[发明专利]一种纳米晶体图形转印的方法及纳米晶体图形材料

说明书

技术领域

本发明属于光电子信息技术和光学玻璃表面改性技术领域，具体涉及在氧化物玻璃或单晶基片中图形化转印技术及其材料。

背景技术

玻璃材料是一种结构稳定、性能优良的光学材料，广泛应用于建筑、汽车、装潢、包装等技术领域；同时在光电子信息技术领域作为一种优质的基片材料，在信息显示、存储、传输、处理等领域得到大量应用。应用于这些领域的玻璃材料包括硅酸盐系统、磷酸盐系统、硼酸盐系统以及重金属氧化物系统玻璃等。

在光学玻璃材料中引入各种纳米晶体，既不破坏玻璃材料原有的光学性能，又能利用纳米晶体具有的量子效应及其他各种特性，制成具有各种使用效能的功能玻璃材料。如在玻璃基体中引入金、银、铜等贵金属及其化合物纳米晶体、以及稀土纳米晶体，可以获得优良的荧光、非线性光学、光吸收等独特光学效应；在玻璃基片中引入铁、钴、镍等纳米晶体，则在磁记录、磁光器件等领域具有广泛的应用前景。各种纳米晶体在玻璃基片中的按需图形化分布，则可应用于各种光学元器件的设计、制造，融材料制备和器件制作于一体。此外，在传统建筑玻璃、包装玻璃、装饰玻璃中引入金、银、铜、氧化钛等纳米晶体，则在玻璃着色、灭菌、自洁等领域得到广泛应用。

目前，通常采用溶胶-凝胶法、热处理法、多孔玻璃法、离子交换法等在玻璃基片表面或内部获得纳米晶体，或者采用物理溅射、化学沉积等手段在基片表面进行功能化镀膜。这些纳米晶体和薄膜制备方法通常只能实现在整个玻璃基片表面或内部的均匀分布，较难实现按需图形化分布。在集成电路芯片的制造过程中，通常采用光刻技术在玻璃或单晶基片上制备各种微米、纳米尺寸图形，近年来还出现一种纳米压印的纳米图形制备新技术。如在国内外已经公开的专利中，CN1800984A先后采用反应离子刻蚀、湿化学腐蚀等方法在硅片上复制纳米图形，US6943117则采用纳米印章和紫外曝光等手段在基片上压印纳米图形。这些纳米图形制造技术一般制备成本较高，同时也仅在玻璃或单晶基片上形成纳米尺度的图形，而非纳米晶体的图形。

为了充分发挥纳米晶体在光学、光电子玻璃或单晶基片中的量子效应，进一步开发各种实用的、高效能的纳米器件，发明一种集纳米晶体掺杂玻璃材料制备和纳米图形元器件制造于一体的、简单而实用的纳米晶体图形制造新技术，对于推动纳米材料及纳米器件的制造及实际应用具有重要意义。

发明内容

现有技术中，采用溶胶-凝胶法、热处理法、多孔玻璃法、离子交换法等方法在玻璃基片中获得的纳米晶体是非图形化的，而现有的纳米压印技术在单晶基片上形成的纳米图形并不是由纳米晶体构成的。如果能够在玻璃或单晶基片中形成纳米晶体的图形，则即可以充分发挥纳米晶体的量子效应，又可应用于纳米光电子芯片的开发，具有广阔的应用前景。

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种直流电场诱导下的玻璃或改性的单晶基片中纳米晶体图形转印的制备技术及其得到的纳米晶体图形材料。

针对现有纳米图形制备技术的局限性，本发明采用简便可行的直流电场诱导下热处理方法，利用高强度直流电场分布在玻璃基片内的垂直于基片表面的电力线，诱导图形转印膜层中带正电的金属离子沿电力线方向定向扩散进入玻璃或单晶基片的改性层，并在直流电场与热处理温度场的共同作用下成核长大，析出所需纳米晶体图形，进而可制成具有各种复合纳米晶体图形的光电子芯片和光学材料。

其具体的方法是，首先在玻璃或表面改性的单晶基片的单面或双面覆盖含所需纳米晶体前驱物的图形转印膜层；然后利用金属电极在玻璃或表面改性的单晶基片上下表面施加直流电场，同时置于热处理装置中在一定温度下热处理，在直流电场的诱导下引导所需金属离子定向扩散进入玻璃或单晶基片改性层；这些金属离子可以在直流电场与温度场的共同推动下析晶长大，也可以在后续热处理过程中析出所需纳米晶体图形。纳米晶体前驱物是指在纳米晶体析出过程中所需的各种元素或各种离子。单晶基片改性层是指通过向单晶基片引入网络调整离子、网络形成离子而在单晶基片表面附近形成的结构相对疏松的玻璃薄层，以利于图形转印膜层中的金属离子扩散进入该玻璃薄层并成核、生长，进而获得目标纳米晶体图形。

如上所述的方法还可制备得到产品为：玻璃或单晶基片改性层中含有纳米晶体图形；其中纳米晶体为包括IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB、IIB族单质金属纳米晶体或金属化合物纳米晶体；不同种类、不同形状的纳米晶体图形在同一玻璃或单晶基片改性层中重叠。

在本发明中，采用的金属电极可以是不锈钢电极片，也可以是耐高温的金、铂等贵金属电极片。金属电极需在热处理过程中保持良好的稳定性，不能被氧化或与纳米图形转印膜层发生反应。