Способ получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла



Способ получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла
Способ получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла

 


Владельцы патента RU 2486282:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к способу получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла из диоксида кремния с поверхностным слоем, содержащим нанокластеры олова. Упомянутый способ может быть использован при создании компонентов микро-(нано-) и оптоэлектронных устройств. Проводят имплантацию ионов олова в кварцевое стекло и отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла в воздушной атмосфере. Имплантацию ионов олова проводят в импульсном режиме при длительности импульсов 0,3-0,4 мс, частоте повторения импульсов 12,5-20 Гц, импульсной плотности ионного тока 0,8-0,9 мА/см2, дозе облучения (4,5-5)×1016 ион/см2, энергии ионов олова 30-35 кэВ и температуре диоксида кремния 60-350°С. Отжиг проводят при температуре 800-900°С в течение 50-70 мин в воздушной атмосфере. Обеспечивается получение стекла с повышенным уровнем интенсивности излучения в ближней области инфракрасного диапазона. 2 ил., 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к кварцевым стеклам, имплантированным ионами олова, и может быть использовано при создании компонентов микро-(нано-) и оптоэлектронных устройств, в частности микроминиатюрных источников света для планарных тонкопленочных волноводных систем и оптических интегральных схем.

Известен легированный оловом материал, представляющий собой основу из кремния с поверхностной пленкой, включающей диоксид кремния и ионы олова [Физика и техника полупроводников, 2007, т.41, в.4, стр.467-470]. Материал содержит две фазы - основу из кремния и пленку из диоксида кремния с оловом. Получен путем выращивания пленки на основе из кремния, с последующей имплантацией в диоксид кремния ионов олова в непрерывном режиме облучения, с последующим отжигом полученного материала при температуре 700÷1100°С в течение одного часа в сухом азоте. При возбуждении пучком электронов (катодолюминесценция) материал имеет три ярко выраженных максимума излучения с относительно низкой интенсивностью (Фиг.1). Один максимум расположен в полосе видимого спектра (400 нм или 3,1 эВ) и вызывается дефектами решетки диоксида кремния, обусловленными влиянием имплантируемых ионов олова. Другой максимум, расположенный в коротковолновой (ближней) области инфракрасного диапазона (760 нм или 1,63 эВ, вблизи границы видимого и инфракрасного диапазонов), имеет меньшую амплитуду, предположительно обусловлен возникшими в результате имплантации нанокластерами олова. Имеется третий максимум излучения пониженной интенсивности в полосе видимого спектра 530 нм (2,34 эВ). Таким образом, энергия возбуждаемого излучения известного материала распределена между тремя полосами, две из которых принадлежат видимой области спектра, а одна находится на границе видимого и инфракрасного диапазонов. При этом максимальная интенсивность излучения в видимой области (длина волны 400 нм) по амплитуде в четыре с половиной раза выше максимальной интенсивности излучения на границе видимого и инфракрасного диапазонов. Энергия излучения известного материала рассредоточена по видимому спектру и ближней области инфракрасного спектра с преобладанием излучения в видимой области.

Недостатком материала является пониженная интенсивность излучения, особенно в ближней области инфракрасного диапазона, что не соответствует требованиям при создании нового поколения приборов оптоэлектроники и фотоники с повышенной степенью интеграции светоизлучающих компонентов, в частности при разработке эффективных микроминиатюрных источников света для планарных тонкопленочных волн сводных систем с соответствующей областью прозрачности.

Известно также легированное оловом кварцевое стекло, представляющее собой основу из аморфного диоксида кремния с поверхностным слоем, состоящим из диоксида кремния и ионов олова в виде металлических кристаллитов (нанокластеров) с размерами 4÷20 нм [Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials and Atoms Volume 91, Issues 1-4, 1 June, 1994, Pages 515-519]. Материал получен путем имплантации в диоксид кремния ионов олова с энергией 400 кэВ, дозой 2×1017 ион/см2 при комнатной температуре в непрерывном режиме облучения. Материал является однофазной системой, включающей основу из диоксида кремния и поверхностный слой из диоксида кремния с нанокластерами олова.

Недостатком этого материала является низкая интенсивность излучения в ближней области инфракрасного диапазона (700-800 нм или 1,55÷1,77 эВ).

Наиболее близким к предлагаемому стеклу является имплантированное оловом кварцевое стекло, представляющее собой основу из диоксида кремния с поверхностным слоем, состоящим из диоксида кремния, ионов олова в виде металлических кристаллитов (нанокластеров) и нанокластеров оксида олова [Journal of applied physics, 2007, 102, 024315]. Этот материал получен путем имплантации в диоксид кремния ионов олова с энергией 50 кэВ, дозой 2×1016 ион/см2 при комнатной температуре, с последующим отжигом в азоте при температуре 650°С, после чего осуществлен отжиг в воздухе при температурах 400, 600, 800 и 1000°С. Материал является однофазной системой, включающей основу из диоксида кремния и поверхностный слой из диоксида кремния с нанокластерами олова и нанокластерами оксида олова.

Недостатком прототипа является низкая интенсивность излучения в ближней области инфракрасного диапазона (700÷800 нм или 1,55÷1,77 эВ).

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего получение материала с повышенной интенсивностью излучения в ближней области инфракрасного диапазона (700÷800 нм или 1,55÷1,77 эВ).

Для решения указанной задачи способ получения имплантированного ионами оловом кварцевого стекла из диоксида кремния с поверхностным слоем, содержащим нанокластеры олова, включающий имплантацию ионов олова в кварцевое стекло и отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла в воздушной атмосфере, отличается тем, что имплантацию ионов олова проводят в импульсном режиме при длительности импульсов 0,3÷0,4 мс, частоте повторения импульсов 12,5÷20 Гц, импульсной плотности ионного тока 0,8÷0,9 мА/см2, дозе облучения (4,5÷5)×1016 ион/см2, энергии ионов олова 30÷35 кэВ и температуре диоксида кремния 60÷350°С, а отжиг проводят при температуре 800÷900°С в течение 50÷70 мин.

При фотовозбуждении полученное предложенным способом кварцевое стекло имеет излучение в двух полосах спектра (фиг.2). Одной из них является полоса пониженной интенсивности с максимумом 496 нм (2,5 эВ), связанная с дефектами решетки оксида кремния, вызванными влиянием имплантированных ионов олова. Кроме того, полученное кварцевое стекло имеет излучение увеличенной интенсивности в полосе 751 нм (1,65 эВ), вызванное нанокластерами олова, образовавшимися в матрице диоксида кремния.

Таким образом, энергия возбуждаемого излучения полученного материала распределена между двумя полосами, одна из которых принадлежит видимой области спектра, а другая находится в ближней области инфракрасного диапазона. Интенсивность излучения в ближней области инфракрасного диапазона по амплитуде в восемь раз больше интенсивности излучения в видимой области. Следовательно, энергия излучения полученного материала сосредоточена в основном в ближней области инфракрасного диапазона.

Увеличенный уровень интенсивности излучения в ближней области инфракрасного диапазона является новым, неожиданным техническим результатом изобретения. При использовании полученного предложенным способом материала обеспечивается, в частности, повышение эффективности работы микроминиатюрных источников света для планарных тонкопленочных волноводных систем с вышеуказанной полосой прозрачности (700÷800 нм или 1,55÷1,77 эВ).

На фиг.1 и 2 изображены спектры излучения известного и предложенного материалов. По вертикальным осям отложены интенсивности излучения в относительных единицах (отн.ед.), по горизонтальным - длины волн излучения (нм).

Фиг.1 - спектр излучения материала, представляющего собой основу из кремния с поверхностной пленкой, включающей диоксид кремния и ионы олова [Физика и техника полупроводников, 2007, т.41, в.4, стр.469, Figure 2 (SiO2:Sn+)]. Вертикальными пунктирными линиями обозначены три спектральные полосы с максимумами излучения на длинах волн 400 нм, 530 нм и 760 нм.

Фиг.2 - спектр излучения предложенного материала, представляющего собой основу из диоксида кремния с поверхностным слоем, включающим нанокластеры олова. Вертикальными пунктирными линиями обозначены две спектральные полосы с максимумами излучения на длинах волн 496 нм и 751 нм.

В таблице приведены режимы импульсного облучения ионами олова основы из диоксида кремния, режимы отжига и интенсивности излучения полученных образцов предложенного кварцевого стекла (1, 2, 3).

Таблица
№ образца Длительность и частота повторения импульсов Импульсная плотность ионного тока и энергия ионов Доза облучения и температура диоксида кремния Температура и время отжига Интенсивность излучения на длине волны 751 нм
(мс; Гц) (мА/см2; кэВ) (ион/см2; °С) (°С; мин) (отн.ед.)
1 0,35; 17 0,85; 33 4,7×l016; 200 870; 60 7850
2 0,3; 12,5 0,8; 30 4,5×l016; 60 850; 50 6510
3 0,4; 20 0,9; 35 5×l016; 350 900; 70 6730

Имплантация ионов олова в кварцевое стекло SiO2 осуществлялась с помощью ионного источника, работающего в импульсном режиме при указанных в таблице параметрах и вакууме (1,4÷2,5)×10-4 Торр. Перед имплантацией вакуум-камера ионного источника откачивалась турбомолекулярным насосом до давления 3×10-5 Торр. Для удаления примесей катода проводилась предварительная имплантация в течение нескольких минут в экран, установленный перед анодом. В качестве катода использовалось гранулированное олово чистотой 99,6%, в качестве анода - образцы аморфного кварцевого стекла типа КУ. Перед облучением образцы кварцевого стекла промыты в спирте в ультразвуковой ванне.

Отжиг производился в воздушной атмосфере с использованием электропечи сопротивления (типа НТ 40/16).

Полученные образцы кварцевого стекла представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см2, толщиной 3 мм, с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца включает нанокластеры олова, нижележащая основа образца состоит из нелегированного диоксида кремния. Фотолюминесценция полученного кварцевого стекла возбуждалась ультрафиолетовым излучением с энергией фотонов в интервале 3,7÷12 эВ через монохроматор. Фотолюминесцентные спектры регистрировались с помощью фотоумножителя R6358P Hamamatsu.

Фотолюминесцентный спектр излучения образца №1 полученного кварцевого стекла приведен на фиг.2. Спектры излучения образцов №2 и №3 по форме соответствуют спектру образца №1, отличаясь амплитудами излучения, указанными в таблице.

Ниже описаны примеры изготовления образцов предложенного кварцевого стекла. Номера примеров соответствуют номерам образцов в таблице.

Пример 1. Имплантацию ионов олова в кварцевое стекло ведут с помощью ионного источника, работающего в импульсном режиме с длительностью импульсов 0,35 мс, частотой повторения импульсов 17 Гц, импульсной плотностью ионного тока 0,85 мА/см2, дозой облучения 4,7×1016 ион/см2 и энергией ионов олова 33 кэВ, при температуре диоксида кремния 200°С. Последующий отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла осуществляют при температуре 870°С в течение 60 мин в воздушной атмосфере. Интенсивность излучения полученного образца №1 составила 7850 отн.ед. в максимуме на длине волны 751 нм, находящейся в ближней, области инфракрасного диапазона.

Пример 2. Имплантацию ионов олова в кварцевое стекло ведут с помощью ионного источника, работающего в импульсном режиме с длительностью импульсов 0,3 мс, частотой повторения импульсов 12,5 Гц, импульсной плотностью ионного тока 0,8 мА/см2, дозой облучения 4,5×1016 ион/см2 и энергией ионов олова 30 кэВ, при температуре диоксида кремния 60°С. Последующий отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла осуществляют при температуре 850°С в течение 50 мин в воздушной атмосфере. Интенсивность излучения полученного образца №1 составила 6510 отн.ед. в максимуме на длине волны 751 нм.

Пример 3. Имплантацию ионов олова в кварцевое стекло ведут с помощью ионного источника, работающего в импульсном режиме с длительностью импульсов 0,4 мс, частотой повторения импульсов 20 Гц, импульсной плотностью ионного тока 0,9 мА/см2, дозой облучения 5×1016 ион/см2 и энергией ионов олова 35 кэВ, при температуре диоксида кремния 350°С. Последующий отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла осуществляют при температуре 900°С в течение 70 мин в воздушной атмосфере. Интенсивность излучения полученного образца №1 составила 6730 отн.ед. в максимуме на длине волны 751 нм.

Способ получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла из диоксида кремния с поверхностным слоем, содержащим нанокластеры олова, включающий имплантацию ионов олова в кварцевое стекло и отжиг имплантированного ионами олова кварцевого стекла в воздушной атмосфере, отличающийся тем, что имплантацию ионов олова проводят в импульсном режиме при длительности импульсов 0,3-0,4 мс, частоте повторения импульсов 12,5-20 Гц, импульсной плотности ионного тока 0,8-0,9 мА/см2, дозе облучения (4,5-5)·1016 ион/см2, энергии ионов олова 30-35 кэВ и температуре диоксида кремния 60-350°С, а отжиг проводят при температуре 800-900°С в течение 50-70 мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных сталей. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Изобретение относится к плазменной обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, энергетике, электронике и других областях.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов. .

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, а также в медицине и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к получению легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана и может быть использовано при создании оптоэлектронных и светоизлучающих устройств.
Изобретение относится к технологии получения покрытий при изготовлении режущего инструмента

Изобретение относится к области атомного и химического машиностроения, а именно к способам нанесения покрытий для защиты деталей от водородной коррозии. Технический результат - повышение работоспособности, надежности и увеличение долговечности деталей с покрытием. Способ включает обезжиривание детали, размещение детали в вакуумной камере, откачку камеры до вакуума, предварительную очистку в среде инертного газа, ионную очистку/травление поверхности, осаждение слоев конденсацией с ионной бомбардировкой и охлаждение в вакууме, а затем в среде инертного газа. Размещение детали выполняют в точке фокусирования потоков не менее чем двух вакуумных дуговых источников плазмы. Предварительную очистку выполняют в среде ионизированного инертного газа. Ионную очистку/травление поверхности выполняют путем подачи на подложку сначала напряжения в диапазоне 200-500 В, затем повышают его плавно или ступенчато до 1-1,5 кВ. При этом для нанесения микрослоев покрытия используют сплавы на основе сочетаний металлов, выбранных из группы Cr, Ni, W, Nb, Zr, Ti, Al, Mo, распыляя их одновременно при вращении детали. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора и турбины из легированных сталей и сплавов на никелевой основе для повышения выносливости и циклической долговечности деталей. Способ включает создание требуемого вакуума турбомолекулярным насосом, ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Вакуум создают от 10-5 до 10-7 мм рт.ст. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 часа. Ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят либо в непрерывном, либо в импульсном режиме при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·1017 см-2 до 2·1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7·1015 с-1 до 1·1015 с-1. Повышаются эксплуатационные характеристики деталей. 16 з.п. ф-лы.

Изобретение может быть использовано при обработке длинномерных изделий для модифицирования поверхности и нанесения функциональных покрытий с использованием технологий вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий. Цилиндрическая вакуумная камера (1) установки имеет загрузочную дверь (11), оснащенную фланцевыми соединениями для установки технологических модулей (4, 5, 6, 7, 8). Установка содержит систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления. Приспособление для размещения обрабатываемых изделий выполнено поворотным. В качестве технологических модулей установка содержит, по крайней мере, один протяженный вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы, протяженный генератор газовой плазмы, среднечастотный дуальный магнетрон, источник ионов металлов, источник ионов газов, а также источник напряжения смещения, выполненный с возможностью обеспечения ионной имплантации и/или осаждения покрытий. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременной или последовательной комплексной поверхностной обработки, включающей очистку и активацию поверхности, нанесение различного вида функциональных многослойных покрытий, модифицирование поверхности металлической и газовой плазмой. 16 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Катод выполнен из сплава меди со свинцом. Свинец содержится в количестве 36 мас.%, соответствующем монотектической точке сплава, в микроструктуре которого суммарная протяженность межфазных границ на 1 мм поверхности катода составляет 6,5…16,0 мм/мм2. Технический результат - повышение износостойкости имплантируемых деталей. 4 ил., 1 табл.

Изобретение к способу получения люминофора в виде аморфной пленки диоксида кремния с ионами селена, расположенной на кремниевой подложке. Способ включает имплантацию ионов селена с энергией ионов 300±30 кэВ при флюенсе 4÷6·1016 ион/см2 в указанную пленку и первый отжиг при температуре 900÷1000°C в течение 1÷1,5 часов в атмосфере сухого азота. При этом пленку дополнительно отжигают при температуре 500÷650°C в течение 1,5÷2,5 часов в воздушной атмосфере. Технический результат - повышение стабильности спектра фотолюминесценции люминофора, обладающего люминесцентным излучением в видимом диапазоне 380÷760 нм. 1 ил., 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области модификации поверхности металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении при производстве деталей, работающих в условиях трения скольжения. В обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. Дозу имплантации ионов инертного газа устанавливают в интервале (0,1…0,25)·D, где D - доза имплантации ионами азота, которую выбирают в интервале (1…5)·1017 ион/см2. Изобретение позволяет повысить износостойкость обработанной поверхности за счет увеличения глубины приповерхностного слоя. 4 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к способу изготовления газодинамического подшипника поплавкового гироскопа. Осуществляют формообразование фланца и опоры с полусферическими встречно обращенными рабочими поверхностями. Ионным травлением выполняют на рабочей поверхности опоры диаметра D аэродинамический профиль в виде канавок из равновеликих отрезков сферических винтовых линий. Переменную глубину канавок в продольном сечении задают монотонным увеличением толщины элемента маски с прорезями в направлении от разъема к полюсу опоры. Переменную глубину канавок в поперечном сечении обеспечивают, выполняя второй элемент маски в виде неподвижного экрана, перпендикулярного оси ионного потока. В результате достигается высокое качество и точность выполнения газодинамического подшипника и его аэродинамического профиля. 3 ил.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов. Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде содержит вакуумную камеру с подложкой для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, а положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод и второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, а положительным - с корпусом камеры. Термоэмиссионный электрод выполнен в виде состоящей из дисков ступенчатой фазовой зонной пластинки Френеля с изменяющейся на π фазой колебаний ее четных зон. Установлены математические формулы для определения величины ступеньки и радиусов дисков фазовой зонной пластинки Френеля. Обеспечивается повышение предела выносливости деталей. 2 ил.

Изобретение относится к люминесцентным материалам - конвертерам вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона, выполненным в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенным для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Толщина аморфной пленки оксида кремния SiOX конвертера составляет 20÷70 нм. Содержание ионов кислорода в упомянутой пленке соответствует количеству, при котором стехиометрический коэффициент Х находится в пределах от 2,01 до 2,45. Увеличиваются интенсивности красного излучения конвертера, а также обеспечивается красное свечение при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое. 6 ил., 1 табл., 4 пр.
Наверх