[发明专利]一种用于发光薄膜荧光增强的光学玻璃基片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学玻璃表面改性技术和光电子信息技术领域，具体涉用于发光薄膜荧光增强的光学玻璃基片及其制备方法。

背景技术

荧光技术在光信息显示、处理、传输与存储等领域有广泛而重要的应用，而光学功能膜材料具有可设计性强、微结构可控、易实现功能化与器件化等突出优势，因此在开发高效、稳定的荧光功能膜材料和器件等领域有着极其重要的实际应用价值和社会意义。含有稀土离子、原子或晶体、半导体纳米晶体的无机、有机发光薄膜具有各种独特的发光特性，可以用于各种光学器件的设计，但一般发光薄膜材料的发光强度较低，限制了其实际应用。

表面增强荧光效应是指分布于银、金等贵金属表面或其纳米晶体附近的荧光物种的荧光发射强度较之自由态荧光发射强度大大增加的现象。如果将诸如稀土离子或晶体、半导体纳米晶体等荧光物种置于银、金等贵金属表面或具有纳米结构的贵金属表面，可以大幅提高荧光物种的荧光量子产率。近年来的一些研究报道了分别利用化学法合成金属银、金等纳米晶体、物理或化学沉积法制备银、金等金属薄膜或纳米晶体，进而产生明显的荧光增强效应。这种表面荧光增强效应在金属银表面或其纳米晶体中尤为明显，因此将基于金属银及其纳米晶体的表面增强荧光效应应用于高发光效率的薄膜荧光材料及其器件开发中意义重大。不过，如果单纯在光学玻璃基片表面沉积金属银薄膜或其纳米晶体，金属银或其纳米晶体相对较差的化学稳定性和结构稳定性成为这类薄膜荧光器件开发的一个瓶颈制约。

从目前已公开的专利来看，US6500679B2和US4649280等专利是通过在玻璃基片上依次沉积金属银膜或铝膜、绝缘膜、荧光膜而实现表面荧光增强。而CN101148584A专利则是通过贵金属纳米粒子与含发光物质溶液相混合来增强发光强度。这类方法在实际使用过程中其荧光增强效果较难长期维持，限制了其实际应用。因此，开发一种高效而长期稳定的金属纳米晶表面荧光增强技术及光学基片材料具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于发光薄膜荧光增强的含金属银纳米晶层光学玻璃基片及其制备方法；金属银纳米晶层置于光学玻璃基片内部，在对涂覆在光学玻璃基片表面的发光薄膜进行荧光增强的同时，保持金属银纳米晶层优良化学与结构稳定性，进而在荧光薄膜器件开发中具有重要的现实意义。本发明中“纳米晶层光学玻璃基片”、“纳米晶荧光增强层”中所述“纳米晶”与“纳米晶体”具有相同的含义。

在本发明中，所使用的光学玻璃基片可以由硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、铋酸盐、碲酸盐等氧化物系统玻璃中的任意一种制成，同时玻璃组成中含有氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化钙、氧化钡其中之一或一种以上，其中任一组分的质量百分含量小于等于25％，在同时包含一种以上组分的情况下，它们的质量百分含量总量小于等于50％，其目的在于提供可与金属银离子相交换的低价阳离子，同时扩展玻璃网络间隙，拓展金属银离子或原子的扩散通道。

在本发明中，可以通过离子交换、离子注入或电场辅助离子扩散等手段向上述光学玻璃基片中扩散引入金属银离子或原子，在光学玻璃基片内形成一定扩散深度的银扩散层，进而通过热处理手段在光学玻璃基片内形成金属银纳米晶荧光增强层。

在本发明中，也可以在向上述光学玻璃基片扩散引入金属银离子或原子之前，首先利用直流电场干预技术，在150-400℃的温度下，利用金属电极向上述光学玻璃基片施加电场强度为200-1000V/mm的直流电场并处理30-300min，引导玻璃中的锂、钠、钾离子向光学玻璃基片一侧表面富集；玻璃基片表层中锂、钠、钾离子含量的增加，有利于在此后的离子交换、离子注入或电场辅助离子扩散过程中金属银离子或原子向光学玻璃基片中引入量的增加，并保持较窄的深度分布。

在本发明中，也可在已经扩散金属银离子或原子的光学玻璃基片中，采用直流电场干预技术，以含银扩散层侧表面为阴极，以光学玻璃基片另一表面为阳极，在150-400℃的温度下，利用金属电极向光学玻璃基片施加电场强度为100-700V/mm的直流电场并处理10-240min，引导已扩散进入的金属银离子或原子向玻璃基片阴极侧表面附近富集，使得在此后热处理过程中所形成的金属银纳米晶荧光增强层厚度变薄，而银纳米晶体含量显著增加，进而产生强烈的表面增强荧光效应。

在本发明中，所适用的发光薄膜可以是含有稀土镨、钕、钐、铕、铽、钬、铒、铥、镱等原子、离子或其发光晶体中的一种或多种的无机光学薄膜或有机光学薄膜，也可以含有有机荧光物质或硫化镉、硒化镉、硫硒化镉、碲化镉、氧化锌等半导体纳米晶体中的一种或多种的无机光学薄膜或有机光学薄膜。