[发明专利]离子交换基底和金属化产物及用于制造它们的装置和方法

说明书

引言

本发明涉及一种离子交换基底、金属化产物以及制造它们的方法。

背景

玻璃和其它包含有金属纳米粒子的电介质是有趣的，因为它们独特的 线性和非线性光学特性。这些特性通过金属纳米粒子的强烈的表面等离子 体共振控制。通过选择金属和电介质基体或操控金属团簇的尺寸、形状和 空间分布，这些SPR的光谱位置和形状可以在贯穿电磁波可见光区和近红 外光区的广泛的光谱范围内被设计。因此，这些复合材料对光电领域中的 很多应用是有前途的候选物质。

使用化学离子交换技术制造具有嵌入式纳米粒子的玻璃。这些工艺一 直是无源玻璃和有源玻璃制备中关于新型掺杂剂潜能开发的基础和应用 研究的主题。在所述工艺中，金属掺杂剂经常通过将基体浸泡到含有掺杂 离子的熔融盐槽中而被引入到玻璃中。例如，碱石灰浮法玻璃(72.2SiO₂, 14.2Na₂O,0.71K₂O,6.5CaO,4.42MgO,1.49Al2O₃,0.13Fe₂O₃,0.4SO₃, 重量％)对Ag⁺–Na⁺离子交换过程是优选的基底。

对于离子交换过程，玻璃基底于400℃被置于混熔的AgNO₃和KNO₃(或AgNO₃和NaNO₃)中。由于化学势能梯度，金属离子被打入玻璃并替 换被释放到熔体中的基体的碱离子。使得不用聚集，也可以获得远远超出 溶解极限的金属浓度值。玻璃基底的厚度、离子交换过程的时间和熔体中 AgNO₃的重量浓度确定玻璃中Ag⁺的浓度和分布。

在H₂还原气氛(或空气)中的离子交换玻璃的热退火，典型地在 400-650℃(取决于工序)，然后导致银离子的还原和球形银纳米粒子的形 成。对于含有铁离子(Fe²⁺和Fe³⁺)的玻璃，以及用于在非还原气氛(空 气)下的退火，以下两个热还原反应已经被考虑：

a)Fe²⁺→Fe³⁺+e^-

和b)Ag⁺+e^-→Ag⁰。

当处理多价离子种类时，就像钴和金，热辅助的离子交换被证明是无 效的技术。多价离子来代替基体中的单价碱离子(Na居多)，需要关键取 决于玻璃的局部组成的结构修饰。

最近，使用固态电场辅助扩散工艺干法制造银纳米复合材料以及后退 火由以下报告：Y.Ma等，“Preparation of Ag nanocrystals embedded silicate  glass by field-assisted diffusion and its properties of optical absorption,”Solid  State Sci.12(8),1413-1418(2010)；和J.Sancho-Parramon,等“Optical and  structural properties of silver nanoparticles in glass matrix formed by thermal  annealing of field assisted film dissolution,”Opt.Mater.32(4),510-514 (2010)。

在两种情况下，作者成功地制造出银纳米晶体嵌入式玻璃。然而，这 些技术产生非均匀分布的纳米粒子团簇(岛)。

使用激光或电子束或X射线能量对银离子交换玻璃的深加工被报告在 许多出版物中。例如，Blondeau等在Journal of Crystal Growth 311(2008) 172-184中的“Influence of Pulsed Laser Irradiation on Precipitation of Silver  Nanoparticles in Glass”，其报告了激光脉冲对玻璃样品的辐射促进了纳米 粒子在多光子过程中的析出和纳米聚合体的形成。

关于使用激光或电子源对含金属离子的玻璃加工的一些相似的出版 物都导致金属纳米离子的形成。

发明概述