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1、纳米玻璃是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第2 相( 微粒子、分相、结晶或气孔) 的玻璃材料。玻璃的特点是透明性、热或光化学稳定性好，并具有无定形结构，能容纳不同晶格常数的纳米尺度量子点而产生较少界面缺陷，是比较理想的基体材料。纳米功能颗粒与玻璃相之间通过相的复合，可以获得具有一系列特殊功能的功能材料。1. 纳米玻璃的制备1.1 熔融热处理法熔融热处理法，也称共熔法，是将基础玻璃料与掺杂物混合(一般同时引入还原剂，如：Sb2O3 ,SnO2等) ，干燥后高温熔融，再冷却成形，用两步退火法制CdSexS1 - x半导体纳米微晶玻璃或先熔制基础玻璃后再粉碎 , 与掺杂物混合 , 高温熔融后
2、淬火 , 最后进行热处理。 通过调节热处理的温度和时间来控制析出纳米颗粒的尺寸及分布。利用熔融热处理工艺可制备在硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃系统中掺杂纳米金属Au，Ag，Cu或部分半导体如： ZnxCd1 - xS，ZnS：Mn2+，CuCl 或 Sb2S3xSe3-x,Bi2S3，CuI 等的复合玻璃。此法工艺简单，成本低廉，可制备大尺寸和各种形状的玻璃材料，但需高温熔制，一般为12001500 。熔融法制备时还必须注意热处理气氛。掺杂物的低溶解度和易挥发或氧化使得掺人质量分数( 下同 ) 少(10 - 1 % 10 - 4 %) ，且反应不易控制，易出现杂相。1.2 溶胶 - 凝胶法溶胶 -
3、 凝胶法通常将半导体颗粒原料或金属盐直接引入溶胶，制成干胶后进行热处理析出纳米颗粒。微孔渗杂、表面包裹以及合理的热处理可以有效控制颗粒尺寸。该工艺合成温度低，并能用气氛保护，能制备具有特殊组成的玻璃，适用于制备薄膜材料的样品。样品成分完全可以按照其原始配方和化学计量比准确获得，并具有高的纯度和良好的均匀性。溶胶- 凝胶法可制备掺Au，Cu，CuCl，CuBr 复相玻璃，含纳米TiO2的高硅氧玻璃 , 以及 PbS，CdSe ，CdS ，CdS ，Mn 等纳米粒子掺杂玻璃。溶胶- 凝胶法具有掺杂浓度高、粒径分布窄等优点。缺点是不易形成多组分玻璃, 有时还会产生其它产物。1.3 离子注入法离子注入
4、法是在玻璃表面进行离子注入，通过选择注入离子种类、剂量、能量、基质温度和后续热处理温度等参数来控制纳米颗粒在玻璃表面和近表面层析出。离子注入法多用于金属离子注入，如:Au+，Ag+，Cu+还有 Cu -，Sn+，Pb+，Fe+等。离子注入法还可进行多种离子连续注入或混合离子束注入,如:Au/ Cu ，Ag/ Cu ，Ag/ In ，In/ Cu ，Ag/ Sb ，Cd/ Ag 和 Cu/ Ni 等，形成金属合金或核一壳体系混合团簇。另外，在注入金属离子之后再注入F+，N+，或用低流量MeV 重离子如： Br，Si，O离子注入，可以更好地控制团簇尺寸及其分布。离子注入是一个非热平衡过程，可以将任
5、何一种元素在各种温度下注入到不同基础成分的玻璃中 , 能克服平衡态溶解度的限制，从而获得高的掺杂浓度。通过控制离子束的注入位置，可在结构上直接设计，非常适用于平面、空心波导和集成器件，但离子注入易引起玻璃分相、新相生成等物理化学过程从而产生杂相。离子注入法受温度影响较大，且额外的高辐射损伤会引起玻璃折射率的改变。此外，由于加速离子到基质的渗透不一致，会使玻璃表面或近表面层析出的纳米金属颗粒有宽的尺寸分布。1.4 离子交换法离子交换法主要是通过低共熔盐的不同离子如：Ag+，Cu+等替换玻璃基质表面层的1 价碱金属离子(Li+，K+，Cs+，Na+等) ，再在还原气氛下退火使金属离子还原，通过热处
6、理使金属原子聚集长大，纳米金属颗粒在玻璃与低共熔盐的界面及近表面层析出。此法成本低，可大规模生产，能使颗粒分布均匀，并可提高掺入量，达几个百分比，被广泛用于硅酸盐玻璃掺杂Ag和 Cu，近年来更因适用于制作多模波导和可应用于集成光器件而颇受重视。离子交换法需在Tg 附近长时间热处理，可引起额外应力，热处理时还需还原气氛。使用电子束辐射或高强准分子激光辐射，来处理离子交换后的玻璃，通过改变沉积时电子能量和激光脉冲能量来控制纳米金属颗粒的大小，可无需长时间热处理。1.5 射频磁控共溅射法名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
7、名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 将金属或半导体掺入玻璃基体原料中做成靶材或将金属或半导体放在基体玻璃上共同溅射后高温退火可制得纳米 Au，GeSb ，Si ，Ge ，Cu，CdSe ，ZnSe 和 Cd1 - xMn x Se 等颗粒掺杂玻璃。此法适于多种金属或半导体化合物掺入玻璃薄膜，且掺入量高，能控制纳米金属尺寸。1.6 气相沉积法该法是通过热、激光、电子束照射含金属或半导体掺杂物的玻璃原料做成的靶材，使之在基板上沉积成掺杂金属或半导体纳米颗粒的玻璃薄膜，如：CVD ，PVD ，PLD ，MOCVD 等。1.7 熔融 -
8、 分相法熔融 - 分相法是将某些已易熔融分相的玻璃( 硼硅酸盐等 ) 用酸浸析出可溶相制得微孔玻璃( 实际上是一种干凝胶，在低温下可烧结成玻璃)。1.8 辅助电场法传统的热处理法可以制备各种形状、尺寸的微晶玻璃材料, 应用相当广泛。 但在含纳米晶玻璃制备过程中，由于热处理过程中的温度场波动、升降温过程中的热惯性等因素无法精确控制玻璃中纳米晶体的生长，使得含纳米晶玻璃材料的制备较为困难。静电场对玻璃的核化、相变同样具有相当的影响，同时由于对静电场强度、加载时间和加载范围的控制较对温度场的控制更为容易而精确，因而利用温度场和辅助电场相结合的手段，控制玻璃体中的成核、生长及相变，从而有效控制析出晶粒
9、的晶粒尺寸。2. 纳米玻璃的应用由于纳米颗粒尺寸的限制, 其中载流子的运动并非自由，导致材料的能带由连续带结构分裂为能级，纳米微粒具有独特的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应等, 使纳米玻璃具有独特的性能，从而为其带来广泛的应用。2.1 光学功能材料近年来理论和实验的研究发现，纳米功能颗粒(金属和半导体 ) 掺杂玻璃在吸收限附近的强光作用下有很大的光学非线性，且具有快的光响应速度等特性，在光计算、光通讯、光信息处理和电光效应的器件方面具有很重要的应用前景，是当前国际光学功能材料研究的热点之一。2.2 不受温度影响的玻璃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
10、一种不破坏透明性的纳迷微晶体，从而获得一种性能与温度无关的原材料( 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 ) 。例如：用于1000 多重波 (复式波 ) 超大容量光传输设备的材料。2.3 超高亮度发光玻璃把发光超微粒子发光超微粒子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。如用反微胶囊法制备的直径为数10 nm 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。2.4 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
11、能高效地除去环境激素等有害物质，制成纳米过滤器元件。2.5 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。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。2.6 光波控制用玻璃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在激光的诱导下发生折射
12、率提高、结晶或分相。 在玻璃表面或内部， 形成大小为光波长的1/2 至 1/4 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 2.7 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
13、，以及在表面有机- 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。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。3. 应用前景随着纳米玻璃广泛的应用，各中制备技术的研究也不断的深入，根据不同的应用目的可以选择合适的制备技术。纳米玻璃已广泛应用于MP3 作镜面、高楼大厦的装饰玻璃、汽车的挡风镜等等。利用纳米玻璃的自洁和杀菌作用，还可开辟玻璃在医疗卫生、餐饮等领域的新用途。由于纳米玻璃具有高的非线性系数和超快非线性响应等特点，在全光调制的光波导、光开关、光存储、光双稳、平面微透镜、光限幅器和激光微腔等许多新型器件方面也将具有诱人的应用前景。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -