[发明专利]用溶胶－凝胶技术制备硅石或硅石系厚玻璃膜的方法及所得厚膜

说明书

发明领域

本发明涉及一种制备氧化硅或氧化硅系厚玻璃膜的溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法以及由此所制备的厚膜。

在固态技术中，术语“膜”通常是指厚度在几十纳米(nm)到几十微米(mm)之间的薄层材料，该薄层材料负载于另一材料的基体上，通常为平面结构。

术语“厚”通常是指厚度大于1μm的膜。

关于沉积在适当基体上的厚玻璃膜在电讯领域中的应用，已进行了大量的研究，特别是关于光缆通讯和光电缆通讯方面的应用。

过去，电话通讯和数据传输是先将信号转化成电脉冲，再用导电材料电缆进行传输，通常采用铜作导电材料。

现在，特别是在长距离传输方面，电缆传输几乎完全被光学纤维传输所代替。大家知道，光学纤维是玻璃纤维，其结构包括至少一个中心部分，也叫内核，和一个外部部分，也叫外壳，它们由化学组成稍有不同的玻璃制成；不同的化学组成使这两部分材料的折射率不同，从而使光信号限制在内核中。通常外壳由纯氧化硅制成，而内核则由基于氧化硅的、含百分之几摩尔比至约10mol％的不同氧化物如氧化锗的混合氧化物制成。

在信息传输方面，光学纤维比电缆拥有几个优点，如低噪音、低信号衰减以及单位时间传输的信息量高，所得传输率也较高。

尽管具有这些优点，目前还不可能充分利用光学通讯的潜力；事实上，一个完整的通讯系统需要信号处理设备，如电话传输中在光缆两端将声音转化成信号的设备，或者沿光学纤维的信号放大设备，这种设备是必不可少的，因为该信号的衰减是不可避免的。更通常地说，在网络中传输该信号必需的、所谓的信号转换操作需要适当的设备。

为此，现在采用传统的电气设备(电子开关)，而且，一般来说，对信号进行的任何操作都需要将其转化为电信号，随后可能需进一步转换回光信号。在这些操作中损失了时间和信号质量。因而，强烈需要一种光设备或光电设备，该设备能够导引光学信号，而且能够进行与电信号在电子设备上操作类似的转换操作。

光设备必须具备的主要特征是：

·采用透射率非常高的材料，要求没有夹杂物和机械缺陷；

·能够通过控制化学组成而控制折射率，必须比周围材料至少高百分之几个单位；

·平面结构，适于自动化生产线；

·几μm的厚度，优选在约2～20μm之间。

为了使这些设备容易地整合到生产线和通讯线路中，应当优选使用硅或氧化硅制成的基体。

发明的背景

目前，可用物理技术生产这样的设备，包括硅的热氧化、以及那些称为溅射、化学气相淀积和火焰水解(Flame Hydralysis)的技术。另一种方法是在硅基体上进行真空淀积，该硅基体是用按水焰水解技术得到的氧化硅微粒制成的。

然而，这些生产很复杂，需要昂贵的工作室和工具；其中某些技术如硅的热氧化对其所制得的薄膜厚度有一定限制，而其它技术则极其慢，生产效率低，成本高，实际上不适于在工业上开发应用这些光学设备。

最具有经济前景的、可大规模地在基体上生产玻璃膜的技术是溶胶-凝胶技术。在溶胶-凝胶这一名称下，包括了制备一种或多种元素的氧化物的不同过程，所得氧化物的形式为多孔体、陶瓷体或玻璃体。

尽管在具体细节上彼此有所不同，但所有的溶胶-凝胶过程均具有如下阶段：

·制备“溶胶”：将含有要制备氧化物的相应元素的前体物在水、醇或醇水混合物中制成溶液或悬浮液。通常所用的前体物为醇盐，分子式为M(OR)_n，式中M代表所需氧化物的元素，-OR基团是醇基，n代表元素M的化合价。可以使用元素M的可溶性盐如氯化物、硝酸盐以及偶而也用氧化物，来代替醇盐。在该阶段，前体物开始水解，亦即连结在元素M上的醇基或其它阴离子被-OH基团所取代。

·溶胶的凝胶化：随溶液的化学组成和温度的不同，凝胶化需要几秒钟到几天。该阶段中，可能残余的前体物彻底发生水解，并开始发生凝聚作用，即不同分子上的-OH基团发生反应，形成一个自由的水分子以及在原子M、M’(相同或不同)间形成氧桥，反应式如下：

    (Ⅰ)

在这一阶段中所得的产物可根据不同情况叫做醇凝胶或水凝胶，或者更经常地为英语文献中广泛使用的“凝胶”(gel)。