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纳米玻璃研究及展望续

3．2 1~数10nm超微粒子结构控制技术

玻璃材料是玻璃熔融体通过快速冷却得到的，处于介稳状态。因此，在光、射线、热、压力等外部作用激励下即可引起析晶或分相；若再用熔融法、气相法、溶液法(溶胶—凝胶法)等方法进行处理，很容易使半导体等微粒子在矩阵变换电路中分散。这样，通过使玻璃中析出纳米尺寸的晶体或形成纳米尺寸的分相(被分散相的液滴为纳米尺寸)，并对其尺寸和位置进行严格的控制，可发现前所未有的新的功能。正在进行的这方面的应用研究有如下几个方面：

(1)不受温度影响的玻璃。正在研制一种即使当温度发生变化时，其尺寸和折射率也完全不发生变化的玻璃，即性能与温度无关的玻璃。具体设想是通过调整玻璃组成并利用激光照射、附加超高压等技术，使玻璃中析出一种不破坏透明性的微晶体，从而获得一种性能与温度无关的原材料[例如：用于1000多重波(复式波)超大容量光传输设备的材料]。该项目正在由日本科学技术振兴事业团纳米玻璃项目组研究中。

(2)超高亮度发光玻璃。已经制备了在溶液中发光效率为10％的超微粒子。但其寿命只有几个小时，既不稳定又不能提高浓度。只要能把它以高浓度稳定地保持在玻璃中，就能得到用于显示装置和夜间照明的发光玻璃。为了提高玻璃中发光超微粒子的浓度，进行了如下试验：在用反微胶囊法制备的直径为数10nm的玻璃微粒子中平均添加1个半导体超微粒子，然后使该微粒子(微胶囊)均匀地分散在玻璃连续相中并规则排列，可大幅度提高发光效率(以目前的100倍为目标)。

(3)高性能过滤器用玻璃。在通过激发而分相、晶化的玻璃中，如能形成周期性的、控制在数纳米以下的气孔，就能高效地除去环境激素等有害物质，制成纳米过滤器元件。其研究内容不仅包括象过去那样对整体玻璃的热处理，还进行有关玻璃组成、材料创造加工过程、热以外的其它处理方法(光、压力、电场、磁场等)的研究。

(4)光开关用非线性玻璃。含有超微粒子的材料有显著的量子效应。例如，在微米尺寸时几乎不表现的量子闭合效应，当以纳米粒子存在时，即发生以红色着色的表面等离子体激元效应和在邻近场发生相互作用的界面效应。图2是从SiO2,玻璃中析出纳米Au的TEM照片和电子衍射图，图中浅色部分为SiO2玻璃相，深色斑点为析出的纳米Au。图3是Au／SiO2玻璃、Ag／SiO2玻璃、Cu／SiO2玻璃复合薄膜(as—deposited)的吸收光谱。由图3知，Au、Ag、Cu微粒子的特征吸收峰分别位于为525、406、582nm，这些吸收峰显示出如果从周围附加光电场其吸光度将变大的非线性特性。用光使光进行开／关，有可能作为所谓超高速开关应用。

在创造新一代光子学材料方面，把这些纳米级的超微粒子在保持透光性的同时嵌入玻璃材料中，并通过电磁场等外场进行排列控制等的超微细控制，对发现新功能很有意义。

3．3 数10nm以上的高次结构控制技术

通过无机、有机复合，析出各向异性的晶体和控制其界面状态等，形成高级别的规则结构的技术，研究可能在OA(办公自动化)器械、太阳电池、运输机械材料等中使用的功能玻璃和超轻量、高强度玻璃。进行了如下研究：

(1)光波控制用玻璃。在玻璃表面或内部，形成大小为光波长的一半至四分之一左右、折射率与基质玻璃不同的周期结构，可制造能将光信号进行导波、分波的微小设备。因此，需要用超短脉冲激光聚光照射玻璃内部或表面，使玻璃的被照射区域尼龙管在激光的诱导下发生折射率提高、结晶或分相。同时，随着我国“1带1路”倡议的深入和新材料产业“走出去”的进程加快还需要研究这种周期结构中的微晶体或分相的形状能够控制的玻璃材料，或者用于干式、湿式蚀刻法但蚀刻速度相差很大时的玻璃材料以及层压技术。

(2)超高强度玻璃。玻璃的强度由其表面的裂纹数量及其大小等决定，因此，如果研究一种使裂纹难以生成的表面处理技术，玻璃的强度和可靠性会大幅度提高。通过改变组成提高玻璃整体的强度，在此基础上再加上在玻璃表面附近透明的分相与结晶化，以及在表面有机一无机复合的表面涂层技术，防止裂纹的产生和发展，可能开发出更薄、更高强度的玻璃材料。以前大多是在微米尺度上的研究，现在集中在纳米尺度上进行加工并期望有所突破。

3．4 三维光电路材料技术的研究

基于纳米尺寸异质相(不同性质相)的量子效应等，赋予电、磁、光学方面独特的功能(纳米功能)，确认利用了这些光设备的工作原理。即研究异质相在基体中的固定技术，确立将纳米功能作为三维光电路材料利用的基础技术。

光通信是上世纪80年代初在兆比特(106)级传输速度的基础上开始的，到90年代后半期，千兆比特级传输速度的光纤已经商品化。但是，在当今互联产业飞速发展的形势下，信息消费量以当初预测速度2倍以上的速度增长，因此，15年后需要生产出一如何处理拉力机试验失误问题根光纤就能传送10兆兆(1012)级信息量的专业气体纤维并商品化。若现代技术发展到能以兆兆比特进行光传输，则与其成比例的信息传输成本，特别是消耗能量的成本会急剧上升。这种倾向在字节存储器和超高清晰度显示器中也同样存在。原因是因为现在用于光通信、光存储、显示器等与光信息技术有关产品的光子学、设备以及操作系统，是以为了提高原材料的纯度和质量等而改善制造工艺为主，关于新材料、新工艺革新的研究落后，在此，纳米玻璃项专业保洁目就是点胶针头构筑能与兆兆比特多媒体相适应的光子材料的研究基础。例如在不增加能耗的前提下，为了实现兆兆比特级信息量的传送，需要具有超宽带域放大、开关和合、分波等功能的材料、加工方法和设备化技术。因此需要研究开发装载了光波导、光开关、光传输、光放大、波长转换器、光合分波器、波长分波器、波长选择滤波器等的三维光设备。用控制在原子、分子尺度到数10nm以上的纳米结构，基于异型结构特征现象的量子效应，利用电、磁、光、化学特异功能(纳米功能)的同时，强化把纳米功能三维设备化的基础技术。各设备举例如下：

(1)三维光波导。为了实现每根光纤芯有10Tb／s·10000km的传输能力(现在小于1Tb／s·1000km)的全球国际综合以及1000波以上的超高多模地区互联需要的光功能集成电路，需要研究开发光波导的三维化技术。具体就是进行由超短脉冲激光在玻璃内部写入波导的研究，用激光可能写入分波、合波需要的耦合器、滤波器的超高感应玻璃材料的研究，以及超精密激光描画、快速评价的研究。

(2)宽带域、高效率光放大元件。为实现将来10Tb／s的传输速度和1000波多重波等，需要用低电力实现宽度相当于现在波长范围10倍以上的光放大。最有希望的是综合利用稀土类离子的发光和玻璃结构中微粒子及晶体晶格振动拉曼散射的光放大方法。前者效率高，但频带域太窄，后者带域可在一定范围内自由地调整，但效率极差。通过研究开发弥补这些缺点的新的光放大用玻璃，在纤维及波导中实现高效率、宽带域放大。

(3)高速光开关、单向波导管、循环器。用于光通信的开关主要有两种，一种是利用在纤维和波导上安装加热器的热光学效应(温度升高，折射率提高)，另一种是把非线性光学效应大的晶体材料嵌入波导中。前者的应答速度很慢，后者难于降低成本。另一方面，在波导管和循环器中使用的各种晶体材料中，各个零件的集成化和低成本化有限。使用晶体材料设备的特征是其结构的各向异性(光、磁的各向异性)，通过控制玻璃中的纳米结构，很可能发现类似的特性。为了人为的、周期的提高光、磁各向异性，进行组成和加工方法的研究，在确认发现电光效应、磁光效应等的同时，开始确定将这些功能集中于三实行滞后环法时要绘制滞后环维的方法。

(4)大容量光存储用材料(超解像膜)。在薄膜玻璃中，使粒径极其整齐的纳米尺寸的晶体颗粒均匀地析出、分散，并用激光照射等方法，折射率发生20％以上的变化，这种纳米玻璃材料的研究由日立集团计划进行。目前高折射率变化材料以液晶为代表，其变化量最多也只有1％左右，如果通过激光照射等，能制造折射率变化量超过20％的材料的话，就能适用于大容量存储的超解像膜。而且，若通过在玻璃基板的表层形成纳米尺度的异质层，可实现基板的高强度化和超平坦化的话，就可能获得高速运转、高速读取的大容量光盘。（文/武秀兰 任强 李启甲）

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