)行鉺激發(fā)狀態(tài)壽命的測(cè)量。在此運(yùn)用TektronixTDS220數(shù)字示波器測(cè)量螢光衰減程度。圖32內(nèi)顯示歸一化的入射強(qiáng)度的熒光衰減與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系的圖，從圖32內(nèi)的斜率可獲得9.9ms的壽命值。
實(shí)施例3-導(dǎo)入含氯前體此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用光反應(yīng)沉積、在氧氣環(huán)境內(nèi)的熱處理與在惰性氣體內(nèi)的固化，具有包含礬土與氧化鈉玻璃形成物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。此實(shí)施例內(nèi)使用的前體包含氯離子，在此說(shuō)明八種不同的反應(yīng)條件。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，然后開(kāi)始?xì)馊苣z流。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片移至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約30分鐘。
在此使用八種不同的前體溶液，每種均包含異丙醇/水溶劑混合液內(nèi)的四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、氯化鋁(AlCl3)、氯化鈉(NaCl)以及氯化鉺(ErCl3·6H2O)。每種反應(yīng)物的量都呈現(xiàn)在表5內(nèi)。
表5
溶液的氣溶膠由氬氣、乙烯與氧分子氣體載入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。C2H4氣體用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表6內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表6
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。在此使用連接到用于顯微檢查的Hitachi S-3000H掃描電子顯微鏡的能量分散X光分析儀(EDXA，Oxford Instruments Mode 7021)來(lái)測(cè)量涂層的化學(xué)組成。使用20kV加速電壓以及以約85mA電流運(yùn)作的W極絲的EDXA掃描需要500X放大倍率。相互作用體積估計(jì)具有約2微米的直徑，EDXA掃描會(huì)在涂層表面上進(jìn)行。利用EDXA測(cè)量用于表5與6內(nèi)八種實(shí)施方案的粉末陣列顯示于表7內(nèi)。
表7
在馬弗爐(Neytech，Model Centurion Qex)內(nèi)加熱涂層晶片，晶片首先在氧氣環(huán)境內(nèi)加熱到450℃，以去除碳污染物，然后在氦氣環(huán)境內(nèi)加熱至Tmax完成玻璃固化。Tmax在試樣1、3、5與7內(nèi)為1100℃，在試樣2、4、6與8內(nèi)則為1200℃。連同加熱與冷卻情況，熱處理概括于表8內(nèi)。
表8
晶片在從爐子中取出后，在其表面上有一層干凈的玻璃。該固化的玻璃具有從約4微米到6微米的厚度。該固化的玻璃由EDXA分析后具有表9內(nèi)指示的組成。
表9
圖33內(nèi)顯示材料的代表性組成說(shuō)明。因?yàn)樾盘?hào)在核心下覆鞘界面的1微米內(nèi)下降到零強(qiáng)度，所以Na與Al較好地限制在核心內(nèi)。根據(jù)表9的結(jié)果，在此可看出，根據(jù)供應(yīng)到光反應(yīng)沉積室內(nèi)鈉與鋁離子的相對(duì)數(shù)量可選擇玻璃內(nèi)鈉與鋁的含量。圖34內(nèi)顯示玻璃內(nèi)鈉和鋁含量與氣溶膠溶液內(nèi)鋁和鈉摩爾比的關(guān)系圖。
實(shí)施例4-無(wú)乙烯的粉末合成此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用光反應(yīng)沉積與固化，具有包含礬土與氧化鈉玻璃形成物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。此實(shí)施例的反應(yīng)物流內(nèi)并不含乙烯。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，一旦獲得穩(wěn)定的氧氣/乙烯焰，則導(dǎo)入液體前體。增加O2流量以獲得穩(wěn)定的處理火焰。然后，逐漸減少C2H4流量到0，并且減少O2流到進(jìn)行所需的最低值。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片移至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約20分鐘。在進(jìn)行過(guò)程中，火焰速度低于乙烯存在時(shí)的火焰速度。這造成對(duì)氧氣流量變化較不敏感并且更穩(wěn)定的火焰。
在異丙醇(535克，純度99.5％)/水(250克)溶劑混合液內(nèi)，結(jié)合64克(g)四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、28.6克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、3.6克硝酸鈉(NaNO3，純度99％)以及1.5克硝酸鉺(Er(NO3)3·5H2O，純度99.99％)形成溶液。溶液的氣溶膠由氬氣與氧分子氣體進(jìn)入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。異丙烷用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表10內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表10
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。在此使用連接到用于顯微檢查的Hitachi S-3000H掃描電子顯微鏡的能量分散X光分析儀(EDXA，Oxford Instruments Mode7021)來(lái)測(cè)量涂層的化學(xué)組成，使用20kV加速電壓以及以約85mA電流運(yùn)作的W極絲的EDXA掃描需要500X放大倍率。相互作用體積估計(jì)具有約2微米的直徑，在涂層表面上進(jìn)行EDXA掃描。粉末陣列具有下列由EDXA所測(cè)量的組成O-51.3wt％、Si-36.0wt％、Na-3.1wt％、Al-6.0wt％、Er2.0wt％以及碳1.6wt％。
在馬弗爐(Neytech，Model Centurion Qex)內(nèi)加熱涂層晶片，晶片首先在氧氣環(huán)境內(nèi)加熱到450℃，以去除碳污染物，然后在氦氣環(huán)境內(nèi)加熱至1,100℃完成玻璃固化。連同加熱與冷卻情況，熱處理概括于表11內(nèi)。
表11
晶片在從爐子中取出后，在其表面上有一層干凈的玻璃。該固化的玻璃具有從約4微米到6微米的厚度。該固化的玻璃由EDXA分析后具有下列成分O-51.5wt％、Si-34.9wt％、Na-3.5wt％、Al-6.1wt％、Er-1.8wt％以及碳2.2wt％。
實(shí)施例5-鉺參雜La-Al-Si氧化物粉末陣列此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用光反應(yīng)沉積與固化，具有包含礬土、鑭添加物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。此實(shí)施例的反應(yīng)物流內(nèi)并不含乙烯。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，然后開(kāi)始?xì)馊苣z流。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片輸送至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約20分鐘。
在1323克異丙醇((CH3)2CHOH，純度＞99.5％)內(nèi)，將形成結(jié)合107克(g)四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、46.3克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、32.1克硝酸鑭(La(NO3)3·6H2O，純度99％)以及3.1克硝酸鉺(Er(NO3)3·5H2O，純度99.99％)的溶液。溶液的氣溶膠由氬氣、乙烯與氧分子氣體載入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。乙烯(C2H4)氣體用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表12內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表12
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。而涂層的化學(xué)組成將經(jīng)過(guò)測(cè)量。粉末陣列具有下列由ICP所測(cè)量的組成O-40.9重量百分比(wt％)、Si-25.7wt％、Na-21.8wt％、Al-9.2wt％、Er2.3wt％以及碳0.2wt％。此特定組合物難以固化。
實(shí)施例6-低火焰溫度上的鉺摻雜此實(shí)施例說(shuō)明運(yùn)用低火焰溫度上的光反應(yīng)沉積與固化，具有包含礬土與氧化鈉玻璃形成物以及鉺摻雜物的二氧化硅玻璃的硅基板涂層。
在此利用光反應(yīng)沉積進(jìn)行粒子涂層，其中在反應(yīng)室內(nèi)利用使基板掃過(guò)產(chǎn)物粒子流來(lái)進(jìn)行晶片涂層。該晶片為具有熱氧化物下覆鞘的硅晶片。用于在反應(yīng)流內(nèi)涂層基板/晶片的裝置類(lèi)似于圖20-22內(nèi)顯示的，具有類(lèi)似于圖5內(nèi)示意顯示的裝置的氣溶膠前體供應(yīng)系統(tǒng)的裝置。在此將以靜態(tài)涂層方法進(jìn)行涂層。首先啟動(dòng)氧氣/乙烯焰，然后開(kāi)始?xì)馊苣z流。當(dāng)處理火焰已經(jīng)穩(wěn)定，將晶片輸送至約激光光束上方17英寸的涂層位置上。在此距離，將噴灑出產(chǎn)物粒子流，從而大致均勻地涂層整個(gè)表面，晶片在此氣流中約20分鐘。
在異丙醇(396克，純度99.5％)/水(185克)溶劑混合液內(nèi)，結(jié)合55克(g)四乙氧基硅甲烷(Si(OC2H5)4或TEOS，純度99.9％)、22.5克硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O，純度＞98％)、4.0克硝酸鈉(NaNO3，純度99％)以及1.5克硝酸鉺(Er(NO3)3·5H2O，純度99.99％)形成溶液。溶液的氣溶膠由氬氣、乙烯與氧分子氣體載入反應(yīng)室，氬氣作為稀釋/惰性氣體，與反應(yīng)物流混合，來(lái)調(diào)和反應(yīng)過(guò)程。乙烯(C2H4)氣體用來(lái)作為激光吸收氣體，O2則用來(lái)作為氧氣源。
生產(chǎn)粉末陣列涂層的反應(yīng)條件說(shuō)明于表13內(nèi)。在此將以在氣流內(nèi)位于激光光束上方1英寸的三個(gè)熱電耦來(lái)測(cè)量火焰溫度。
表13
slm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升在涂層過(guò)程完成之后，晶片表面上就具有一層涂層。而涂層的化學(xué)組成將經(jīng)過(guò)測(cè)量。粉末陣列具有下列由ICP所測(cè)量的組成O-51.4重量百分比(wt％)、Si-34.0wt％、Na-4.8wt％、Al-6.6wt％、Er3.1wt％以及碳0.0wt％。
在馬弗爐(Neytech，Model Centurion Qex)內(nèi)加熱涂層晶片，晶片首先在氧氣環(huán)境內(nèi)加熱到450℃，以去除碳污染物，然后在氦氣環(huán)境內(nèi)加熱至1,100℃完成玻璃固化。連同加熱與冷卻情況，熱處理概括于表14內(nèi)。
表14
sccm＝每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米晶片在從爐子中取出后，在其表面上有一層干凈的玻璃。該固化的玻璃具有從約4微米到6微米的厚度。該固化的玻璃由EDXA分析后具有下列成分O-50.0wt％、Si-34.4wt％、Na-5.6wt％、Al-6.8wt％、Er-2.3wt％以及總共0.0wt％的雜質(zhì)。
使用980nm激光二極體(SDL8630)、TRIAX-320單色器(Jobin-Yvon)以及雙色TE冷卻式Si/InGaAs探測(cè)器(Jobin-Yvon，DSS-SIGA020A)進(jìn)行鉺的光譜研究。泵唧光束聚焦在玻璃表面上，并且使用集合鏡將螢光聚焦到探測(cè)器內(nèi)，使用0.2mm細(xì)縫進(jìn)行熒光(PL)測(cè)量，使用峰值歸一化數(shù)據(jù)，用于比較并確定半最大值全波(FWHM)。圖35內(nèi)顯示PL光譜。通過(guò)將單色器設(shè)定到PL峰值，將細(xì)縫增加到2mm并且以1Hz 50微秒脈沖用300mW的功率運(yùn)作激光二極體，來(lái)進(jìn)行鉺激發(fā)狀態(tài)壽命的測(cè)量。在此運(yùn)用TektronixTDS220數(shù)字示波器測(cè)量螢光衰減程度。圖36內(nèi)顯示歸一化的入射強(qiáng)度的熒光衰減與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系的圖，從圖36內(nèi)的斜率可獲得2.1ms的壽命值。
此處所用的術(shù)語(yǔ)“范圍內(nèi)”或“之間”包含在“范圍內(nèi)”或“之間”術(shù)語(yǔ)之后數(shù)值所定義的范圍，并且任何與所有次范圍包含在此范圍內(nèi)，各次范圍都定義成具有此范圍內(nèi)任何值的第一端點(diǎn)，以及此范圍內(nèi)任何大于第一端點(diǎn)值的第二端點(diǎn)。
上述實(shí)施方案旨在說(shuō)明并且不做限制。其他的實(shí)施方案在下面的權(quán)利要求內(nèi)。雖然已通過(guò)參考具體實(shí)施方案來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，在不違背本發(fā)明精神與范圍的前提下可進(jìn)行形式與細(xì)節(jié)方面的修改。此外，此處所用的包含(including)、包括(comprising)與具有(having)等詞具有廣泛不設(shè)限的意義。
權(quán)利要求
1.一種非晶形粒子的集合，包含非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物，該粒子的集合具有小于約500nm的平均初級(jí)粒子直徑。
2.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有小于約250nm的平均直徑。
3.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有小于約100nm的平均直徑。
4.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中相對(duì)于總主體組成與摻雜物/添加物組成含量，粒子包含從約0.01摩爾百分比到約10摩爾百分比的稀土族金屬摻雜物/添加物組成含量。
5.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中相對(duì)于總主體組成與摻雜物/添加物組成含量，粒子包含從約0.025摩爾百分比到約5摩爾百分比的稀土族金屬摻雜物/添加物組成含量。
6.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中相對(duì)于總主體組成與摻雜物/添加物組成含量，粒子包含從約0.1摩爾百分比到約3摩爾百分比的稀土族金屬摻雜物/添加物組成含量。
7.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中金屬/準(zhǔn)金屬主體組成包含選自于由TiO2、SiO2、GeO2、Al2O3、P2O5、B2O3、TeO2與這些組合所構(gòu)成的組的主體氧化物，并且其中相對(duì)于總主體組成與摻雜物/添加物組成含量，該粒子包含至少約40摩爾百分比的主體氧化物。
8.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中主體氧化物包含SiO2。
9.如權(quán)利要求7的非晶形粒子的集合，進(jìn)一步包含選自由Ga、Mg、Sr、Ti、Si、Ge、Al、P、B、Te、Bi、Sb、La、Y、Zr、Pb、Li、Na、K、Ba、Zn、W、Ca及其組合所構(gòu)成的組的非稀土族金屬摻雜物/添加物。
10.如權(quán)利要求9的非晶形粒子的集合，其中相對(duì)于總主體組成與摻雜物/添加物組成含量，粒子包含從約0.05摩爾百分比到約5摩爾百分比的非稀土族金屬摻雜物/添加物組成含量。
11.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中稀土族金屬摻雜物/添加物選自于由Ho、Eu、Ce、Tb、Dy、Er、Yb、Nd、La、Y、Pr、Tm及其組合所構(gòu)成的組。
12.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
13.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑3倍的直徑。
14.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約初級(jí)粒子平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
15.如權(quán)利要求1的非晶形粒子的集合，其中該粒子包含至少五種不同的金屬/準(zhǔn)金屬元素。
16.一種非晶形粒子的集合，包含選自于由B2O3與TeO2所構(gòu)成的組的準(zhǔn)金屬氧化物以及金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物，該粒子的集合具有不超過(guò)約1000nm的平均直徑，其中相對(duì)于粒子的總準(zhǔn)金屬氧化物與摻雜物/添加物組成含量，該粒子包含至少約51摩爾百分比準(zhǔn)金屬氧化物含量。
17.如權(quán)利要求16的非晶形粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
18.如權(quán)利要求16的非晶形粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
19.一種粒子的集合，包含選自于由B2O3與TeO2構(gòu)成的組的準(zhǔn)金屬氧化物，該粒子的集合具有不超過(guò)約250nm的平均直徑。
20.如權(quán)利要求19的粒子的集合，其中該粒子進(jìn)一步金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/氧化物。
21.如權(quán)利要求20的粒子的集合，其中相對(duì)于粒子的總準(zhǔn)金屬氧化物與摻雜物/添加物組成含量，該粒子包含至少約51摩爾百分比的準(zhǔn)金屬氧化物含量。
22.如權(quán)利要求20的粒子的集合，其中該金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/氧化物包含稀土族元素。
23.如權(quán)利要求20的粒子的集合，其中該金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/氧化物包含非稀土族元素。
24.如權(quán)利要求19的粒子的集合，具有不超過(guò)約150nm的平均直徑。
25.如權(quán)利要求19的粒子的集合，具有約3nm到約100nm的平均直徑。
26.如權(quán)利要求19的粒子的集合，其中準(zhǔn)金屬氧化物包含B2O3。
27.如權(quán)利要求19的粒子的集合，其中準(zhǔn)金屬氧化物包含TeO2。
28.如權(quán)利要求19的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
29.如權(quán)利要求19的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
30.一種非晶形粒子的集合，包含GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物，該粒子的集合具有不超過(guò)約500nm的平均直徑。
31.如權(quán)利要求30的非晶形粒子的集合，其中該粒子的集合包含至少約30重量百分比的GeO2。
32.如權(quán)利要求30的非晶形粒子的集合，其中該粒子的集合包含至少約51重量百分比的GeO2。
33.如權(quán)利要求30的非晶形粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
34.如權(quán)利要求30的非晶形粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
35.一種粒子的集合，包含選自于由LiNbO3與LiTaO3構(gòu)成的組的成分，該粒子的集合具有不超過(guò)約500nm的平均直徑。
36.如權(quán)利要求35的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
37.如權(quán)利要求35的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
38.一種粒子的集合，包含選自于由金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物與金屬/準(zhǔn)金屬硒化物所構(gòu)成的組的金屬/準(zhǔn)金屬組成，該粒子的集合具有從約3nm到約500nm的平均直徑。
39.如權(quán)利要求38的粒子的集合，其中粒子的集合包含非晶形粒子。
40.如權(quán)利要求38的粒子的集合，其中粒子的集合包含結(jié)晶粒子。
41.如權(quán)利要求38的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有不超過(guò)約100nm的平均直徑。
42.如權(quán)利要求38的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
43.如權(quán)利要求38的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
44.一種粒子的集合，包含第一金屬/準(zhǔn)金屬、不同于第一金屬/準(zhǔn)金屬的過(guò)渡金屬及其氟摻雜物/添加物，該粒子的集合具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)粒子直徑。
45.如權(quán)利要求44的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
46.如權(quán)利要求44的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
47.一種粒子的集合，包含玻璃成形主體組成、在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的第二摻雜物/添加物，該粒子具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)粒子直徑。
48.如權(quán)利要求47的粒子的集合，其中該第一摻雜物/氧化物包含稀土族金屬。
49.如權(quán)利要求47的粒子的集合，其中該第二摻雜物/氧化物包含Ge。
50.如權(quán)利要求47的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
51.如權(quán)利要求47的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
52.一種粒子的集合，包含玻璃成形主體組成、在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入該粒子的第二摻雜物/添加物。
53.如權(quán)利要求52的粒子的集合，其中該第二摻雜物/氧化物包含Ce或Tb。
54.如權(quán)利要求52的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
55.如權(quán)利要求52的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
56.一種包含氧化物組成的粒子集合，該氧化物組成包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素，該粒子的集合具有不超過(guò)約500nm的平均直徑。
57.如權(quán)利要求56所述的粒子的集合，其中該堿金屬或堿土金屬包含鈉或鈣。
58.如權(quán)利要求56的粒子的集合，其中該第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素包含鋁。
59.如權(quán)利要求56的粒子的集合，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
60.如權(quán)利要求56的粒子的集合，其中初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
61.一種包含具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)粒子直徑的粉末陣列的預(yù)型，該粉末陣列包含至少獨(dú)立選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。
62.如權(quán)利要求61的預(yù)型，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
63.如權(quán)利要求61的預(yù)型，其中該初級(jí)粒子具有粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
64.如權(quán)利要求61的預(yù)型，其中該初級(jí)粒子具有不超過(guò)約250nm的平均初級(jí)粒子直徑。
65.如權(quán)利要求61的預(yù)型，其中該初級(jí)粒子具有不超過(guò)約100nm的平均初級(jí)粒子直徑。
66.如權(quán)利要求61的預(yù)型，其中該粉末陣列包含由熔融初級(jí)粒子形成的通道網(wǎng)絡(luò)。
67.一種生產(chǎn)產(chǎn)物粒子的方法，該粒子包含至少選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及一將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物，以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物，該方法包含在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流，該反應(yīng)物流包含選擇的前體來(lái)產(chǎn)生所要組合物，該反應(yīng)由輻射源所驅(qū)動(dòng)并且位于導(dǎo)致粒子具有所選組成的情況下。
68.如權(quán)利要求67的方法，其中該反應(yīng)物流包含氣溶膠。
69.如權(quán)利要求68的方法，其中該反應(yīng)物流進(jìn)一步包含蒸氣金屬/準(zhǔn)金屬前體。
70.如權(quán)利要求67的方法，其中該反應(yīng)物流包含專(zhuān)門(mén)的蒸氣前體。
71.如權(quán)利要求67的方法，其中該反應(yīng)物流包含蒸氣硅前體以及包含稀土族前體的氣溶膠。
72.如權(quán)利要求67的方法，其中該產(chǎn)物粒子具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)粒子直徑。
73.如權(quán)利要求72的方法，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
74.如權(quán)利要求72的方法，其中該初級(jí)粒子包含粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
75.如權(quán)利要求67的方法，進(jìn)一步包含在收集器內(nèi)收集該粒子。
76.如權(quán)利要求67的方法，進(jìn)一步包含將該粒子涂層到基板表面上。
77.如權(quán)利要求67的方法，其中會(huì)以每小時(shí)至少約25克的速率產(chǎn)生該粒子。
78.一種形成包含粉末陣列的預(yù)型的方法，該粉末陣列包含至少獨(dú)立選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及一將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物，該方法包括在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流，該反應(yīng)物流包含選擇的前體來(lái)產(chǎn)生所要的組合物，該反應(yīng)由輻射源驅(qū)動(dòng)；以及從產(chǎn)物流中將產(chǎn)物粒子涂層到至少部分基板表面上。
79.如權(quán)利要求78的方法，其中每小時(shí)至少約10克的粒子會(huì)沉積到該基板表面上。
80.一種生產(chǎn)產(chǎn)物粒子的方法，該粒子包含選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物，該方法包含反應(yīng)反應(yīng)物，以每小時(shí)至少約25克的速率產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。
81.如權(quán)利要求80的方法，其中以每小時(shí)至少約100克的速率產(chǎn)生該產(chǎn)物粒子。
82.一種形成包含粉末陣列的預(yù)型的方法，該粉末陣列由多種產(chǎn)物粒子所形成，每種產(chǎn)物粒子包含選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物、金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與該第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物，該方法包含以每小時(shí)至少約10克的速率將粒子涂層到基板表面上。
83.如權(quán)利要求82的方法，進(jìn)一步包含反應(yīng)反應(yīng)物來(lái)產(chǎn)生該粒子。
84.如權(quán)利要求82的方法，其中相對(duì)于該粒子流而移動(dòng)該基板表面，以將該粒子沉積在該基板表面。
85.如權(quán)利要求82的方法，其中該基板表面相對(duì)于該粒子流靜止，將該粒子沉積在與該粒子流接觸的表面部分上。
86.如權(quán)利要求82的方法，其中在不超過(guò)25秒的時(shí)間內(nèi)基本在整個(gè)基板表面上涂層約10微米的厚度。
87.如權(quán)利要求82的方法，其中在不超過(guò)10秒的時(shí)間內(nèi)基本在整個(gè)基板表面上涂層約10微米的厚度。
88.一種用于生產(chǎn)摻雜玻璃層的方法，該方法包含將溶液供應(yīng)給粉末陣列，該溶液包含包含至少一金屬/準(zhǔn)金屬元素的第一金屬/準(zhǔn)金屬組成以及可溶解該第一金屬/準(zhǔn)金屬組成的溶劑(，并且該粉末陣列包含可有效溶解在該溶劑內(nèi)的第二金屬/準(zhǔn)金屬組成，并且該粉末陣列具有不超過(guò)約500nm的平均初級(jí)粒子直徑；及加熱具有供應(yīng)的溶液的粉末陣列至其流動(dòng)溫度之上，以產(chǎn)生基本上固化的材料，其中該固化材料包含該第二金屬/準(zhǔn)金屬組成并結(jié)合至少一種金屬/準(zhǔn)金屬元素。
89.如權(quán)利要求88的方法，其中該第一金屬/準(zhǔn)金屬組成包含至少兩種金屬/準(zhǔn)金屬元素，并且其中在加熱該粉末陣列之后，該基本上固化的材料包含該第二金屬/準(zhǔn)金屬組成，并結(jié)合至少兩種金屬/準(zhǔn)金屬元素。
90.如權(quán)利要求88的方法，其中該至少金屬/準(zhǔn)金屬元素包含稀土族金屬或增強(qiáng)螢光性或順磁性的金屬/準(zhǔn)金屬。
91.如權(quán)利要求88的方法，進(jìn)一步包含在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流，該反應(yīng)物流包含用于該第一金屬/準(zhǔn)金屬組成的金屬/準(zhǔn)金屬前體，該反應(yīng)由輻射源驅(qū)動(dòng)并且在導(dǎo)致形成產(chǎn)物粒子的情況下；以及將至少部分產(chǎn)物粒子沉積到基板上來(lái)形成該粉末陣列。
92.如權(quán)利要求91的方法，其中該反應(yīng)物流進(jìn)一步包含稀土族金屬前體或Gd前體。
93.如權(quán)利要求91的方法，其中從至少一個(gè)反應(yīng)物噴嘴形成該反應(yīng)物流。
94.如權(quán)利要求93的方法，其中該溶液通過(guò)該反應(yīng)物噴嘴供應(yīng)。
95.如權(quán)利要求91的方法，其中該溶液的供應(yīng)包含將該粉末陣列浸泡在該溶液內(nèi)。
96.一種生產(chǎn)包含多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的產(chǎn)物組合物的方法，該方法包含用噴嘴產(chǎn)生流動(dòng)的反應(yīng)物流，該噴嘴連接到設(shè)計(jì)用來(lái)提供包含一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的氣溶膠的氣溶膠產(chǎn)生器以及連接到設(shè)計(jì)用來(lái)供應(yīng)包含一種或多種金屬/準(zhǔn)金屬元素的蒸氣/氣體的蒸氣/氣體來(lái)源；以及反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流，以產(chǎn)生該產(chǎn)物組合物。
97.如權(quán)利要求96的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用與該反應(yīng)物流匯合的輻射束驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。
98.如權(quán)利要求96的方法，其中該氣溶膠產(chǎn)生器設(shè)計(jì)成供應(yīng)氣溶膠給第一通道，并且該蒸氣/氣體源設(shè)計(jì)成供應(yīng)該蒸氣/氣體給第二通道，其中該氣溶膠與該蒸氣/氣體會(huì)在供應(yīng)之后混合。
99.如權(quán)利要求98的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用與該反應(yīng)物流匯合的輻射束驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，并且其中該氣溶膠與蒸氣會(huì)在與該輻射束匯合之前混合。
100.如權(quán)利要求98的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用與該反應(yīng)物流匯合的輻射束驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，并且其中該氣溶膠與蒸氣會(huì)在與該輻射束匯合時(shí)混合。
101.如權(quán)利要求98的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用與該反應(yīng)物流匯合的輻射束驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，并且其中該氣溶膠與蒸氣會(huì)在該蒸氣/氣體與該輻射束匯合之后混合。
102.如權(quán)利要求96的方法，其中來(lái)自該蒸氣/氣體源的該金屬/準(zhǔn)金屬不同于來(lái)自該氣溶膠產(chǎn)生器的該金屬/準(zhǔn)金屬。
103.如權(quán)利要求96的方法，其中該產(chǎn)物組合物包含選自于由非稀土族金屬/準(zhǔn)金屬主體組成以及稀土族金屬摻雜物/添加物、B2O3、TeO2、GeO2與金屬/準(zhǔn)金屬摻雜物/添加物、LiNbO3、LiTaO3、金屬/準(zhǔn)金屬砷化物、金屬/準(zhǔn)金屬碲化物金屬/準(zhǔn)金屬鈣化物、、金屬/準(zhǔn)金屬磷化物、金屬/準(zhǔn)金屬硒化物、第一金屬/準(zhǔn)金屬，與第一金屬/準(zhǔn)金屬不同的過(guò)渡金屬及其氟、氯、碳或氮摻雜物/添加物、玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物，以及因?yàn)楸┞对陔姶泡椛涞谌ㄩL(zhǎng)而造成粒子折射系數(shù)持續(xù)改變的摻雜物/添加物、包含硅、堿金屬或堿土金屬以及第三主族金屬/準(zhǔn)金屬元素的氧化物組合物、以及玻璃成形主體組成，在電磁光譜第一波長(zhǎng)上導(dǎo)入吸收以及在大于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)上導(dǎo)入發(fā)射的第一摻雜物/添加物以及將順磁性導(dǎo)入粒子的第二摻雜物/添加物所構(gòu)成組的組合物。
104.如權(quán)利要求96的方法，其中該氣體/蒸氣包含Si、Li、K、Mg、Ba、Sr、Zn、Ge、Al、P、Te、Bi或其組合。
105.如權(quán)利要求96的方法，其中該氣溶膠包含稀土族金屬、鋁或釓。
106.一種用于生產(chǎn)產(chǎn)物粒子的方法，該方法包含在反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生包含液體的氣溶膠；蒸發(fā)該液體以形成通過(guò)反應(yīng)物供應(yīng)噴嘴供應(yīng)至反應(yīng)室，作為至少部分反應(yīng)物流的反應(yīng)物粒子；以及反應(yīng)該反應(yīng)物流，以產(chǎn)生產(chǎn)物粒子。
107.如權(quán)利要求106的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用輻射束照射該反應(yīng)物流，來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)形成該產(chǎn)物粒子。
108.一種用于生產(chǎn)涂層基板的方法，該方法包含在反應(yīng)物供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生包含液體的氣溶膠；蒸發(fā)該液體以形成通過(guò)供應(yīng)噴嘴供應(yīng)的反應(yīng)物粒子；反應(yīng)該反應(yīng)物粒子，以形成產(chǎn)物粒子；以及將至少部分產(chǎn)物粒子沉積到基板上。
109.如權(quán)利要求108的方法，其中該反應(yīng)物粒子包含用輻射束照射該反應(yīng)物粒子。
110.一種生產(chǎn)涂層的方法，該方法包含利用在反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)反應(yīng)物流來(lái)形成產(chǎn)物流，其中至少部分該反應(yīng)物流通過(guò)反應(yīng)物噴嘴注入；利用引導(dǎo)基板表面上的該產(chǎn)物流來(lái)沉積涂層，以產(chǎn)生涂層表面；以及通過(guò)該反應(yīng)物噴嘴將未反應(yīng)的流導(dǎo)引到該涂層表面上。
111.如權(quán)利要求110的方法，其中該未反應(yīng)物流包含氣溶膠。
112.如權(quán)利要求111的方法，進(jìn)一步包含加熱該氣溶膠，以至少部分去除該溶劑。
113.如權(quán)利要求112的方法，其中該加熱用輻射束來(lái)進(jìn)行。
114.一種在反應(yīng)物流內(nèi)生產(chǎn)組合物的方法，該方法包含在氣室壓力下，用反應(yīng)室內(nèi)至少一個(gè)反應(yīng)物噴嘴來(lái)產(chǎn)生流動(dòng)的反應(yīng)物流，到達(dá)該噴嘴的流體包含反應(yīng)前體與加壓的液體，其中該氣室壓力足夠低到以使加壓的液體進(jìn)入該反應(yīng)室就蒸發(fā)，并且其中該加壓的液體在進(jìn)入該反應(yīng)室就汽化；以及反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流，以產(chǎn)生該化學(xué)組合物。
115.如權(quán)利要求114的方法，其中該加壓的液體包含超臨界二氧化碳。
116.如權(quán)利要求114的方法，其中該加壓的液體包含液化的氣體。
117.如權(quán)利要求114的方法，其中該加壓的液體包含溶液內(nèi)加壓的氣體。
118.如權(quán)利要求114的方法，其中該反應(yīng)該流動(dòng)的反應(yīng)物流包含用來(lái)自與該反應(yīng)物流匯合的輻射束的能量驅(qū)動(dòng)該反應(yīng)。
119.一種摻雜組合物的方法，該方法包含將包含金屬/準(zhǔn)金屬離子的溶液與包含該組合物的粉末陣列接觸；以及供應(yīng)橫越粉末陣列一個(gè)方向上的電場(chǎng)，激發(fā)金屬/準(zhǔn)金屬離子遷移至該組合物內(nèi)。
120.一種在具有變化的摻雜物/添加物濃度的基板表面上形成玻璃的方法，該方法包含在包含選擇的組合物的氣溶膠內(nèi)，產(chǎn)生包含主反應(yīng)前體與摻雜物/添加物反應(yīng)前體的反應(yīng)物流；反應(yīng)該反應(yīng)物流，以形成包含產(chǎn)物組合物的產(chǎn)物流；利用將該基板表面相對(duì)于該產(chǎn)物流移動(dòng)，以將該產(chǎn)物組合物涂層于表面上；選擇該反應(yīng)物流內(nèi)的該摻雜物/添加物前體的組合物，沿著該基板表面在不同位置上沉積不同的產(chǎn)物組合物。
121.如權(quán)利要求120的方法，其中該選擇的該摻雜物/添加物前體組合物包含選擇摻雜物/添加物前體相應(yīng)的濃度。
122.如權(quán)利要求120的方法，其中該選擇的該摻雜物/添加物前體組合物包含用第二摻雜物/添加物元素取代第一摻雜物/添加物元素。
123.如權(quán)利要求80的方法，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
124.如權(quán)利要求80的方法，其中該初級(jí)粒子包含粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
125.如權(quán)利要求82的方法，其中有效地沒(méi)有初級(jí)粒子具有大于初級(jí)粒子平均直徑約5倍的直徑。
126.如權(quán)利要求82的方法，其中該初級(jí)粒子包含粒子直徑分布，其中至少約95％的初級(jí)粒子具有大于約平均直徑的45％并且小于約平均直徑的200％的直徑。
127.一種光學(xué)裝置，包含至少一層玻璃層與該至少一層玻璃層上的上覆鞘，其中該上覆鞘包含包含氟摻雜物/添加物的玻璃。
128.一種用于形成光學(xué)裝置的方法，包含在至少一層玻璃層上供應(yīng)包含氟摻雜物/添加物的玻璃。
全文摘要
本發(fā)明根據(jù)改變由多種金屬和/或準(zhǔn)金屬元素所構(gòu)成的組合物以及相應(yīng)的組合物的能力描述了納米粒子、粒子涂層/粒子陣列以及相應(yīng)的固化材料。更具體地，以改進(jìn)的納米粒子與由納米大小粒子所形成的涂層形式，描述金屬氧化物與金屬/準(zhǔn)金屬組成。也描述了包含稀土族金屬以及具有稀土族金屬的摻雜物/添加物。運(yùn)用此處所述的方法可形成由多種的主體組成與摻雜物/添加物所構(gòu)成的復(fù)雜組合物。粒子涂層可采取粒子陣列的形式，所述粒子陣列在從可分配的初級(jí)粒子集合到反映初級(jí)粒子納米大小的初級(jí)粒子形成通道的熔融網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)。也描述了合適的光學(xué)應(yīng)用材料及一些相關(guān)的光學(xué)裝置。
文檔編號(hào)C01B13/20GK1571726SQ02820384
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2002年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者克雷格·R·霍恩, 皮埃爾·J·德馬斯卡里爾, 克里斯琴·C·霍尼克, 本杰明·查洛納－吉爾, 赫爾曼·A·洛佩斯, 畢向欣, 羅納德·J·莫索, 威廉·E·麥戈文, 蘇吉特·庫(kù)馬, 詹姆斯·T·加德納, 文斯·費(fèi)姆, 埃里克·尤夫拉爾德, 希夫庫(kù)馬·奇魯沃盧, 杰西·朱爾, 詹姆斯·A·吉列姆 申請(qǐng)人:內(nèi)諾格雷姆公司