Способ легирования материала и легированный материал
Изобретение относится к способу легирования материала, включающему образование на поверхности материала, подлежащего легированию, реакционноспособных групп, нанесение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки на поверхность материала, подлежащего легированию, и/или на поверхность его части или частей методом послойного атомного осаждения (методом ALD), и дополнительную обработку материала, покрытого легирующей добавкой, таким образом, что первоначальную структуру слоя легирующей добавки изменяют с получением новых свойств легированного материала. Материал, подлежащий легированию, представляет собой стекло, керамику, полимер, металл или изготовленный из них композиционный материал. Дополнительная обработка материала, покрытого легирующей добавкой, представляет собой механическую, химическую обработку, облучение или нагревание, в результате которой изменяют коэффициент преломления, поглощающую способность, электропроводность и/или теплопроводность, цвет, или механическую или химическую стойкость легированного материала. Технический результат изобретения - разработка нового простого способа с хорошей воспроизводимостью, позволяющего получить легированный материал с точно контролируемыми свойствами. 2 н. и 25 з.п. ф-лы.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к легированию материала.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
С легированием материалов связано много проблем, особенно когда количество легирующей добавки (допанта) существенно мало по сравнению с количеством материала матрицы. Если количество добавки меньше 1%, менее 0,1% или даже менее 1 м.д. (ррm) от количества материала матрицы, обычными способами достичь гомогенного легирования невозможно. С другой стороны, проблемы с гомогенным легированием могут возникать, даже если количество материала для легирования составляет 1-10% или даже 10% от количества материала матрицы. Проблемы далее могут быть из-за того, что гомогенное легирование занимает неоправданно долгое время. Негомогенное легирование вызывает проблемы при применении материала, потому что свойства материала могут сильно и бесконтрольно различаться в разных частях компонента, сделанного из такого материала.
Легирование, например, можно применять при изготовлении материалов с улучшенными физическими свойствами. Также легирование можно применять при создании совершенно новых свойств материала. Примеры таких свойств - это электропроводность, диэлектрические свойства, прочность, вязкость и растворимость. Известно также, что во многих применениях контролируемое распределение допанта в матрице материала дополнительно улучшает эти свойства. Это особенно резко выражено, когда малые количества необходимо легировать очень точно и когда используют одновременно несколько добавок. Вследствие этого, в области технологии материалов существует значительная потребность в получении нового, простого и выгодного метода легирования материалов контролируемым способом. Контролируемое распределение относится к гомогенному распределению, например, но также может относиться к любому желаемому распределению добавки в материале.
Во многих применениях материалу придают новые свойства путем нанесения на материал покрытия с легирующей добавкой. Покрытие может давать как химическую, так и физическую долговечность. Покрытие, однако, вызывает некоторые проблемы, связанные со способностью покрытого материала и легирующей добавки связываться между собой. Покрытие не приводит к получению нового состава, покрытие и подложка остаются самостоятельными слоями. Кроме того, коэффициент упругости обычно отличается от коэффициента упругости материала основы. Коэффициент упругости, например, керамических покрытий часто выше, чем коэффициент упругости материала основы. Деформация, образующаяся под нагрузкой, приводит к более высокому напряжению в слабом (непрочном) покрытии по сравнению с материалом основы. Можно сказать, что покрытие несет нагрузку. Это затем легко приводит к разрушению и ломке покрытия. Путем легирования покрытия как части поверхности материала можно создать материал, в котором сочетаются свойства покрытия и материала основы, и при этом не происходит разрушения, описанного выше.
Легирование также можно выполнять перед плавкой или спеканием материала основы. Примером этого является производство твердых металлов путем смешения металлов и карбидов в порошковой форме. Смешение обычно выполняют путем измельчения компонентов в мельнице. Порошковую смесь затем дополнительно подвергают прессованию для придания ей формы и спеканию с получением конечной формы. Легирование, выполненное таким порошковым металлургическим способом, можно также применять в производстве строительной керамики, сверхпроводников и других соответствующих продуктов. Однако существует проблема в том, что материал загрязняется в мельнице дробью и/или жидкостью, используемыми для измельчения. Кроме того, трудно равномерно легировать малые количества допанта, и измельчение в мельнице может разрушить структуру материала.
Особая область легирования материала - это производство оптического волокна, включающее в себя: 1) формирование заготовки из пористого стекла, в процессе которого определяют, какие свойства оптического волокна выбрать из заготовки в зависимости от параметров процесса, 2) удаление загрязнений из заготовки пористого стекла, 3) спекание заготовки из пористого стекла с получением заготовки из твердого стекла и/или частично твердого стекла и, наконец, 4) вытягивание заготовки из стекла в оптическое волокно. При желании можно также добавить стекло на полученное спеканием стекло для получения более крупной заготовки волокна.
Легирование материалов из стекла и полимеров, металлов, керамических материалов и их композиционных материалов различными допантами можно выполнить, например, путем плавления материала и добавления допанта в расплав. Проблема в этом случае заключается в том, что расплавы этих материалов зачастую очень вязкие, что означает, что гомогенное смешивание допантов требует высокой эффективности смешивания. Высокая эффективность смешивания вызывает высокие режущие силы, что может привести к деформации материала, особенно при использовании полимерных материалов. Первоначальные свойства материала при этом необратимо изменяются и конечным результатом может быть, например, низкая механическая прочность. Смешивание также приводит к загрязнению.
Легированные материалы из пористого стекла применяют, например, при изготовлении оптических волноводов, таких как оптические волокна и оптические плоские волноводы. Понятие «оптический волновод» относится к элементу, используемому для переноса оптической энергии. При изготовлении оптических волокон используют заготовки из волокон. Существует несколько методов изготовления волоконных заготовок, такие как метод CVD (метод химического парофазного осаждения), метод OVD (метод внешнего парофазного осаждения), метод VAD (метод осевого парофазного осаждения), метод MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), метод PCVD (метод активированного плазмой химического парофазного осаждения), метод DND (метод прямого осаждения наночастиц) и золь-гель метод.
Методы CVD, OVD, VAD и MCVD основаны на использовании исходных материалов, имеющих высокое давление паровой фазы при комнатной температуре на этапе осаждения. В вышеупомянутых методах исходные жидкие материалы выпаривают в несущий газ, который может быть также одним из газов в реакции. Пары исходных материалов, полученные из различных источников жидкостей и газов, смешивают в настолько точной пропорции, насколько возможно, и переносят в зону реакции, где исходные материалы в виде паров реагируют с кислородным соединением или соединением, содержащим кислород, с образованием оксидов. Образованные частицы оксидов осаждаются благодаря агломерации и спеканию вместе и в конечном итоге собираются на поверхности, на которой формируется слой пористого стекла из полученных частиц стекла. Этот слой пористого стекла далее может быть спечен в твердое стекло. Исходными материалами, используемыми в вышеуказанных методах, являются, например, основной исходный материал кварцевого стекла, тетрахлорид кремния SiCl4, исходный материал GeO2, который увеличивает коэффициент преломления, тетрахлорид германия GеСl4, и исходный материал для P2O5, который уменьшает вязкость стекла и облегчает спекание, фосфорокситрихлорид РОСl3.
Проблема методов CVD, OVD, VAD и MCVD, описанных выше, заключается в том, что они не могут быть легко использованы для изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными металлами. Редкоземельные металлы не образуют соединений с высоким давлением паровой фазы при комнатной температуре. Вот почему был разработан метод, названный методом легирования в растворах, для изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными металлами (RE волокна), в котором нелегированную заготовку волокна, полученную из материалов основы, всего лишь погружают в раствор, содержащий допанты перед ее спеканием.
Другой известный способ заключается в применении горячего источника, в котором твердый исходный материал нагревают, чтобы получить достаточное давление пара. Проблема здесь, однако, заключается в том, чтобы легирование паров нагретого исходного материала в пары других исходных материалов происходило до зоны реакции без преждевременного взаимодействия этих исходных материалов. Кроме того, пропорции смешивания исходных материалов необходимо поддерживать исключительно точными в течение процесса осаждения на всей площади поверхности, чтобы образующаяся пленка была однородной по своим свойствам.
Также известен способ изготовления заготовок оптического волокна золь-гель методом. В золь-гель методе исходными материалами являются обычно алкоксиды или алкоксидные соли металлов. Исходный материал гидролизуют в растворителе, в котором исходный материал полимеризуется, образуя золь. Поскольку растворитель выпаривают из золя, он загустевает с получением твердого материала. Наконец, когда гель нагревают при высокой температуре, удаляются остатки растворителя и других органических веществ, и гель кристаллизуется в свою конечную форму. Чистота, достигаемая в этом способе, обычно недостаточна для оптических волокон.
Вообще говоря, допант можно легировать на поверхность частиц твердого материала или пористого материала, используя различные методы легирования в растворах, в которых материал погружают в раствор, содержащий допант. При этом получают довольно равномерный слой допанта на поверхности материала. Однако таким способом невозможно получить достаточно гомогенное и точное распределение допанта на поверхности материала. Свойства волокна, изготовленного с применением способов легирования в растворах, различаются в отдельных заготовках волокна и между заготовками волокна, что означает, что воспроизводимость таких способов низка. Это происходит из-за того, что изготовление зависит от нескольких различных факторов, таких как глубина проникновения жидкости в поверхность, прикрепление соли на поверхности пористого материала, проникание газа в материал, реакции солей, легирование и т.д. Управлять всеми этими реакциями трудно или даже невозможно. Низкая воспроизводимость дает неблагоприятный эффект на выходе, что означает, что затраты на изготовление также возрастают.
Метод, называемый метом прямого осаждения наночастиц (DND), был разработан для изготовления легированных оптических волокон и для окраски стекла. По сравнению с методом легирования в растворе этот метод имеет преимущество, состоящее в том, что можно подавать жидкие сырьевые материалы в реактор, применяемый в данном методе, посредством чего легируют частицы стекла в пламенном реакторе. Таким путем легированные частицы стекла образуют заготовку из стекла, чье качество даже выше, чем качество заготовок, полученных легированием в растворе. Сбор наночастиц, однако, затруднен, из-за того, что частицы следуют по течению газовых потоков. Также невозможно легировать пористые заготовки, осажденные другими способами изготовления заготовок.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа, в котором можно решить вышеупомянутые проблемы и/или уменьшить их нежелательные эффекты. В частности, задачей изобретения является разработка нового, простого и выгодного способа легирования материалов. Кроме того, задачей изобретения является разработка способа с хорошей воспроизводимостью, позволяющего получить легированный материал, качество которого является одинаковым, независимо от партии изготовления. Дополнительной задачей изобретения является разработка легированного материала, обладающего свойствами настолько постоянного качества и точно контролируемыми, насколько возможно. Задача данного изобретения решена с помощью способа, имеющего признаки отличительной части пункта 1 формулы изобретения, который характеризуется нанесением по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки на поверхность легируемого материала и/или на поверхность части или частей этого материала с помощью метода послойного атомного осаждения (ALD). Задача настоящего изобретения, кроме того, решена с помощью легированного материала, который отличается тем, что на поверхность легированного материала и/или на поверхности его части или частей наносят слой легирующей добавки или часть слоя легирующей добавки с помощью метода ALD. Задача данного изобретения также решена с помощью устройства, которое отличается тем, что устройство включает средства для осуществления метода ALD, обеспечивающего получение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки, осажденного на поверхность легируемого материала и/или на поверхность его части или частей методом ALD.
Предпочтительные примеры осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Преимуществом данного изобретения является то, что легирующие слои можно наносить на все поверхности материала матрицы, даже на внутренние поверхности пор таким образом, что толщину легирующего слоя можно точно контролировать и, при необходимости, делать по существу одинаковой на всей поверхности материала матрицы. Кроме того, преимуществом данного изобретения является то, что легирование можно выполнять контролируемым образом, с хорошей экономией материала и даже, при необходимости, с высокими концентрациями.
Изобретение основано на идее, что метод ALD (метод послойного атомного осаждения) используют в данном способе, чтобы сделать возможным гомогенное легирование допанта на поверхности материала матрицы и/или поверхности его части или частей. Метод ALD основан на осаждении, контролируемом по поверхности, в котором исходные материалы по очереди направляют к поверхности материала матрицы в различное время и отдельно друг от друга. Исходный материал доставляют на поверхность в количестве, достаточном, чтобы израсходовать доступные точки связи на поверхности. После каждого импульса исходного материала материал матрицы промывают инертным газом так, чтобы удалить излишки паров исходного материала и предотвратить осаждение в газовой фазе. На поверхности тогда остается химически адсорбированный монослой продукта реакции одного исходного материала. Этот слой реагирует со следующим исходным материалом и образует специфический частичный монослой желаемого материала. После достаточно полной реакции любой излишек этого второго исходного материала вымывают инертным газом, и таким образом реакция основана на циклических реакциях насыщения на поверхности, т.е. поверхность контролирует осаждение. Кроме того, поверхность химически связана с матрицей (хемосорбция). На практике это означает, что пленка осаждается одинаково на всех поверхностях, даже на внутренних поверхностях пор. В легировании это означает в высшей степени равномерное распределение. Толщину слоя желаемого материала можно точно задать путем повторения цикла при необходимости. Однако необходимо заметить, что цикл может остаться незавершенным, например, при использовании половины цикла, когда проходит только половина цикла и только половина осаженного слоя легируется в материал. Частью цикла может быть часть любого одного цикла. В легировании это означает в высшей степени точный «цифровой» контроль содержания легирующей добавки. Изменяя исходные материалы в течение процесса, возможно создавать различные перекрывающиеся пленки и/или пленочные структуры, легированные различными способами. Соответственно, возможно, например, использовать только первый импульс исходного материала, чтобы получить достаточное легирование. В этой патентной заявке понятие «метод ALD» включает любой традиционный метод ALD и/или его применение и/или модификацию, известные специалистам в данной области. Легирующий слой, изготовленный этим методом, или его часть также называется осажденным слоем легирующей добавки.
Технически метод ALD, известный также как метод ALCVD, можно считать принадлежащим к методам CVD (химического парофазного осаждения). Так, в нем используют, например, повышенную температуру, контроль давления, газовые источники, жидкие источники, твердые источники и газовые омыватели. Те же технологии применяют также, например, в устройствах для изготовления заготовок методом MCVD, но в методах ALD и MCVD они используются различными способами. Наиболее существенное отличие по сравнению с традиционными методами CVD состоит в том, что в этих традиционных методах исходные материалы смешивают прежде, чем они достигнут реакционных зон, в которых затем они реагируют друг с другом. Гомогенность смеси и ее равномерное распределение на различных сторонах поверхности, предназначенной для осаждения, является критичной для структуры и толщины получаемой пленки. Это можно сравнить с окраской распылением и проблемами равномерности распределения, с этим связанные. В отличие от традиционного метода CVD в методе ALD осаждение основано на последовательных химических реакциях, регулируемых поверхностью, в этом случае толщину пленки регулируют с помощью осаждения правильного количества осаждаемых легирующих слоев. Общее преимущество метода ALD по сравнению с традиционным методом CVD можно сопоставить с преимуществами цифровой технологии по сравнению с аналоговой технологией. Кроме того, метод ALD делает возможным применять чрезвычайно реакционноспособные исходные материалы, что невозможно в традиционном методе. Примером исходного материала такого типа является ТМА (триметилен алюминий) и вода в качестве исходных материалов в методе ALD. Эти исходные материалы интенсивно реагируют друг с другом уже при комнатной температуре, что означает, что их применение в традиционном методе CVD было бы невозможно. Преимущество применения ТМА состоит в том, что он дает высококачественную пленку Аl2О3 с хорошей производительностью, и исходные материалы необязательно нагревать, что необходимо делать даже в вакуумных реакторах, если применять альтернативный алюминиевый исходный материал, такой как хлорид алюминия (типично 160°С).
Применение этого метода не ограничено только применением полного цикла реакции, но его также можно применять в случаях, когда подача только второго исходного материала является достаточной, чтобы получить подходящую композицию добавок. Хемосорбированный слой затем используют для дальнейшей обработки.
С помощью метода, описанного выше, можно получить легированный материал настоящего изобретения, на поверхности или на части поверхности которого осажден легирующий слой с помощью метода послойного атомного осаждения. Свойства такого материала, легированного методом ALD, можно очень точно задать с помощью исходных материалов и параметров управления, применяемых в методе. Кроме того, можно получить легированные материалы со свойствами, значительно лучшими в своих областях применения, чем те, что получают обычными методами.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к применению способа, описанного выше, для легирования материала из стекла, который может представлять собой, например, пористое оптическое волокно, заготовку волокна, плоский волновод, или какой-либо другой материал или заготовку из стекла, которые применяют для изготовления перечисленных изделий вышеуказанным способом. Легирующие слои можно затем нанести на все поверхности материала из пористого стекла, т.е. даже внутри пор, таким образом, что на всех поверхностях материала из пористого стекла образуется желаемый легирующий слой, и получают легированный материал из стекла согласно изобретению.
Легирующей добавкой может быть одно или более чем одно вещество, выбранное из веществ, включающих редкоземельные металлы, такие как эрбий, иттербий, неодим и церий, вещества из группы бора, такие как бор и алюминий, вещества из группы углерода, такие как германий, олово и кремний, вещества из группы азота, такие как фосфор, вещества из группы фтора, такие как фтор, и/или любое другое вещество, пригодное для легирования материала из пористого стекла. Вещество может быть простым или в форме соединения.
Такой материал из пористого стекла, предназначенный для легирования, например заготовку из стекла, можно изготовить любым традиционным методом, таким как метод CVD (метод химического парофазного осаждения), метод OVD (метод внешнего парофазного осаждения), метод VAD (метод осевого парофазного осаждения), метод MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), метод PCVD (метод активированного плазмой химического парофазного осаждения), метод DND (метод прямого осаждения наночастиц) и золь-гель метод, или любой другой подобный метод. С помощью этих методов, например, нелегированный материал из пористого стекла, осажденный из чистых исходных материалов, можно сохранить, и затем при необходимости легировать согласно настоящему изобретению и дополнительно переработать традиционным путем в оптическое волокно, например.
При получении материала из пористого стекла важно быть уверенным, что материал из пористого стекла содержит реакционноспособные группы на поверхности материала из пористого стекла и/или на поверхности его части или частей. Реакционноспособными могут быть ОН группы, OR группы (алкоксигруппы), SH группы, NH1-4 группы, и/или любые другие группы, реагирующие с традиционными допантами, и к которым допанты могут присоединяться. В одном из применений, реакционноспособными являются гидроксильные группы, с которыми допанты реагируют во время осаждения легирующего слоя.
Путем контроля количества реакционноспособных групп на поверхности материала из пористого стекла можно контролировать количество допанта на поверхности материала из пористого стекла.
Гидроксильные группы образуются в материале из стекла в присутствии водорода, посредством чего образуются как Si-H, так и Si-OH группы. Реакционноспособные группы, такие как гидроксильные, можно добавить на поверхность материала из пористого стекла при обработке материала из стекла водородом, особенно газом и/или жидкостью, содержащей водород и/или водородное соединение, при высокой температуре. Реакционноспособные группы можно также добавить при обработке материала из стекла облучением, например, электромагнитными или γ-лучами, после и/или до этого обработав его водородом, особенно газом и/или жидкостью, содержащей водород и/или водородсодержащим соединением. Облученную область можно также обработать любым другим реагентом для образования реакционноспособных групп на поверхности материала из пористого стекла и/или на поверхности его части или частей.
При легировании материала из пористого стекла методом ALD, реакционноспособные группы, например гидроксильные группы, эффективно удаляют из материала из пористого стекла, такого как заготовка из стекла, как только допант прореагировал с реакционноспособной группой. При необходимости, легированный материал из пористого стекла можно очистить после легирования путем удаления любых возможно оставшихся реакционноспособных групп и других возможных примесей. Примером этого является уменьшение содержания ОН групп в заготовке из оптического волокна. Это уменьшает затухание сигнала, вызванное водным пиком из-за наличия ОН групп.
В одном из применений, материалом из пористого стекла является кварцевое стекло, т.е. оксид кремния (SiO2). Материалом из стекла может также быть любой стеклообразующий оксид, такой как В2О3, GeO2 и Р4O10. Материалом из пористого стекла может также быть фосфорное стекло, фтористое стекло, сульфидное стекло, и/или любой другой традиционный материал из стекла.
В одном из применений, материал из пористого стекла частично или полностью легирован одним или более чем одним веществом, включающим германий, фосфор, фторид, карбид бора, олово, титан, и/или любое другое подобное вещество.
Требуемую удельную площадь поверхности на материале из пористого стекла получают путем контроля размера частиц при изготовлении материала из пористого стекла. Если поток масса/объем для осаждения является высоким, например от 1 до 100 г/мин, частицы стекла становятся большими, например субмикронного или микронного размера, перед присоединением к собирающей поверхности. Поры между частицами тогда имеют размеры в диапазоне микронов. Если поток масса/объем меньше, на собирающую поверхность можно осадить частицы размером от 1 до 100 нм, и размеры пор между ними уменьшаются. Размер частиц можно также контролировать любым другим подходящим способом путем регулирования параметров процесса в процессе нанесения покрытия на материал из пористого стекла. В одном из применений удельная площадь поверхности материала из пористого стекла составляет предпочтительно >1 м2/г, более предпочтительно >10 м2/г и наиболее предпочтительно >100 м2/г.
Когда на материал из пористого стекла наносят покрытие согласно настоящему изобретению, далее его можно обработать обычным путем, чтобы получить желаемый конечный продукт, такой как оптический волновод. После легирования материала из стекла его можно спекать в сплошной, непористый материал из стекла, при этом допанты диффундируют внутрь материал из стекла. Материал из стекла, спеченный в твердое стекло, далее можно переработать, например, вытянув в оптическое волокно.
Вышеописанным способом получают легированные волноводы, оптические волокна и заготовки волокон согласно настоящему изобретению, или материалы из стекла, применяемые в их изготовлении, или в качестве альтернативы любой легированный материал из стекла.
В одном из применений легирования, можно существенно улучшить метод MCVD таким образом, что легированные оптические волокна можно изготовить с помощью способа настоящего изобретения. Этот способ применения изобретения можно также применить, чтобы улучшить уже существующую технологию MCVD и, следовательно, получить новые продукты для производства оптического волокна с использованием метода MCVD экономичным способом. С помощью способа изобретения легирование материала из пористого стекла желаемой добавкой производится очень точно, с равномерным распределением и лучшей воспроизводимостью, чем известные методы. Согласно этому применению перед нанесением по меньшей мере одного слоя с легирующей добавкой на поверхность заготовки из пористого стекла, предназначенной для легирования, и/или на поверхность его части или частей с помощью метода ALD, по меньшей мере один слой материала из пористого стекла наносят методом MCVD на внутреннюю поверхность полой заготовки из стекла, такой как стеклянная трубка, в том же самом устройстве, по существу, таким образом, чтобы по меньшей мере одна часть полой заготовки из стекла служила реактором в методе ALD. Другими словами, в данном применении по меньшей мере один слой материала из пористого стекла создают методом MCVD на внутренней поверхности полой заготовки из стекла, после чего на поверхность заготовки из стекла или ее часть наносят слой легирующей добавки методом ALD таким образом, что заготовка из полого стекла служит реактором в методе ALD. Как стадии метода MCVD, так и стадии метода ALD выполняют по существу в том же самом устройстве, которым может быть модифицированное устройство для метода MCVD, например.
Данное изобретение предлагает преимущество, заключающееся в том, что в данном способе можно использовать материал из пористого стекла, изготовленный несколькими известными альтернативными методами. Материал из пористого стекла можно сделать для хранения для применения в изготовлении оптических волокон или другого конечного продукта при необходимости. С помощью способа изобретения легирование материала из пористого стекла желаемой добавкой делают очень точно, с равномерным распределением и лучшей воспроизводимостью, чем известные методы. Изобретение имеет дополнительное преимущество в том, что с помощью метода ALD, применяемого для нанесения покрытия на материал из пористого стекла, легирующую добавку можно нанести в точно заданном количестве и толщину слоя с допантом можно изменять контролируемым образом, даже до порядка частично атомного слоя, в различных материалах из стекла.
Данное изобретение предлагает дополнительное преимущество в том, что способ позволяет осадить олово, что было невозможно ранее.
Еще одно дополнительное преимущество изобретения состоит в том, что этот точный и регулируемый способ дает экономически выгодный способ, который обеспечивает изготовление точно заданного типа материала из пористого стекла без какой-либо потери материала.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к способу легирования материала, включающему нанесение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки на поверхность материала и/или на поверхность его части или частей методом послойного атомного осаждения, и дополнительную обработку материала, покрытого легирующей добавкой, таким образом, что первоначальную структуру легирующего слоя изменяют с получением новых свойств легированного материала.
Ранее метод ALD применяли для изготовления активных поверхностей (например, катализаторов) и тонких пленок (например, электролюминесцентных дисплеев). В этих методах пленку наносят на поверхность материала и ожидают, что пленка будет обладать требуемыми свойствами. Таким образом, допант придает материалу требуемые химические свойства поверхности или требуемые физические свойства пленки, нанесенной на поверхность материала. Структуру тонкой пленки или комбинации пленок, нанесенной на поверхность материала с помощью способа настоящего изобретения, изменяют и/или по меньшей мере частично разрушают при дальнейшей обработке, в результате чего компоненты пленки вместе с веществом основы образуют материал нового состава. Свойства этого легированного материала при дальнейшей обработке изменяются благодаря диффузии, смешиванию или реакции допантов/агентов. Изменение свойств легированного материала может проявляться, например, в изменении коэффициента преломления, поглощающей способности, электропроводности и/или теплопроводности, цвета, или механической или химической стойкости. С помощью этого способа также можно удалять нежелательные соединения, такие как ОН группы.
При дополнительной обработке допант может диффундировать в материал и в результате получится очень гомогенный легированный материал. С другой стороны, в другом варианте осуществления изобретения, допант растворяется частично или полностью в материале, подлежащем легированию, или смешивается частично или полностью с материалом, подлежащим легированию, при дополнительной обработке. Легирование в материале, подлежащем легированию, может быть завершено, но благодаря диффузии, например, легирование может быть успешно выполнено на соответствующую глубину материала основы, такую как от 1 до 10 мкм для покрытий и фотопроводников на поверхности кремниевой подложки. Также возможно, что при дополнительной обработке допант остается частью структуры промежуточной фазы материала, подлежащего легированию. Слой с желаемой легирующей добавкой тогда наносят на поверхность частиц материала, подлежащего легированию, после чего, при дополнительной обработке, частицы материала спекают в однородную структуру, посредством чего структура в виде частиц частично остается, и между частицами образуется связующая промежуточная фаза по меньшей мере из одного частично осажденного слоя легирующей добавки. Такая промежуточная фаза может также содержать другие вспомогательные вещества, относящиеся к спеканию, которые необязательно вводить в материал с помощью метода ALD. Пленка, нанесенная методом ALD, также может быть этой добавкой для спекания.
В одном из вариантов осуществления изобретения допант реагирует с материалом, подлежащим легированию, при дополнительной обработке и образует материал нового состава, который становится частью созданной структуры. С другой стороны, подлежащий легированию материал может являться композиционным материалом или композицией, не вполне гомогенной по своему химическому составу. В таком случае допант, нанесенный методом ALD, при дополнительной обработке может прореагировать и образовать различные соединения в различных точках материала, подлежащего легированию. Соответственно, добавка, нанесенная методом ALD, может образовать композиционную фазу, в этом случае вещество основы не получает добавку целиком, а часть композиции образует другой тип вещества.
Дополнительной обработкой могут быть механическая или химическая обработка, облучение или нагревание. К дополнительной обработке, например, относится спекание или расплав и перекристаллизация материала, в этом случае отдельные частицы пористого материала становятся сплошной структурой. При обработке нагреванием материал, однако, необязательно расплавлять, но нагреть достаточно, чтобы слой легирующей добавки пролегировал или продиффундировал по меньшей мере частично в материал/материалы, подлежащие легированию, и/или прореагировал с тем или иным веществом. Одним из примеров такой ситуации является использование допанта как флюидизатора или промежуточного реагента при присоединении одного материала к другому, например при паяном соединении, биосовмещении, разделении в виде функциональных групп на поверхностях и т.п.
С помощью способа изобретения также можно нанести слой легирующей добавки на особую область поверхности материала. Таким способом слой допанта формируют только на заранее определенных точках материала. Заранее определенные легированные образцы/области можно получить на материале способом, в котором материал предварительно обрабатывают, например, путем облучения, для получения заранее определенных образцов/областей и обрабатывают материал таким способом, чтобы реакционноспособные группы были образованы или удалены с этих предварительно обработанных образцов/областей. После такой предварительной обработки слой легирующей добавки можно нанести методом ALD, полученный продукт затем можно дополнительно обработать, чтобы получить желаемые свойства материала.
Чтобы получить достаточную степень легирования, необязательно выполнять полный цикл ALD способом по изобретению. Другими словами, вместо полного цикла подают только первый исходный материал и после этого выполняют промывание. Подачу второго исходного материала и его промывание пропускают. Это возможно, если во время первого рабочего цикла достаточное количество вещества, содержащего допант, связывается с реакционноспособными группами, в этом случае образуются новые реакционноспособные группы для следующего рабочего цикла и нанесение новых слоев не требуется. В определенных применениях это полезно, т.к. диффузия, которая имеет место при легировании, является более сильной с ионами, чем с оксидами, например. Кроме того, это также дает возможность использования различной химии при формировании промежуточных фаз. Также уменьшается время обработки, что весьма существенно, особенно для пористых материалов, в которых диффузия газов занимает относительно долгое время.
В одном из вариантов осуществления способа легируемым материалом является пористый материал или материал в виде частиц, и его удельная поверхность составляет более 1 м2/г, предпочтительно более 10 м2/г и наиболее предпочтительно более 100 м2/г. Легируемым материалом может быть также однородный сплошной или аморфный материал. В другом варианте осуществления изобретения легируемый материал находится на поверхности подложки. В таком случае легируемый материал может быть нанесен на поверхность подложки и/или поверхность части или частей подложки с помощью метода послойного атомного осаждения.
В данном способе изобретения материалом, подлежащим легированию, может быть, например, стекло, керамика, полимер, металл или изготовленный из них композиционный материал. Этот тип материала может включать реакционноспособные группы, к которым присоединяются легирующие добавки. Реакционноспособные группы предпочтительно выбраны из следующих групп: -ОН, -OR, -SH, и/или -NH1-4, где R представляет собой углеводород. В одном из вариантов осуществления изобретения реакционноспособные группы добавляют на поверхность легируемого материала путем обработки материала облучением или обработав поверхность материала подходящим газом или жидкостью, таким как водород, что приводит к образованию активных групп на поверхности материала. При облучении можно использовать источник, генерирующий ионизирующее или неионизирующее излучение. Помимо облучения, количество точек поверхности можно контролировать, например, термической и химической обработкой, такой как водородной обработкой. Количество допанта на поверхности материала, подлежащего легированию, можно затем контролировать путем регулирования количества реакционноспособных групп в легируемом материале.
В данном способе изобретения легирующей добавкой может быть присадка, вспомогательное вещество, наполнитель, краситель или какая-нибудь другая добавка материала, подлежащего легированию. В особенности легирующей добавкой может быть тепло-, свето- или электропроводное вспомогательное вещество, усилитель прочности, пластификатор, пигмент или спекающая добавка.
В данном способе исходные вещества направляют к поверхности материала матрицы по очереди. В методе ALD после импульса исходного материала на поверхности материала остается хемосорбированный монослой из продуктов реакции одного исходного материала. Этот слой реагирует со следующим исходным материалом и образует специфический частичный монослой с требуемым допантом. После импульсов исходных материалов материал матрицы предпочтительно промывается инертным газом. Толщину легирующего слоя точно контролируют повторением цикла при необходимости. Соответственно, состав допанта можно контролировать изменением количества импульсов различных исходных материалов, расположенных относительно друг друга.
Способ согласно изобретению можно использовать в легировании заготовок из стекла, т.е. преформ, применяемых в изготовлении оптических волокон, например. Примером этого является добавление эрбия, применяемого для усиления волокон вместе с алюминием в матрице SiO2. В этом способе заготовку из стекла выполняют из порошка пористого стекла, который не спекают с получением сплошного материала до обработки методом ALD. После обработки эту преформу, выполненную из частиц порошка стекла размером приблизительно менее 100 нм, легируют одним или более чем одним допантом путем первого нанесения на поверхности частиц тонкой пленки вещества методом ALD. Следующей стадией является спекание, во время которого можно получить в высшей степени равномерное распределение допантов, продиффундировавших в материал основы. Данный способ можно использовать для введения добавок внутрь других материалов, таких как введение оксида иттрия в волоконные структуры, применяемые в мощных лазерах. Тонкая пленка, полученная данным способом, таким образом разрушается, и ее компоненты образуют материал нового состава вместе с веществом основы. Общие физические и химические свойства этого составного материала отличаются от свойств материала основы и слоя легирующей добавки. Следовательно, метод ALD применяют не только для контроля химии поверхности или образования физической пленки, но также его применяют совершенно новым способом, в котором образуется новый материал со сбалансированными свойствами. Способ можно также применять для других, отличных от стекла материалов, таких как металлы, керамика и пластик.
Вышеописанным способом можно легировать оболочку заготовки из стекла контролируемым образом фтором, например, с помощью метода ALD. Это необходимо, например, когда коэффициент преломления оболочки должен быть меньше коэффициента преломления ядра. Добавление фтора можно осуществить и другими способами, но с помощью метода ALD его можно осуществлять контролируемым образом, с высоким содержанием материала и экономно расходуя материал. Соединения фтора SiF4 или SiCl3F, например, можно использовать альтернативно вместе с кислородными соединениями и/или соединениями хлора.
Соответственно, данный способ можно использовать при изготовлении оптических каналов, оптически и электрически активных и пассивных структур на кремниевой подложке путем легирования или сегрегации и в других соответствующих применениях.
В данном способе изобретения допант может включать одно или более чем одно вещество и он может быть в простой форме или в форме соединения. Например, допант может содержать редкоземельные металлы, такие как эрбий, иттербий, неодим или церий, вещества из группы бора, такие как бор и алюминий, вещества из группы углерода, такие как германий, олово и кремний, вещества из группы азота, такие как фосфор, из группы фтора, такие как фтор, или серебро, или любое другое вещество, пригодное для легирования материала.
Как показано выше, материалом, подлежащим легированию данным способом изобретения, может быть стекло, керамика, полимер, металл или изготовленный из них композиционный материал. Для данного способа, например, подходят из керамик Al2O3, Al2O3, нитевидные кристаллы SiC, Al2O3-ZrO2, Al2TiO5, AlN, B4С,
ВаТiO3, BN, CaF2, CaO, форстерит, стеклянные керамики, HfB2, HfC, НfO2, гидроксилапатит, кордиерит, LAS (силикат Li/Al), MgO, муллит, NbС, цирконат/титанат Рb, фарфор, Si3N4, сиалоновое стекло, SiC, SiO2, шпинель, стетитовая керамика, ТаN, техническое стекло, TiB2, TiC, TiO2, ThO2, и ZrO2, но это также могут быть любые другие керамики. С помощью способа изобретения можно вводить, например, иттрий (Y) в диоксид циркония (ZrO2), где иттрий служит веществом, стабилизирующим фазу, или оксид алюминия (Al2O3) в нитрид кремния (Si3N4), где оксид алюминия служит вспомогательным веществом для спекания, а позже как компонент. Нитрид кремния на подложке из керамики образует новую группу материалов, пригодных для строительства. Здесь успешно сочетаются несколько хороших свойств, и благодаря им материал можно использовать по требуемому назначению. В горячештамповочном прессе Si3N4 имеет одну из самых высоких точек тепловой деформации, измеренных для керамик. Их тепловое расширение и коэффициент удельной теплопроводности относительно высоки, что делает их пригодными для применений с высоким тепловым ударом и одновременно высокой нагрузкой. Сиалоны являются группой материалов, полученных из смеси Si3N4 и Аl1О3 и сочетающих множество лучших свойств каждого материала. С помощью способа настоящего изобретения эти свойства можно дополнительно улучшить.
Примерами полимеров являются натуральные полимеры, такие как протеины, полисахариды и каучуки, синтетические полимеры, такие как термопласты и термореактопласты, и синтетические и натуральные эластомеры. В традиционных полимерных композитах наполнители обычно распределяются на микронном уровне. С помощью способа изобретения можно получить распределение наполнителей на нанометровом уровне, посредством чего можно значительно улучшить механические и другие свойства полимеров. Изготовление полимеров, легированных наполнителями, представляющих собой наночастицы, делает возможным изготовление новых нанокомпозиционных материалов для различных отдельных применений.
Металлами могут быть любые металлы, такие как Al, Be, Zr, Sn, Fe, Cr, Ni, Nb и Со, или их сплавы. Легирование является наиболее стандартным способом придания металлу желаемых свойств. Структурой металла является кристаллическая решетка, и когда температура металла достигает точки плавления, кристаллическая решетка разрушается. Допанты могут заместить атомы материала основы в металлической решетке, или заполнить зазоры между атомами. Атомы одинакового размера замещают друг друга, а маленькие атомы оседают в междоузлиях. Свойства многих сплавов можно улучшить с помощью термической обработки, посредством чего даже низкое содержание допанта оказывает сильное влияние на микроструктуру. В данном способе изобретения допант можно легировать в высшей степени равномерно на поверхности металла и после этого, при дальнейшей обработке нагреванием, например, допант можно внедрить в микроструктуру металла. Сплав можно получить тремя способами: а) атомы примеси занимают свое «нормальное» место в кристаллической решетке, образуя замещенный раствор, b) атомы примеси располагаются в междоузлии, образуя междоузельный раствор, или с) размер атомов примесей несопоставим с размером атомов основы, и не образуется ни замещенный, ни междоузельный раствор, но в сплаве образуются новые фазы, т.е. гранулы, с металлом основы и примесью в них. Примером применения способа согласно изобретению в легировании металлов является легирование оксида алюминия (Аl2О3) в алюминиевую матрицу.
Материалом, подлежащим легированию, может быть также материал, содержащий кремний или соединение кремния, такое как 3-ВеО-Аl2О3-6-SiO2, ZrSiO4, Ca3Al2Si3O12, Al2(OH)2SiO4 и NaMgB3Si6O27(OH)4.
Материалом, подлежащим легированию, может быть также материал из стекла, изготовленный из любого стеклообразующего оксида, такого как SiO2, В2О3, GeO2 и Р4O10. Материалом из стекла, подлежащим легированию, может быть также материал, легированный ранее, например фосфорное стекло, фтористое стекло, сульфидное стекло и т.п. Материал из стекла можно легировать одним или более чем одним веществом, содержащим германий, фосфор, фтор, бор, олово, титан и/или другие соответствующие вещества. Примерами материала из стекла являются K-Ba-Al-фосфат, Са-метафосфат, 1-РbО-1,5-Р2О5, 1-PbO-1,5-SiО2, 0,8-K2O-0,2-CaO-2,75-SiO2, Li2O-3-B2O3, Nа2О-2-В2O3, К2О-2-В2О3, Rb2O-2-В2О3, кристаллическое стекло, натриевое стекло и боросиликатное стекло.
Материал, приготовленный способом изобретения, может также служить промежуточным материалом для приготовления третьего продукта или материала. Примером этого является изготовление основной заготовки методом легирования ALD прежде, чем соединять ее с оболочкой, которую также можно легировать методом ALD. Другим примером является легирование частиц порошка и их последующее смешивание с материалом матрицы.
Способ изобретения можно дополнительно применять для изготовления оболочки и сердцевины заготовки из стекла, фотопроводника, структур на кремниевой подложке, твердых металлов, для легирования поверхности или для изготовления композиционных материалов.
В соответствии с вышеизложенным, настоящее изобретение относится к легированным материалам, таким как легированные материалы из стекла, которые приготовлены согласно различным признакам вышеописанного способа.
Кроме того, изобретение относится к устройству для легирования материала, которое включает средства для метода ALD для получения по меньшей мере одного слоя легирующей добавки на поверхности материала, подлежащего легированию, и/или на поверхности его части или частей методом атомного послойного осаждения (методом ALD). Устройство может также включать средства для дополнительной обработки материала, легированного допантом, такие что первоначальную структуру легирующего слоя изменяют, чтобы получить новые свойства легированного материала. Устройство может дополнительно включать средства для метода MCVD, такие чтобы перед нанесением по меньшей мере одного слоя легирующей добавки на поверхность заготовки из пористого стекла и/или на поверхность его части или частей методом ALD применять средства метода MCVD, чтобы нанести по меньшей мере один слой материала из пористого стекла на внутреннюю поверхность полой заготовки из стекла, такой как стеклянная трубка, по существу в том же самом устройстве, так что по меньшей мере часть полой заготовки из стекла служит реактором в методе ALD.
Способ можно также использовать при изготовлении материалов, чтобы материал было легче обрабатывать на следующей технологической операции. Примером такой технологии является порошковое литье, в котором для оксида алюминия были годами отработаны хорошие технологические приемы и поверхностные химические вещества, пригодные для порошкового литья (такие как стерическая стабилизация в приготовлении порошка). Если, например, необходимо обработать нитрид кремния, для этого нужно найти подходящие вещества и параметры состава, что является трудной задачей. Если на нитрид кремния наносят тонкий слой оксида алюминия, его поверхность начинает вести себя как оксид алюминия, и этот состав и поверхностно-активные вещества можно снова использовать. В данном случае оксид алюминия является также желаемым вспомогательным веществом для спекания, и его количество и распределение можно получить контролируемым способом на той же самой технологической стадии. Также можно добавить другие возможные требуемые вспомогательные вещества между ним и материалом основы без изменения поверхностных свойств.
Данный способ можно использовать при окрашивании стеклянных бутылок изнутри. В этом случае используется контролируемое поверхностное нанесение методом ALD для легирования вспомогательного вещества на внутреннюю поверхность бутылки (или формы, подобной бутылке). В данном способе на внутреннюю поверхность бутылки наносят подходящее соединение для окрашивания стекла. Затем, при увеличении температуры, это вещество диффундирует в структуру внутренней поверхности. В результате получается великолепный цвет, видимый сквозь поверхность стекла и похожий на глубокую лакировку. Это можно использовать, например, при изготовлении бутылочек для парфюмерных изделий или для создания отличительного внешнего вида продукта.
Пример 1: Изготовление заготовки из стекла, легированной Аl2О3/Еr2О3 методом ALD
Функциональные возможности настоящего изобретения, т.е. применение метода ALD для легирования материала из пористого стекла, были изучены путем нанесения слоя Аl2О3/Еr2О3 на поверхности заготовки из пористого стекла, применяемой для изготовления оптических волокон.
Заготовка из пористого стекла была изготовлена с применением известного ранее золь-гель метода. Заготовку из пористого стекла можно также изготовить любым другим традиционным методом для изготовления заготовки из пористого стекла. Заготовкой из пористого стекла служила заготовка из SiO2.
При изготовлении заготовки из пористого стекла золь-гель методом заготовка из стекла содержала свыше 200 ppm (по массе) гидроксильных групп. Чтобы улучшить эффективность метода ALD, количество гидроксильных групп было увеличено дополнительно путем обработки заготовки из стекла водородом после облучения. После обработки количество гидроксильных групп составило 1000 ppm.
После того как были изготовлены заготовки из стекла, на поверхности заготовки из пористого стекла были нанесены слои Аl2О3/Еr2О3 методом ALD.
Для примера были использованы следующие исходные материалы для Аl2О3:
АlХ3, где Х представляет собой F, Cl, Вr или I,
Х3Аl, т.е. металлоорганическое соединение, где Х представляет собой Н, СН3, СН3СН2, (СН3)2СН2 и т.д.,
АlХ3, где Х представляет собой лиганд, который координируется через атом кислорода или азота, такой как этилоксид, изопропилоксид, 2,2,6,6-тетраметилгептандион, ацетилацетонат или N,N-диалкиацетамиденат.
В дополнение к вышесказанному также можно использовать соединения, в которых лиганды представляют собой комбинации вышеперечисленных веществ.
Например, можно применять следующие исходные материалы в качестве исходных материалов для эрбия:
ЕrХ3, где Х представляет собой F, Cl, Вr, I или нитрат,
Еr(Х)3 или Еr(Х)3Z, где Х представляет собой лиганд, который координируется через атом кислорода, например, одно или более чем одно из следующих веществ: 2,2,6,6-тетраметилоктандион, 2,2,6,6-тетраметилгептандион, ацетилацетонат и т.п., и Z представляет собой, например, тетраглим, пиридин-N-оксид, 2,2'-бипиридил или 1,10-фетантролин или соответствующий нейтральный лиганд.
Х3Еr или Х3ЕrZ, где Z представляет собой C2Z5 (Z=Н или R) или его производные или соответствующий лиганд, который координируется через η1-, η5- или η8-, а Z представляет собой нейтральный лиганд,
ЕrХ3, где Х представляет собой лиганд, который координируется через атом азота, например алкилсилиламид или N,N-диалкилацетамиденат.
При осаждении в качестве второго исходного материала как для алюминия, так и для эрбия, можно использовать соединения, содержащие кислород, такие как вода, перекись водорода, кислород, озон или различные алкоксиды металлов.
В данном эксперименте в качестве исходных материалов использовались (СН3)3Аl и Еr(thd)3 (thd=C11H20O2). Вода и озон использовались как исходные кислородсодержащие материалы. При осаждении использовалась температура 300°С. Ряд экспериментов по осаждению осуществляли при изменении отношения импульсов Еr(thd)3/О3 и (СН3)3Аl/Н2O между 1:0 и 0:1.
Осаждение методом ALD включало 2 стадии. Сначала на поверхности заготовки из стекла нанесли слой Al2O3, используя в качестве исходных материалов (СН3)3Аl и H2O, и затем на поверхности заготовки из стекла нанесли слой Еr2О3, используя в качестве исходных материалов Еr(thd)3 и О3. Цикл продолжали до тех пор, пока на поверхности не сформировался достаточно толстый слой.
Было обнаружено, что метод ALD является эффективным для изготовления заготовки из пористого стекла, легированного Аl2О3/Еr2О3. Количества, требуемые в типичных Еr заготовках, также как и соотношения между веществами, подлежащими легированию, были получены методом ALD посредством малого числа циклов. Таким образом, время обработки получилось коротким, а затраты - низкими.
Также было обнаружено, что легирование Аl2O3 можно использовать для увеличения коэффициента преломления вместо дорогостоящего легирования GeO2, обычно применяющегося для увеличения коэффициента преломления.
После легирования оставшиеся ОН группы были удалены и заготовка из пористого стекла герметично запаяна, при этом силы диффузии выровняли соотношение концентрации на поверхности пор и заготовки из стекла и одновременно сформировали равномерно легированную Аl2О3 и Еr2О3 заготовку из пористого стекла.
После этого вокруг заготовки образовали оболочку из диоксида кремния. Наконец, заготовку и оболочку спекли. В результате была получена чистая волоконная заготовка, из которой вытянуто оптическое волокно.
Пример 2: Изготовление заготовки из стекла, легированной Аl2О3/Еr2О3 методами MCVD и ALD
Применение метода ALD/MCVD согласно настоящему изобретению для легирования материала из стекла было изучено путем комбинации методов ALD и MCVD. В этом эксперименте слой Аl2О3/Еr2О3 был нанесен на внутреннюю поверхность заготовки из стекла, применяемую в изготовлении оптического волокна, на стадии, когда материал сердцевины пористого стекла был нанесен на внутреннюю поверхность заготовки.
Заготовка из стекла была изготовлена ранее известным методом MCVD. В этом методе стеклянная трубка, выполненная из синтетического кварцевого стекла, была закреплена на токарном станке для стекла, в котором трубка вращалась. Тетрахлорид кремния SiCl4, оксихлорид фтора POCL3 и тетрафторид кремния SiF4 были введены внутрь трубки через вращающийся соединительный элемент из газовой камеры. Трубка была нагрета в водородно-кислородном пламени, полученном из горелки из кварцевого стекла. В горячей точке, полученной в результате нагрева водородно-кислородным пламенем, исходные материалы реагировали с образованием частиц кварцевого стекла, легированных фтором и фосфором. В результате термофореза эти частицы перемещались в направлении потока газа на внутреннюю поверхность трубки и к ней присоединялись. Поскольку водородно-кислородная горелка также двигалась в направлении потока, горячее пламя спекало прикрепленные частицы в прозрачный слой стекла. После этого горелку быстро возвращали в конец вращающегося соединительного элемента трубки из кварцевого стекла и получали второй слой стекла, и так продолжали до тех пор, пока не получали достаточное количество слоев стекла для образования оболочки конечного волокна.
Вредные газы, образующиеся во время реакций внутри трубки, выводили через камеру для сажи в газоочиститель.
После этого газовые потоки, вводимые в трубку, были изменены так, чтобы в трубку вводили только тетрахлорид кремния SiCl4. Потоки из газовой горелки, т.е. водородно-кислородной горелки, были уменьшены так, чтобы уменьшить температуру горячей точки таким образом, чтобы продолжить образование частиц из оксида кремния, но не нагревать стеклянную трубку достаточно для спекания слоя пористого стекла. Для специалиста в данной области очевидно, что то же самое можно получить, например, если двигать водородно-кислородную горелку так быстро, чтобы у трубки не хватало времени для нагревания до температуры, необходимой для спекания. Во время проведения экспериментов было неожиданно обнаружено, что, контролируя скорость подачи материала и скорость движения горелки, можно контролировать размер частиц осажденного пористого слоя и также соответственно размер частиц, и таким образом оптимизировать слой пористого стекла, чтобы он был пригоден для последующего осаждения методом ALD. Было нанесено достаточное количество слоев пористого стекла, так что было получено достаточное количество вещества для сердцевины оптического волокна.
Для того чтобы сделать метод ALD эффективным, в заготовку из пористого стекла были добавлены гидроксильные группы путем облучения заготовки из стекла и ее обработки водородом после облучения. По окончании обработки количество гидроксильных групп достигло 1000 ppm.
После получения пористого слоя на поверхности заготовки из пористого стекла были нанесены слои Аl2О3/Еr2О3 методом ALD. Способ данного изобретения характеризуется тем, что трубка из кварцевого стекла, на внутреннюю поверхность которой был нанесен пористый слой, ведет себя как реактор, необходимый в методе ALD. Таким образом, заготовку из пористого стекла не нужно отсоединять от токарного станка для обработки стекла, а волоконная заготовка, чрезвычайно чувствительная к загрязнениям, остается чистой в течение всего процесса.
Для осаждения методом ALD поток MCVD газов из системы потока был остановлен, и газы были выведены из системы потока для проведения метода ALD. Для специалиста в данной области очевидно, что эти системы потока можно разделить или объединить. Водородно-кислородная горелка, применяемая в методе осаждения MCVD, была выведена соответствующим образом из района непосредственной близости к трубке так, что другой источник нагрева был установлен возле трубки для увеличения внутренней температуры трубки примерно до 300°С.
Со стороны газоочистителя трубки кварцевого стекла был установлен герметизирующий элемент, посредством которого было создано отрицательное давление, необходимое для метода ALD. Для ясности, камера для сажи не отражена на фигуре.
Например, следующие исходные материалы можно использовать в качестве исходных материалов Al2O3:
AlCl3/H2O (от 100 до 660°С),
АlСl3/Аl(ОЕt)3 или Аl(OРr)3 (300, 400°С),
АlСl3, Аl(ОЕt)3, Аl(ОРr)3/различные спирты (от 300 до 500°С),
(СН3)2АlСl/Н2О (от 125 до 500°С),
(СН3)3Аl/Н2О (от 80 до 600°С),
(СН3)3Аl/Н2O2 (от комнатной температуры до 450°С),
(СН3СН2)3Аl/Н2О (600-750°С),
(СН3)2Аl/Аl(OРr)3 (300°С),
(СН3)2(С2Н5)N:АlН3/О2 плазма (100-125°С).
Например, следующие исходные материалы можно использовать в качестве исходных материалов для эрбия:
ЕrХ3, где Х представляет собой F, Cl, Вr, I или нитрат,
Еr(Х)3 или Еr(Х)3Z, где Х представляет собой лиганд, который координируется через атом кислорода, например, одно из следующих веществ: 2,3,6,6,-тетраметилоктандион, 2,2,6,6-тетраметилгептандион или ацетилацетонат, и Z представляет собой, например, тетраглим, пиридин-N-оксид, 2,2'-бипиридил или 1,10-фетантролин, или соответствующий нейтральный лиганд,
Х3Еr или X3ErZ, где X представляет собой C5Z5 (Z=Н или R), или его производные или соответствующий лиганд, который координируется через η1-, η5- или η8-, а Z представляет собой нейтральный лиганд,
ЕrХ3, где Х представляет собой лиганд, который координируется через атом азота, например алкилсилиламин или N,N-диалкилацетамиденат.
В этом тесте в качестве исходных материалов были использованы (СН3)3Аl и Er(thd)3 (thd=C11H20O2). Исходными материалами для кислорода служили вода и озон. При осаждении использовали температуру 300°С. Ряд экспериментов по осаждению осуществляли при изменении отношения импульсов Еr(thd)3/О3 и (СН3)3Аl/Н2О между 1:0 и 0:1.
Легирование методом ALD включало 2 стадии. Сначала на поверхность заготовки из стекла нанесли слой Аl2О3, используя в качестве исходных материалов (СН3)3Аl и Н2О, затем на поверхности заготовки из стекла нанесли слой Еr2О3, используя в качестве исходных материалов Еr(thd)3 и О3. Цикл продолжали до тех пор, пока на поверхности не сформировали достаточно толстый слой.
Было обнаружено, что метод ALD является эффективным для изготовления заготовки из пористого стекла, легированного Аl2O3/Еr2O3. Количества, требуемые в типичных Еr заготовках, также как и соотношения между веществами, подлежащими легированию, были получены методом ALD посредством малого числа циклов. Таким образом, время обработки и затраты оставались низкими.
Кроме того, было замечено, что легирование Аl2O3 можно использовать для увеличения коэффициента преломления вместо дорогостоящего легирования GeO2, обычно применяющегося для этого.
После легирования методом ALD устройство было возвращено в свое первоначальное состояние, а оставшиеся ОН группы были удалены путем обработки хлором, и после этого слои пористого стекла были спечены в прозрачные слои стекла.
Наконец, заготовка и оболочка были сплющены, т.е. заготовку из трубки нагревали до тех пор, пока трубка не замкнулась. В результате была получена чистая волоконная заготовка, из которой затем было вытянуто волокно.
Для специалиста в данной области очевидно, что как техническое достижение, основную идею изобретения можно осуществить многими различными путями. Данное изобретение и варианты его осуществления, таким образом, не ограничиваются вышеописанными примерами, но могут варьировать в рамках формулы изобретения.
Пример 3: Нанесение методом ALD примера 2
В данном эксперименте, выполненном для испытания данного изобретения, специальную волоконную заготовку, особую преформу, легировали алюминием и эрбием методом ALD. В данном эксперименте было проделано 10 рабочих циклов (1*Er(О3+1*Аl/Н2О) с приведенными ниже параметрами технологического процесса, и при этом были получены следующие результаты:
| Исходная преформа: | |
| Пористость: | 58% |
| Толщина слоя сажи | 29 мкм |
| Температура | 300°С |
| Время импульса ТМА (триметилен алюминий) | все по 5 мин |
| +вода+Еr(thd3)+О3 | |
| Соответствующее время ополаскивания | 5 мин |
| Давление | 2 мбар |
| Полученная концентрация | Er/(Er+Al+Si)=0.038 (моль/моль) |
| Еr/Аl=1.28 |
Концентрации легирующих добавок в специальной волоконной заготовке, полученные в данном тесте, были более чем достаточны для их применения, таким образом, даже меньшее количество импульсов приводит к корректному легированию. Пример показал, что способ работает для пористых материалов, и его можно применять для эффективного и достаточного легирования даже при меньшем количестве циклов. Способ также является довольно быстрым по сравнению с методами импрегнирования, известными ранее. В зависимости от используемых исходных материалов и материалов основы, также возможны другие модификации материала при легировании.
Пример 4: Легирование полимерного материала
В качестве субстрата для легирования методом ALD использовали полиамид (марка РА2200, EOS GmbH) в виде частиц со средним размером 60 мкм. На эти частицы полиамида была нанесена пленка TiO2 в ALD-реакторе проточного типа Р400 (фирмы Beneq Oy, Финляндия). Порошок полиамида в количестве 100 г на один цикл покрытия помещали на пластину диаметром 200 мм, покрытую фильтром, установленную в ALD-камере. В качестве прекурсора титана использовали тетрахлорид титана (TiCl4) чистотой 99,99% фирмы Aldrich. В качестве источника кислорода использовали деионизированную воду. В качестве носителя и промывочного газа использовали азот (N2) чистотой 99,99%. Температура реакции -40°С, давление - 130 Па. Последовательность циклов при наращивании слоев: 30 импульсов водяного пара, затем 15 импульсов - продувка азотом, затем 60 импульсов тетрахлорида титана, затем 15 импульсов - продувка азотом, т.е. полный цикл составил 120 импульсов. Эту последовательность повторяли столько раз, сколько было необходимо, чтобы получить пленку TiO2 толщиной 10 или 40 нм на поверхности субстрата из полиамида. После ALD-реактора покрытые частицы сплавляли. Испытания на растяжение показали значительно более высокий модуль упругости (модуль Юнга), чем чистый или традиционно наполненный полиамид.
1. Способ легирования материала, включающий нанесение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки на поверхность материала, подлежащего легированию, и/или на поверхность его части или частей методом послойного атомного осаждения (методом ALD), где материал, легированный легирующей добавкой, дополнительно обрабатывают таким образом, что первоначальная структура слоя легирующей добавки изменяется или по меньшей мере частично разрушается, посредством чего компоненты легирующего слоя вместе с веществом основы образуют материал нового состава, отличающийся тем, что на поверхность материала, подлежащего легированию, добавляют реакционноспособные группы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционноспособные группы на поверхности материала, подлежащего легированию, образуют посредством обработки этого материала облучением.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционноспособные группы на поверхности материала, подлежащего легированию, образуют посредством осуществления взаимодействия его поверхности с подходящим газом или жидкостью.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют количество легирующей добавки на поверхности материала, подлежащего легированию, посредством регулирования количества реакционноспособных групп в материале, подлежащем легированию.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, представляющий собой однородный сплошной или аморфный материал.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, представляющий собой материал в виде частиц или пористый материал.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, представляющий собой стекло, керамику, полимер, металл или изготовленный из них композиционный материал.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют материал из стекла, представляющий собой материал из пористого стекла или заготовку из стекла, используемую для изготовления оптических волокон или плоских оптических волноводов.
9. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют материал из пористого стекла или заготовку из стекла, которые изготовлены одним из следующих методов: метод CVD (метод химического парофазного осаждения), метод OVD (метод внешнего парофазного осаждения), метод VAD (метод осевого парофазного осаждения), метод MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), метод PCVD (метод активированного плазмой химического парофазного осаждения), метод DND (метод прямого осаждения наночастиц) и золь-гель метод.
10. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют материал из пористого стекла, представляющий собой кварцевое стекло, фосфорное стекло, фтористое стекло и/или сульфидное стекло.
11. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют материал из пористого стекла, который частично или полностью легирован одним или более чем одним материалом, включающим германий, фосфор, фтор, бор, олово и/или титан.
12. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением по меньшей мере одного слоя с легирующей добавкой на поверхность заготовки из пористого стекла и/или на поверхность части или частей заготовки с помощью метода послойного атомного осаждения (метода ALD) по меньшей мере один слой материала из пористого стекла наносят методом MCVD на внутреннюю поверхность полой заготовки из стекла, такой как стеклянная трубка, в том же самом устройстве, по существу, таким образом, что по меньшей мере одна часть полой заготовки из стекла служит реактором в методе ALD.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, удельная площадь поверхности которого составляет более 1 м2/г, предпочтительно более 10 м2/г и наиболее предпочтительно более 100 м2/г.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносят по меньшей мере несколько слоев различных легирующих добавок.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительная обработка материала, покрытого легирующей добавкой, представляет собой механическую обработку, химическую обработку, облучение или нагревание.
16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает промывку поверхности материала, подлежащего легированию, инертным газом в промежутках между стадиями осаждения слоев методом послойного атомного осаждения.
17. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, который находится на поверхности подложки.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что при дополнительной обработке легирующую добавку подвергают растворению, диффузии или смешиванию частично или полностью с материалом, подлежащим легированию.
19. Способ по п.1, отличающийся тем, что при дополнительной обработке легирующая добавка остается в виде части промежуточной фазы материала, подлежащего легированию.
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют материал, подлежащий легированию, представляющий собой композиционный материал или композицию, а в процессе дополнительной обработки легирующая добавка, нанесенная методом ALD, реагирует и образует различные соединения в различных точках материала, подлежащего легированию.
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что свойства материала, подлежащего легированию, изменяют благодаря диффузии, растворению, смешиванию или реакции легирующей добавки.
22. Способ по п.1, отличающийся тем, что новыми свойствами легированного материала являются измененные коэффициент преломления, поглощающая способность, электропроводность и/или теплопроводность, цвет или механическая или химическая стойкость.
23. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют легирующую добавку, представляющую собой присадку, вспомогательное вещество, наполнитель, краситель или композицию.
24. Способ по п.23, отличающийся тем, что используют легирующую добавку, представляющую собой тепло-, свето- или электропроводное вспомогательное вещество, усилитель прочности, пластификатор, пигмент или спекающую добавку.
25. Способ по любому из пп.8-13, отличающийся тем, что если материал, подлежащий легированию, представляет собой материал из пористого стекла, его легируют частично или полностью одним или более чем одним веществом, выбранным из веществ, включающих редкоземельный металл, такой как эрбий, иттербий, неодим и церий, вещество из группы бора, такое как бор и алюминий, вещество из группы углерода, такое как германий, олово и кремний, вещество из группы азота, такое как фосфор, вещество из группы фтора, такое как фтор, и/или серебро.
26. Способ по п.1, отличающийся тем, что его используют для изготовления оболочки заготовки из стекла, сердцевины заготовки из стекла, фотопроводника, структур на кремниевой подложке, твердых металлов, для легирования поверхности или для изготовления композиционных материалов.
27. Легированный материал, отличающийся тем, что получен способом по любому из пп.1-26.
