Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля - гетероэлектрик (варианты)

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к материалам, воздействующим на электромагнитные поля с целью управления ими и их преобразования, и может быть использовано при создании материалов с наперед заданными оптическими, электрическими и магнитными характеристиками. В гетерогенной субстанции для воздействия на электромагнитные поля, состоящей из носителя и введенного в носитель активного начала в виде кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц, при изготовлении контролируется его диэлектрическая функция, которая является определяющей характеристикой взаимодействия субстанции и электромагнитного поля. 2 с. и 23 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к материалам, воздействующим на электромагнитные поля с целью управления ими и их преобразования, и может быть использовано при создании материалов с наперед заданными оптическими, электрическими и магнитными характеристиками.

Известно вещество для воздействия на электромагнитное излучение [1] на основе SiO₂ матрицы, активированной полупроводниковыми добавками, применяемое для изготовления оптических фильтров. Недостатком указанного изобретения является узость его функциональных возможностей воздействия на электромагнитное (оптическое) излучение - лишь пропускание одного участка спектра оптического излучения и поглощение остальных.

Известна также гетерогенная субстанция - оптическое стекло [2], выбранная в качестве прототипа данного изобретения, включающая прозрачную SiO₂ матрицу и фильтрующие добавки в виде наночастиц металла. Недостатком указанного изобретения также является узость его функциональных возможностей воздействия на электромагнитное излучение. Такое вещество не может быть использовано, например, для эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический ток, для отражения электромагнитного излучения и многих других функций.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и существенное расширение функциональных возможностей гетерогенной субстанции.

Указанная цель достигается в предлагаемой гетерогенной субстанции, названной гетероэлектриком, за счет того, что в известном веществе, состоящем из носителя и введенного в указанный носитель активного начала, указанное активное начало представляет собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы (далее может употребляться термин - частицы) вещества (или веществ), отличного от вещества указанного носителя, введенные в указанный носитель так, что характерное (среднее) расстояние между указанными кластерами атомов, наночастицами или микрочастицами меньше или порядка корня кубического из поляризуемости указанных кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц в веществе указанного носителя, причем указанный носитель представляет собой твердое вещество и введенные в него указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются твердыми; или указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество, а введенные в него указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими; или указанный носитель представляет собой диэлектрическое вещество, а введенные в него указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими; или указанный носитель представляет собой полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними; или вещество указанных наночастиц является полупроводником; или указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа; или вещество указанных наночастиц является сверхпроводником; или указанный носитель является диэлектриком и вещество указанных наночастиц является диэлектриком; или указанный носитель является диэлектриком, а вещество указанных микрочастиц является сегнетоэлектриком; или указанный носитель является сегнетоэлектриком и вещество указанных микрочастиц является сегнетоэлектриком; или указанный носитель является средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например за счет добавления примесных атомов; или указанный носитель является жидким диэлектриком и вещество указанных наночастиц является металлом; а также за счет того, что в известном веществе, состоящем из носителя и введенного в указанный носитель активного начала, указанное активное начало представляет собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (или веществ), отличного от вещества указанного носителя, введенные в указанный носитель так, что имеется хотя бы один максимум в частотной зависимости поляризуемости указанных кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц в веществе указанного носителя, причем указанный носитель представляет собой твердое вещество и введенные в него указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются твердыми; или указанный носитель является диэлектриком; или указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество; или указанный носитель представляет собой полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними; или указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа; или указанный носитель является средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например за счет добавления примесных атомов; или указанный носитель является жидким диэлектриком; при этом вещество указанных наночастиц является металлом или вещество указанных наночастиц является сверхпроводником или вещество указанных наночастиц является сегнетоэлектриком.

Широта функциональных возможностей предлагаемого гетероэлектрика определяется тем, что при изготовлении контролируется его диэлектрическая функция, которая является определяющей характеристикой взаимодействия субстанции и электромагнитного поля. Когерентное взаимодействие частиц через ближнее поле, возникающее, если среднее расстояние между частицами меньше или порядка корня кубического из их поляризуемости (что означает высокую их объемную концентрацию в веществе носителя, обычно 10-30%), приводит к существенному возрастанию диэлектрической функции гетероэлектрика по сравнению с диэлектрическими функциями материалов частиц и носителя.

Действительно, рассмотрим гетероэлектрик, в котором частицы расположены в носителе в геометрии, близкой к кубической решетке. На основе формулы Клаузиуса-Мосотти для указанной формы расположения частиц в гетероэлектрике и формулы Лоретц-Лоренца для поправки локального поля частиц - эллипсоидов вращения получаем соотношение для нахождения диэлектрической функции гетероэлектрика εη:

εη-1/εη+2=[(ε_c-1)/(ε_c/2)]+η([(ε_p-1)/1+n(ε_p-1)]-[(ε_c-1)/1+n(ε_c-1)])/3

где ε_c - значение диэлектрической функции материала носителя,

ε_р - значение диэлектрической функции материала частиц,

0<n<1 - это фактор деполяризуемости частиц, зависящий от соотношения их длин полуосей,

η - объемная концентрация частиц активного начала в носителе.

Поляризуемость же частицы - α_p, например, эллипсоида вращения объема V выражается формулой:

α_р=(1/4π)V[(ε_p/ε_c-1)/1+(ε_p/ε_c-1)n].

Вычисления показывают, что в различных случаях значение диэлектрической функции гетероэлектрика в десятки и сотни раз может превосходить значения диэлектрической функции материала носителя и диэлектрической функции материала частиц. Например, для вещества носителя - сегнетоэлектрика ВаТiO₃ и вещества частиц - сегнетоэлектрика (PbLaBaS)(ZrTi)O₃ значение диэлектрической функции такого гетероэлектрика превосходит значение диэлектрической функции (PbLaBaS)(ZrTi)O₃ (вещества с одним из наиболее высоких значений ε) в 100-200 раз.

Максимум диэлектрической функции гетероэлектрика достигается для определенной частоты поля, зависящей от материала, формы, объемной концентрации и расположения частиц в носителе.

В состав предлагаемого гетероэлектрика входят твердые частицы активного начала и твердый носитель, при этом носитель представляет собой полупроводниковое вещество, или полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними, или полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа, или сегнетоэлектик, или среду с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например за счет добавления примесных атомов, или диэлектрическое вещество (может быть жидким), а вещество указанных частицы является металлом или сверхпроводником, или диэлектриком, или сегнетоэлектриком.

Широта функциональных возможностей предлагаемого гетероэлектрика определяется также тем, что при изготовлении контролируется поляризуемость частиц его активного начала, находящихся в данном носителе так, чтобы она имела хотя бы один максимум на зависимости своего значения от частоты электромагнитного поля (плазменный резонанс). Плазменный резонанс связан с когеррентным взаимодействием электронов в металлической или другой (сверхпроводящей, сегнетоэлектрической) частице через локальные электромагнитные поля. Частота указанного плазменного резонанса частиц зависит от размеров, формы и материала частиц и вычисляется по известным формулам.

При небольшой объемной концентрации частиц в носителе (до 1-5%) их взаимодействие друг с другом через локальные поля мало и не вносит определяющего вклада в значение диэлектрической функции такого гетероэлектрика. Это значение определяется главным образом ростом поляризуемости частиц (см. формулу выше) при взаимодействии с электромагнитным полем при его частоте, близкой к частоте плазменного резонанса частиц, и возрастает в таком случае в сотни раз по сравнению с ε для материала носителя, если характерный размер указанных частиц меньше длины волны указанного электромагнитного поля.

Для нахождения указанного максимума испытывается (в зависимости от частоты электромагнитного поля) на наличие максимума приведенное выше (или аналогичное ему для частиц другой формы) выражение для нахождения значения α_р. В частности, для указанного выражения α_р имеет максимум на частоте, для которой

1+Re[(ε_p/ε_c)-1]n=0.

В силу того, что фактор деполяризуемости 0<n<1, такой максимум возможен для металлических частиц в диэлектрической матрице, т.е. когда Reε_p<0, Reε_c>0, а также в случае, когда материал частиц является сверхпроводником или сегнетоэлектриком, а указанный носитель представляет собой твердое вещество; или указанный носитель является диэлектриком; или указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество; или указанный носитель представляет собой полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними; или указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа; или указанный носитель является средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например за счет добавления примесных атомов; или указанный носитель является жидким диэлектриком.

Предлагаемый гетероэлектрик в силу контроля при его изготовлении величины его диэлектрической функции и ее частотной зависимости может быть использован в производстве элементов оптических устройств, в том числе лазеров, зеркал, фильтров, линз, волокон и т.п., оптико-электронных преобразователей и накопителей энергии и многих других устройств. При этом, поскольку пределы достижимой величины ε для гетероэлектрика в десятки и сотни раз шире, чем для известных применяемых материалов, то и устройства, основанные на его применении, обладают существенно более высокими функциональными возможностями.

Технология реализации предлагаемого гетероэлектрика:

Технология реализации предлагаемого гетероэлектрика состоит в смешении частиц активного начала с расплавом носителя в заданной пропорции для получения нужной объемной концентрации. Наночастицы цилиндрической формы производятся напылением вещества частиц на ядерный фильтр с соответствующим размером каналов и последующим растворением вещества фильтра (обычно-органического). Частицы другой формы (близкой к эллипсоиду вращения) производятся вытягиванием из расплава вещества частиц на стержне пассивного химического состава при медленном снижении температуры расплава. Для получения нужной формы частиц стержень вращается. Размеры и форма частиц контролируются атомно-силовым микроскопом. При необходимости упорядоченного и ориентированного расположения частиц они последовательно наносятся на слой носителя в электрическом поле и закрываются следующим слоем носителя. Возможны и другие способы производства указанного гетероэлектрика, как, например, описанные ниже.

Пример реализации гетероэлектрика по п.1: На кварцевую подложку наносится политеофановая пленка толщиной 100 нм. На поверхность пленки наносится коллоидный раствор серебра. По известной технологии золь-гель методом на указанную пленку осуществляется осаждение серебра в виде частиц, имеющих форму, близкую к сферической, с характерным размером около 70 нм. При нагревании пленки под действием собственного веса частицы серебра “проваливаются” в пленку на глубину порядка их размера. Количество серебра в коллоидном растворе выбрано таким, чтобы обеспечить 10-процентную объемную концентрацию частиц в пленке. При этом среднее расстояние между частицами серебра оказывается равным около 100 нм. Поляризуемость сферических частиц серебра в политеофане равна примерно 1.8·10⁶ нм³, и, следовательно, корень третьей степени из этой величины равен 122 нм. Таким образом полученное вещество, гетероэлектрик, удовлетворяет п.1 формулы изобретения.

Пример реализации гетероэлектрика по п.15: Пары серебра, образующиеся над расплавом этого металла в тигле, охлаждаются таким образом, что над тиглем возникает область насыщенных паров, где происходит конденсация серебра с капельки, поверхностное натяжение которых обеспечивает им сферическую форму. Указанные капельки выводятся из зоны конденсации направленным потоком аргона и осаждаются на вращающемся диске, на котором нанесена полистирольная подложка. Скорость вращения диска выбрана так, что на пленку осаждаются лишь затвердевшие частицы серебра диаметром около 70 нм, которые “проваливаются” в подложку. Плазменный резонанс сферических частиц серебра по расчетам находится вблизи 1.9·10¹⁵ Гц. Объемная плотность частиц серебра в подложке регулируется скоростью потока аргона и временем их осаждения и составляет около 2%. Полученный гетероэлектрик активно воздействует на электромагнитное излучение с длиной волны около 560 нм.

Литература:

1. Авторское свидетельство СССР 1527199.

2. Займидорога О.А., Самойлов В.А., Проценко И.Е. Заявка на изобретение №2002100006 от 03.01.2002.

1. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля, состоящая из носителя и введенного в указанный носитель активного начала, отличающаяся тем, что указанное активное начало представляет собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (веществ), отличного от вещества указанного носителя, расположенные в указанном носителе так, что характерное (среднее) расстояние между указанными кластерами, наночастицами или микрочастицами меньше или порядка корня кубического из поляризуемости указанных кластеров, наночастиц или микрочастиц в веществе указанного носителя.

2. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой твердое вещество и указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются твердыми.

3. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество, а указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими.

4. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой диэлектрическое вещество, а указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими.

5. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними, а указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими.

6. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество и вещество указанных наночастиц является полупроводником.

7. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа, а указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются металлическими.

8. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа, а вещество указанных кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц являются полупроводником.

9. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вещество указанных наночастиц является сверхпроводником.

10. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель является диэлектриком и вещество указанных наночастиц является диэлектриком, но другого химического состава.

11. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель является диэлектриком, а вещество указанных микрочастиц является сегнетоэлектриком.

12. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель является сегнетоэлектриком и вещество указанных микрочастиц также является сегнетоэлектриком, но другого химического состава.

13. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный носитель является средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например за счет добавления примесных атомов.

14. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1, отличающаяся тем, что указанный носитель является жидким, а вещество указанных кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц является твердым.

15. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вещество указанных микрочастиц является сегнетоэлектриком.

16. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля, состоящая из носителя и введенного в указанный носитель активного начала, отличающаяся тем, что указанное активное начало представляет собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы, выполненные из металлосодержащего или полупроводникового вещества, отличного от вещества указанного носителя, и имеющие хотя бы один максимум в частотной зависимости поляризуемости указанных кластеров атомов, наночастиц или микрочастиц в веществе указанного носителя и их размеры меньше чем длина волны электромагнитного излучения.

17. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой твердое вещество и указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются твердыми.

18. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковое вещество.

19. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковые слои n-типа и р-типа с n-р-переходом между ними.

20. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, содержащий полупроводниковые нанокристаллы р-типа.

21. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что вещество указанных наночастиц является сверхпроводником.

22. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что указанный носитель представляет собой диэлектрическое вещество.

23. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16 или 17, отличающаяся тем, что указанный носитель является средой с возможностью инверсного заселения энергетических состояний, например, за счет добавления примесных атомов.

24. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16, отличающаяся тем, что указанный носитель является жидким, а указанные кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы являются твердыми.

25. Гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля по п.16, отличающаяся тем, что вещество указанных микрочастиц является сегнетоэлектриком.