[发明专利]由具有一维光子晶体性质的纳米颗粒薄层形成的多层结构、其生产方法及其应用

说明书

背景技术

具有多层结构的材料作为光学元件具有重要的应用，因为它们 用作干扰滤光器或布拉格反射器(或布拉格反射镜，Bragg reflectors)，能够选择性地反射或传输一定范围的电磁频率，其通常 在波谱的紫外和红外范围之间，这由层的厚度和折射率决定。使用 更现代的术语，这些材料是一维光子晶体(unidimensional photonic crystals)，因为它们在三个空间方向之一具有折射率的周期性调节 (periodic modulation)。

目前在市场上可获得的多层体系(多层系统，multilayer systems)主要使用通常归类为术语“物理气相沉积”的技术来生产。 在所有情况下，沉积都在真空条件下发生，并且固体直接由气相冷 凝。除了高机械阻力外，通过这种类型的技术获得的光学涂层相对 于环境条件的变化具有很大的稳定性。存在另一大类基于溶胶-凝胶 型方法的多层形成方法。这些方法允许开发多层涂层，其对于由强 烈的激光辐射产生的损坏是高度耐受的，比其他类型的结构具有显 著更高的损坏阈值(damage threshold)。然而，这些多层涂层具有 较低的机械稳定性，并且它们的特性根据环境条件而变化，这两种 现象都与它们的中孔隙率(mesoporosity)有关，由于其中孔隙率， 即使它们在其他领域中具有应用，诸如传感器领域中，但它们并不 适于作为无源光学元件。通常，通过溶胶-凝胶生长的层的孔的形状 是不规则的，具有很宽的尺寸分布和在2nm～100nm之间的平均 尺寸。具有可控中孔结构(形状和尺寸)的多层结构(其光学性能 可以控制)将会对这些类型的材料在不同领域内展开新的应用可 能。具有相对可控的中孔隙率并引起非常大兴趣的材料，尽管目前 还没有给出对于其的应用，但是最近已被开发。它们是借助于电化 学溶解获得的多孔硅多层结构。最近，已经开发了多层结构，其中 各层都具有精细可控尺寸的有序中孔隙率，所用的材料是二氧化硅 和二氧化钛。该工作是在2006年提交的西班牙专利的目的(申请 号：200602405)。最后，在与其具有密切关系的科学文献中还有本 文中提出的本发明的参考。其与制造胶体二氧化硅和二氧化钛颗粒 多层有关，正如I.M.Thomas在1987年实施的反射或抗反射涂层。 虽然所描述的方法类似于本文中提出的方法，但是所获得的材料几 乎没有任何特征，由此，很难知道此时获得的结构类型。

本文中提出的本发明与这四组材料紧密相关，由此，下面对它 们进行更详细地描述。

通过溶胶-凝胶获得的多层材料，交替致密的TiO₂和SiO₂层

常规用于合成固体状态的微组件的生产技术适合于小面积的 晶片尺寸。如果我们需要在较大尺寸的面积(或区域)上沉积薄层， 则溶胶-凝胶技术[C.J.Brinker and G.W.Scherer，Sol-Gel Science：The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing，Academic New York， 1990]提供显著的优点：它是一种简单的允许各种材料(氧化物、半 导体、压电体、铁电体等)以薄膜的形式沉积在不同衬底(聚合物、 陶瓷、金属等)上的方法。可以沉积的各种材料允许以光子带隙器 件或光子晶体的形式设计溶胶-凝胶结构。