专利名称：抗氢氧离子和氢的硅材料的制作方法
背景技术：
和概述本发明涉及光学介质或能传输光学信号的材料，更具体地说，本发明涉及抗氢氧离子(OH)和氢(H)的材料及其制备方法。
由于其透明度，二氧化硅玻璃或硅石为用于光学纤维的一种玻璃。已使用了包括硅的其他的光学材料。硅基纤维具有传输损耗。这些传输损耗具有三种部分OH吸收，瑞利散射(Rayleigh scattering)和乌-维氏拖尾(Urbach tail)。
硅基材料是吸收OH的亲水性材料。这个吸收产生传输损耗。通常，传输损耗如参考1的图1中的曲线图10所示。这是作为波长函数的传输损耗曲线图。OH吸收在约1400纳米处产生峰，该峰约为基频OH模式(fundamental OH mode)的二分之一。瑞利散射的结果如曲线图12所示。瑞利散射与1/λ4成比例。因此，瑞利散射是由波长或λ决定的。散射来自玻璃的不均匀性，这种不均匀性本质上来讲是无规律的，尽管在制造过程中非常小心地控制纯度和均匀度。光在折光率有变化的任何一点进行散射。如所示的乌-维氏作用(contribution)从约1,600纳米处开始产生乌-维氏拖尾14。这是由硅氧键(S-O)的振动造成的。穿过底边的实线16显示出瑞利和乌-维氏作用的总和，这可以是硅基玻璃的透明度限制。
沿着传播路径的光的空间散布为分散。能够使用适当的掺杂来控制分散。掺杂物通过提高折射率来改变纤维的折射率。抑制过程和内折射相似。使用哪种掺杂物以及怎样将其加入用来使与高容量的光传输系统有关的所有系数最佳化。特殊的配置用于确定分散和非线性之间的相互作用最优化。
图2A显示损耗机理对硅标准(单)模纤维SMF的频谱波长的相关性。图2B显示在多模和单模纤维中传输信号的模态色散对比。见参考2。
在历史上，通过应用例如分散补偿器、中继放大器等某些修正和最优化设备来在光纤的限定周围设计光学系统。所以，使用各种设计来减少纤维的传输损耗。这包括将基础纤维包层(cladding)。参考3和4显示用来减少固有纤维损耗的两个最新加工方法。
参考5和参考6是通过掺加硅来在理想波长下，以相对低的成本产生具有相对高透过率的滤光片的最早尝试之一，但其与前面所述两个参考一样，容易受水的影响。参考6为在参考5中应用的方法。将Si和Te在1075℃加热72小时。必须将得到的SiTe2结构置于真空中，防止其通过与水蒸气的相互作用而在大气中分解。这不仅在材料成本方面很昂贵，而且制造成本也很昂贵。最近的分析显示在参考7中。
本发明涉及一种形成至少在1,200到1,700纳米的波长上具有基本上线性响应的单晶体结构的方法，生成的结构以及其作为光学介质的应用。因此，提供了具有零衰减的最大可获得的光传输。没有本征物质的吸收。
对于硅基材料，所述方法产生抗氢氧离子(OH)的硅材料。在最低程度，由于在1,000纳米到在2,000纳米的乌-维氏拖尾之间没有吸收峰，传输对波长响应是平面的。在1,400纳米处没有氢氧离子振动峰的第二谐波。基本上消除了瑞利散射。
通过本方法制备的硅基材料的实施例是硅石-碲单晶体结构。该结构为SiO2Tex，其x在1/3到5/3范围之内。硅石和碲的结构包括孪晶结构。孪晶角为90度。该方法还包括硅-碲单晶体结构。
本发明的一个方法包括将两种物质插入到坩锅中，并且将坩锅密封在封袋(envelope)中。在烤箱中加热这两种物质，加热的温度和时间足以使得这两种物质产生单晶体材料，该单晶体材料至少在1,200到1,700纳米的波长上具有基本线性的响应。
另一方法包括将两种物质插入到基本上球形的坩锅中。将坩锅密封在基本上球形的封袋中。在烤箱中加热这两种物质，加热的温度和时间足以使得这两种物质产生单晶体材料。加热要进行足够长的时间，以使得所有插入的材料能够转化为这两种物质的单晶体材料。坩锅的开口应该足够大，以使得在保持坩锅球形形状的同时接收物质。例如，坩锅的直径至少是从其加入物质的坩锅开口的直径的二倍。
两种方法所生成的材料是单晶体材料的聚集物。可以通过处理将任意一种产品的生成的材料加入到光学介质中。该材料还可以作为保护涂层用于金属或陶瓷上。其可以是晶体、晶片、棒或纤维。对于获得上述的传输特征，包层或其他处理过程是不必要的。
当考虑结合附图时，本发明的这些方面和其他方面通过下述对本发明的详细描写将变得更清晰。
图1为作为纤维中信号传播的标准模式硅光纤中每波长传输损耗的曲线图。
图2A为另一个损耗机理对标准模式硅光纤的频谱波长的曲线图。
图2B是在多模和单模光纤中传播信号的模态色散对比。
图3是根据本发明的方法流程图。
图4A是作为根据本发明装载方法一部分的坩锅和物质的分解图。
图4B是图4A的坩锅和物质的装配图。
图5A-5C显示根据本发明将坩锅密封在封袋中的方法。
图6是生成的带有破碎坩锅的聚集材料的放大图。
图7A和7B分别显示在200微米和20微米分辨率的单晶体结构的聚集物的扫描电子显微图。
图7C是在5微米分辨率处理后的单晶体结构的显微光谱图。
图8是显示粉状生成材料结构的x线衍射图。
图9是图7C和图8材料的16个晶体的FTIR传输响应。
图10是图9的16个晶体中3个晶体的FTIR传输响应。
具体实施例方式
图3所示方法包括在20制备用来形成单晶体材料的两种组分的混合物。然后在22，将制备的材料插入到坩锅中。在24将坩锅密封在封袋中。在26，将材料加热，加热的温度和时间足以形成两种物质的单晶体结构。时间和温度应该足以使得所有的材料形成单晶体结构。在28，将材料从封袋的坩锅中移出。然后在29，将单晶体材料加工成光传递介质。
图4A和B显示坩锅作为中空球或球体30的实施例。球或球体30具有至少一个开口31。在实验运行中，市场上可买到的坩锅30有第二个开口32。由于第二个开口32是在坩锅30上，所以必须闭合开口31和32，以使材料保持在坩锅中。为使实验运行，如图4A和B所示，提供一个材料薄片33盖住开口32。例如薄片33可以是金制的。如果第二个开口32不存在，可以去除薄片33。然后将样品34放入坩锅30，并且用薄片35和36盖住。例如，薄片35和36可以是银制或金制的。最后，用两个可以是银制的薄片37和38包裹整个坩锅30。在图4B中显示出获得的结构的横截面。
在坩锅30上的开口31应该足够大，使得在保持坩锅球状的同时接收物质。
应该注意的是用于坩锅30的材料可以是石英、金、银、或其他材料。同样的，例如，覆盖材料33，35，36也可以是石英网。
然后如图5A所示，将包裹的坩锅30置于封袋50中。如图5B所示，在52处收缩封袋50并且接收导管54。抽空封袋50的内部。如图5C所示，将导管从封袋50中移出并将封袋在56处密封。生成的结构通常是类似泪滴的球形。封袋50形成压缩52以及在56的密封的方法是在加热下以两步法进行的，并且要足够慢以致无需预热或不会影响坩锅30中的材料。例如，封袋50可以是石英的。
作为实施例，坩锅30可以是具有大约12毫米直径Dc的球或球体，其带有至少一个大约3.5毫米直径的开口32、33。坩锅的直径Dc至少应该是开口的直径Do的二倍，以保持坩锅的球形。获得的封袋50可以有大约22毫米的直径De，以及50.8毫米的高度。封袋50的厚度可以是大约1毫米。
然后将其中带有坩锅30和样品34的封袋50插入到烤箱中。加热足够的温度和时间来产生样品或两种物质的单晶体材料。加热的时间也应该足以使所有材料形成单晶体材料。结构为单晶体的聚集物。
为继续该实施例，在将其放入烤箱以前，可以将样品34、坩锅30和封袋50装入罐中。对于本实验，将其放置在核技术等级管钢的罐中。该罐在加热过程中保护烤箱免受任何碎片。而且发现，由于其也被加热，罐可以延长冷却时间。
将罐插入到冷的烤箱中。例如，将烤箱设定在800摄氏度。然后将材料加热5小时，之后关闭使其冷却。冷却时间要持续到触摸时感到冷。这个冷却时间大约为10小时。将封袋50撕开。温度可以在大约700到1000摄氏度的范围内，时间在约为3.5到7小时的范围内。温度范围可以高于或低于物质的离子化温度，而且足以产生单晶体材料。具体的时间和温度取决于样品材料和烤箱性质。
该实施例是用来形成抗氢氧离子的二氧化硅。例如，摩尔比为SiO2Te4/3。例如在生产1g最终产品的实施例中，将0.260g二氧化硅与0.38g碲结合。通过将两种物质加入到例如玛瑙研钵中来制备混合物。然后使加工后的材料在压力下形成片剂。将全部或部分的片剂插入坩锅中。对于给定的温度和时间，使用一半片剂。
结果显示在图6中。坩锅30显示为黑灰色，并且生成的材料的聚集物60在球内和球外均有所显示。聚集物为略带白色/浅灰色/微褐色，没有单独的硅石和碲的明显迹象。由于可在显微镜下观察到晶体表面，聚集物多少有点易碎。结构中的单晶体为孪晶。其具有90度的孪晶角。
来自扫描电子显微镜的图7A和7B分别显示在200和20微米分辨率下，单晶体SiO2Te4/3在聚集物中的分布的实施例。图7C显示出在将材料从聚集物中刮出，接着将其压碎或研碎之后的单晶体结构SiO2Te3/4在5微米分辨率下的显微光谱图。黑箱在参考点的每一边上为5微米。平均微晶大小为1微米。
进行x线衍射测试来确定存在于粉状单晶体材料中的结构。如所知，确定的晶体结构为α低温型石英(alpha-low quartz)(SiO2)，α低温型方石英(SiO2)，以及不确定的材料结构。基于使用大方差的衍射测试结果的再运行，最接近于不可辨别材料的晶体结构的可辨别材料的晶体结构为氧化锌(ZnO)。α低温型石英(SiO2)，α低温型方石英(SiO2)和氧化锌的晶格对比显示出氧化锌是六角锥形，成对底对底(twined base to base)，石英也是六角形，方石英是立方体或四角形的。
还应该注意的是石英和方石英是架状硅酸盐。实际上，其需要高于1400摄氏度的温度和极限压力来形成。本方法是在这个温度下和真空中进行的。
然后通过高压压缩将生成的材料研碎或加工成薄的晶片、棒、缆或纤维形式。不再需要高温加热步骤。作为选择，可以将其熔化为所需形状的上游材料(pre-form)，如同其他二氧化硅材料一样撕裂或进一步加工。单晶体结构不会由于施压或熔化而转变。
图9显示上述实验中16个样品的传送损耗，其作为由FTIR测量的波数的函数。纵座标不是损耗的连续百分比，用来显示基本上线性和/或平面的响应。每个纵座标的刻度是5％。波数7000到5000对应于1000纳米到2000纳米的波长。由于氢氧离子的第二谐波，没有峰形，并且没有乌-维氏拖尾。
图10显示4个选择样品的透射率百分比对波数的曲线图。再一次，即使透射率百分比变化，所有样品基本上为平面。透射率的区别来自透射率测试之前对生成材料的加工。当样品压制成细粉和较少的微粒时，透射率有所改善。一个重要方面是响应为平面的，并且制备用于测量的样品的进一步技术预期能得到基本上100％的透射率。
配方物SiO2Te4/3为本方法产生的新材料，但该方法可以用于生产两种物质的其他单晶体化合物。材料可以是SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范围内。单晶体材料可以是其他硅基材料，例如硅和碲化物。对SiTe2实施上述方法，显示出类似结果。不过这些仅仅是实施例，并且该方法能够用于其他物质。
还应该注意的是在与上述实施例相同的温度和时间下，实验在矩形坩锅和试管形封袋中通过使用硅和带有碲的二氧化硅来实施，但是没有获得相同结果。极少形成结合材料的单晶体。普通球形坩锅和封袋增加了所有材料的可结晶性。
由本方法制成的材料不仅抗OH，也抗H2O和H。因此，本材料可以用作例如金属、陶瓷或其他表面的基底上的阻挡层，来阻挡OH，H2O和H。如上所述将材料进行研碎，并且根据金属或陶瓷的现有技术应用到金属或陶瓷的表面。其将阻止金属表面的氧化、表面损坏和碎裂以及陶瓷的损坏或碎裂。其同样也能应用于集成电路基底和其上面的各种金属层上。
尽管对本发明进行详细的描述和图解，应确知仅通过图解和实施例来解释本发明，但不是进行限定。本发明的精神和范围只通过权利要求的条款来限定。
参考1.Gordon A.Thomas等人，Physics in the Whirlwind of OpticalCommunications，Physics Today，30-36页，2000年9月。
2.Infrared Fiber Optics，Naval Research Laboratory，Washington，D.C.
3.Ranka等人，美国专利号6,400,866(2002年6月4日)。
4.P.Fernández de Cordoba等人，La nueva generación de fibrasópticas，El País，2002年6月5日。
5.E.G.Doni-Caranicola等人，Use of single SiTe2crystals with alayered structure in optical filter design，J.Opt.Soc.Am.，383-386页(1983)。
6.A.P.Lambros等人，The Optical Properties of SiliconDitelluride，Phys.Status Solidi(b)，Vol 57，No.2，793-799页(1973)。
7.Kazuhisa Taketoshi等人，Structural Studies on SiliconDitelluride(SiTe2)，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol 34，3192-3197页(1995)。
权利要求
1.一种形成两种物质的单晶体结构的方法，包括将两种物质插入基本上球形的坩锅中；将坩锅密封在基本上球形的封袋中；在足以产生两种物质的单晶体结构的温度和时间下，在烤箱中加热两种物质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述两种物质是硅基物质和碲。
3.根据权利要求2所述的方法，其中选定插入的硅石和碲的量来形成SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成具有孪晶结构的单晶体材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中孪晶结构具有90度的孪晶角。
6.根据权利要求1所述的方法，其中坩锅的直径至少是通过其插入物质的坩锅开口的直径的两倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中坩锅是石英和金之一。
8.根据权利要求1所述的方法，包括将通过其加入物质的坩锅开口覆盖。
9.根据权利要求1所述的方法，其中进行加热直到所有的材料都形成两种物质的单晶体材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在低于两种物质的离子化温度的温度下进行加热。
11.根据权利要求1所述的方法，其中加热是在700到1000摄氏度的温度范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成两种物质的单晶体材料的聚集体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中一种物质包括硅。
14.一种形成具有至少在1,200到1,700纳米的波长上基本上线性响应的单晶体结构的方法，包括将两种物质插入坩锅中；将坩锅密封在封袋中；在足以产生具有至少在1,200到1,700纳米的波长上基本上线性响应的两种物质的单晶体材料的温度和时间下，在烤箱中加热两种物质。
15.根据权利要求14所述的方法，其中两种物质是硅基物质和碲。
16.根据权利要求15所述的方法，其中选定插入的硅石和碲的量来形成SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范围内。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法形成具有孪晶结构的单晶体材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中孪晶结构具有90度的孪晶角。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述坩锅的直径至少是通过其加入物质的坩锅开口的直径的两倍。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述坩锅是石英和金之一。
21.根据权利要求14所述的方法，包括将通过其加入物质的坩锅开口覆盖。
22.根据权利要求14所述的方法，其中进行加热直到所有的材料都形成两种物质的单晶体材料。
23.根据权利要求14所述的方法，其中在低于两种物质的离子化温度的温度下进行加热。
24.根据权利要求14所述的方法，其中加热是在700到1000摄氏度的温度范围内。
25.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法形成两种物质的单晶体材料的聚集体。
26.根据权利要求14所述的方法，其中一种物质包括硅。
27.一种光学介质，包含具有至少在1,200到1,700纳米波长上基本上线性响应的硅化合物的单晶体结构。
28.根据权利要求27所述的介质，其中所述结构为SiO2Tex，其中x在1/3到5/3的范围内。
29.根据权利要求27所述的介质，其中单晶体结构具有孪晶结构。
30.根据权利要求27所述的介质，其中孪晶结构具有90度的孪晶角。
31.根据权利要求27所述的介质，其中所述结构具有至少在1,200到1,700纳米波长上基本上平面的响应。
32.根据权利要求27所述的介质，其中所述光学介质是纤维、棒、晶片和晶体中的一个或者多个。
33.根据权利要求27所述的介质，其中光学介质是晶片。
34.一种光学介质，包含具有图8所示结构的硅石和碲的单晶体结构。
35.一种光学介质，包含具有SiO2Tex的单晶体结构，其中x在1/3到5/3的范围内。
36.一种具有由材料进行表面涂层的基底，所述材料包含具有至少在1,200到1,700纳米波长上基本上线性响应的硅化合物的单晶体结构。
37.根据权利要求36所述的基底，其中基底是金属和陶瓷之一。
全文摘要
一种形成至少在1,200到1,700纳米的波长上具有基本上线性响应的单晶体结构的方法，生成的结构以及其作为光学介质或屏蔽涂料的应用。因此，提供了具有零衰减的最大可获得的光传输。没有本征材料的吸收。
文档编号C23C14/24GK1656029SQ02829386
公开日2005年8月17日 申请日期2002年10月8日 优先权日2002年7月8日
发明者S·库拉托洛 申请人:Czt公司