Защитное покрытие для гигроскопичных оптических материалов на основе лазерно-осаждаемых углеродных нанотрубок для целей оптоэлектроники и медицинской техники

Изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие на основе углеродных нанотрубок с величиной неоднородностей на уровне нанометров. Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой СО2-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Оптический элемент состоит из покрытия на основе углеродных нанотрубок и гигроскопичной подложки. Подложки из KBr, NaCl, KCl используются для обеспечения функционировании данного оптического покрытия вплоть до средней ИК-области спектра. Покрытие способно функционировать в ИК-областях спектра. Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия. 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники, где требуется высокое пропускание оптических элементов, в том числе в ИК-диапазоне спектра, хорошее оптическое качество, высокая механическая прочность, уменьшенная шероховатость поверхности. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой СО2-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Оптический элемент состоит из покрытия на основе углеродных нанотрубок и гигроскопичной подложки. Подложки из KBr, NaCl, KCl используются для обеспечения функционирования данного оптического покрытия в ИК-диапазоне спектра, что позволяет существенно расширить спектральную и энергетические области работы оптоэлектронных систем, а также проводить визуализацию и тестирование биообъектов (эритроцитов крови человека) в электромагнитных полях ИК-диапазона.

Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия. При функционировании данного оптического покрытия нивелируется граница раздела фаз: твердая подложка-покрытие, за счет ковалентной «привязки» покрытия к подложке и выравнивания показателей преломления покрытия и подложки, что приводит, в результате, к повышенной устойчивости элемента в целом во влажной атмосфере.

Изобретение относится к области ИК-спектроскопии, где требуется работа на определенных рабочих длинах волн в области прозрачности атмосферы. Изобретение относится к области оптического приборостроения, к конструированию оптических элементов светофильтров и защитных стекол, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость и влагостойкость, где требуется высокая адгезия защитного или светопропускающего покрытия к поверхности подложки для предотвращения царапин, микроскопических щелей, других дефектов, существенно изменяющих процессы прохождения светового излучения через указанные оптические элементы.

Оптическое покрытие является необходимым функциональным элементом спектральных и лазерных систем, способных управлять потоками излучения разной интенсивности, с учетом процессов отражения, поглощения, интерференции, преломления и ограничения световых пучков в реальном масштабе времени [1-4]. Характеристики оптического покрытия определяются спектральными параметрами, адгезией к поверхности подложки, геометрическими размерами, рельефом поверхности, коэффициентами преломления, лазерной прочностью, а также зависят от согласованного выбора типа подложки, на которую наносится покрытие, ее показателя преломления, шероховатости поверхности подложки.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия, выбранная в качестве аналога [5], где покрытие с минимальным поглощением и рассеянием излучения создавалось за счет получения ненапряженных слоев покрытия с аморфной или монокристаллической структурой. Такое покрытие образовывалось при использовании многократного осаждения монослоев на подожку, нагретую до температуры, не превышающей температуру разрушения и изменения материала подложки и предыдущих слоев покрытия. Покрытие создавалось путем конденсации паров пленкообразующего материала и осаждением их на подложку. В эксперименте авторов публикации [5] подложка нагревалась до температуры 50-100°C, определяемой верхней границей конденсации осаждаемого материала, при этом максимальная температура составляла 150-200°C, что определялось нижней границей конденсации. Недостатком известной конструкции покрытия является: узкий температурный диапазон нагрева подложки, недостаточная однородность рельефа поверхности покрытия и наличие рассеянного излучения, что говорит о существенной шероховатости поверхности и затрудняет применение этого покрытия в системах с высоким светопропусканием в УФ-, видимой и ближней ИК-областях спектра.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия и оптического элемента, выбранная в качестве прототипа [6], где оптический элемент состоит из выступов и углублений, причем выступы имеют неправильную форму, выпуклости и выемки которых образуют световые ловушки, а на полученной таким образом крупномасштабной поверхности сформирован второй слой из мелких неоднородностей. Характерный размер выступов и выемок крупномасштабных неоднородностей в 10-100 раз превышает длину волны излучения линии Лайман-альфа, а размер мелкомасштабных неоднородностей в среднем равен этой длине (менее 200 нм). Недостатком данной конструкции явилось недостаточный спектральный диапазон работы оптического элемента (данный диапазон ограничен только синей и УФ-областью спектра), а также использование двухслойного покрытия, что создает четкую границу раздела фаз: твердая подложка-покрытие, а значит, снижает светопропускание, снижает однородность покрытия, увеличивает светорассеяние на шероховатостях поверхности.

Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия, нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, увеличение светопропускания оптического покрытия и оптического элемента в ИК-области спектра, повышение однородности, механической и лазерной прочности, снижение шероховатости поверхности.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает 2 слоя, причем первый слой состоит из выступов и углублений размером десятки микронов, имеющих неправильную форму, а второй слой сформирован из мелких неоднородностей размером сотни нанометров, используют только один слой покрытия, сформированного из углеродных нанотрубок правильной формы с размером 6-20 нм в диаметре и 20-150 нм по длине нанотрубок. При этом углеродные нанотрубки внедряются в поверхностный слой подложки из гигроскопичного оптического материала KBr, NaCl, KCl, нивелируя границу раздела фаз: твердая подложка-покрытие. Этот процесс обуславливается встраиванием трудноразрушимых алмазоподобных C-C связей углеродных нанотрубок в поверхностные слои подложки с выравниванием показателя преломления покрытия и подложки. Строгое встраивание углеродных нанотрубок в поверхность подложки обеспечивается их выравниванием в электрическом поле.

Замена двухслойного покрытия с неоднородностями микронного размера на покрытие на основе углеродных нанотрубок с неоднородностями нанометровых размеров и без границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, а также использование подложек из бромида калия, хлорида натрия, хлорида калия, функционирующих не только в видимой, но и в ближней, и средней ИК-областях, создает более однородный поверхностный рельеф оптического элемента, существенно расширяет спектральный диапазон роботы покрытия и оптического элемента вплоть до среднего ИК-диапазона, повышает его механическую и лазерную прочность, снижает шероховатости поверхности и повышает влагостойкость. При работе предлагаемой конструкции оптического покрытия и оптического элемента на его основе предполагается использовать спектральную область ближнего и среднего ИК-диапазона, при этом для расширения области работы оптического покрытия в этой области спектра используются подложки из KBr, NaCl, KCl.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое покрытие отличается тем, что для повышения однородности и расширения спектральной области функционирования наносимого слоя используется нивелирование границы раздела сред: твердая подложка-покрытие, то есть создается единый поверхностный слой с близким показателем преломления между покрытием и подложкой, с другим размером неоднородностей, а именно используется покрытие на основе углеродных нанотрубок с размером неоднородностей на уровне нанометров, при этом углеродные нанотрубки ориентированы перпендикулярно поверхности подложки за счет приложения электрического поля, реализуя гомеотропную ориентацию. Нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, выравнивание показателей преломления покрытия и подложки, ортогональное нанесение покрытия на подложку в электрическом поле, сами оптические характеристики покрытия и подложки из KBr, NaCl, KCl - материалов ближнего и среднего ИК-диапазонов - позволяют функционировать оптическому покрытию и оптическим устройствам на его основе в области спектра от ближнего до среднего ИК-диапазона. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен процесс возможного встраивания углеродных нанотрубок в поверхность материала подложки из бромида калия, KBr, (Фиг. 1); изобретение поясняется оптическим спектром работы оптического покрытия в ИК-диапазоне при условии, что покрытие наносилось на этот же материал подложки (Фиг. 2); изобретение поясняется измеренными углами смачиваемости чистой подложки из KBr и подложки из KBr с нанесенным покрытием из ориентированных углеродных нанотрубок (Фиг. 3). Позиция 1 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием из углеродных нанотрубок при воздействии влаги через 1 сутки. Позиция 2 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия при воздействии влаги через 1 сутки. Позиция 3 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием при воздействии влаги через 2 суток. Позиция 4 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия через 2 суток. Позиция 5 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием при воздействии влаги через 3-14 суток. Позиция 6 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия через 3 суток.

Толщина образцов составляла 8 мм, что подтверждает нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие за счет отсутствия потерь на отражение света от границ раздела. Пропускание системы подложка-покрытие улучшено на процент на ряде длин волн ИК-области. Увеличение пропускания составило в среднем 1%. Уменьшение смачиваемости, регистрируемое по увеличению углов смачиваемости, составило, на примере KBr, от 7° для чистого бромида калия, до 27° для бромида калия с нанесенными углеродными нанотрубками, то есть угол смачиваемости увеличился не менее чем в 3-4 раза.

Предлагаемые оптическое покрытие представляет собой систему, состоящую из одного слоя наносимых углеродных нанотрубок толщиной ≤100 нм, напыляемых в вакууме при использовании лазерного излучения и при ориентировании углеродных нанотрубок в электрическом поле, и подложек из гигроскопичного оптического материала KBr NaCl, KCl.

Напыление углеродных нанотрубок проводилось в вакууме на подложки, холодные или нагретые до температуры менее 80°C при использовании осаждения материала покрытия из углеродных нанотрубок излучением лазера. Источником излучения служил квазинепрерывный щелевой СО2-лазер с p-поляризованным излучением на длине волны 10.6 мкм, с мощностью 30 Вт. Для более равномерного распределения, упорядочения, то есть ориентирования углеродных нанотрубок, прикладывалось электрическое поле напряженностью в диапазоне 50-250 В/см.

Измерение спектральных характеристик покрытия проводилось с использованием спектрометра Спектролюм ФТ-08 в диапазоне 3000-30000 нм. Образцы, то есть чистая подложка и подложка, обработанная по описанному способу углеродными нанотрубками, ставились в оправу, и измерения пропускания проводились одновременно для каждой длины волны. Получено увеличение пропускания исследуемых материалов на 1% в диапазоне 3000-30000 нм, что регистрируется уже при односторонней обработке подложки.

Контроль рельефа поверхности осуществлялся электронным микроскопом ПОЛАМ Р312, производства «ЛОМО», Санкт-Петербург, а также рельеф тщательно исследовался зондовым микроскопом фирмы “NT-MDT” (Зеленоград) “Bio47-Smena” в режиме “share-force”. Механическая прочность на истирание была исследована на приборе СМ-55 (разработка ГОИ им. С.И. Вавилова) при нагрузке на индентор 100 г.

Использование в качестве оптического покрытия монослоя из углеродных нанотрубок, наносимых в вакууме на подложки из бромида калия, хлорида натрия, хлорида калия с помощью излучения квазинепрерывного СО2-лазера, ориентированных в процессе напыления электрическим полем напряженностью 50-250 В/см, позволило существенно увеличить однородность покрытия, снизив размер неоднородностей с микро- до наноразмеров, позволило существенно расширить спектральный диапазон функционирования оптического элемента, осуществив работу в широкой средней ИК-области, а также существенно повысить влагозащищенность покрытия при уменьшении его смачиваемости. Улучшенная однородность покрытия, его высокая механическая прочность, повышенное светопропускание в широкой области спектра, являющееся необходимым условием применения в оптоэлектронике и в биомедицинской технике, позволили сократить число слоев с двух [6] до одного, расширить спектральный диапазон ИК-диапазона и уменьшить смачиваемость поверхности. Указанное функциональное совершенствование оптического покрытия и устройств на его основе позволит существенно расширить область применения нового покрытия для защитных стекол и светоделителей ИК-излучения; пригодно для использования в специальных приборах в качестве защитных покрытий, где требуется дополнительное создание защитного слоя от влажности, царапин, трещин, др. дефектов, полезно для применения в биомедицине, где требуется тестирование биообъектов, в том числе в ИК-диапазоне воздействия электромагнитных волн. Изобретение сделано в рамках работы по гранту РФФИ №13-03-00044.

Источники информации

1. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.

2. Н.В. Каманина, Л.Н. Сомс, А.А. Тарасов. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света // Оптика и спектроскопия, т. 68, №3, с. 691-693, 1990.

3. Крылов Т.Н. Интерференционные покрытия. 1973.

4. Оптическая голография. В 2-х томах. Под редакцией Г. Колфилда. М.: Мир, 1982.

5. Патент на изобретение №94041175. «Способ изготовления тонкопленочных покрытий» (вид документа: А1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 94041175, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: конструкторское бюро приборостроения, изобретатели: Лазукин В.Ф., Погорельский С.Л., Сухоруких А.В., Шипунов А.).

6. Патент на изобретение №2079860. «Оптический элемент» (вид документа: C1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 93057999, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: Молдосанов Камиль Абдикеримович, изобретатели: Молдосанов Камиль Абдикеримович, Самсонов Михаил Александрович, Ким Лилия Станиславовна).

Оптическое покрытие для оптического приборостроения, Фурье-спектроскопии, биомедицинской техники, содержащее слой напыленных, с использованием излучения квазинепрерывного СО2-лазера, углеродных нанотрубок на подложку гидроскопичного оптического материала KBr, NaCl, KCl, отличающееся тем, что для повышения влагостойкости, повышения однородности, расширения спектральной области функционирования осаждаемого покрытия вплоть до среднего ИК-диапазона, повышения механической и лазерной прочности, уменьшения шероховатостей поверхности, для создания гомеотропной ориентации молекул органических систем и тестирования биообъектов используется один слой углеродных нанотрубок, ориентированных в электрическом полем с напряженностью 50-250 В/см, с размером неоднородностей на уровне нанометров, осаждаемый на подложку из гигроскопичного оптического материала, такого как KBr, NaCl, KCl.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу образования прозрачного легированного слоя, содержащего оксид цинка, на полимерной подложке для оптоэлектронных устройств и прозрачному легированному слою.

Группа изобретений относится к полимеризационноспособной фотохромной изоцианатной композиции, содержащей фотохромное соединение, к фотохромному сетчатому оптическому материалу и к способу его получения.

Изобретение может быть использовано в оптических системах оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров.
Изобретение относится к улучшенному способу получения заготовок из галогенидов серебра и их твердых растворов для волоконных инфракрасных световодов, включающему нанесение на кристалл-сердцевину из галогенида серебра кристаллической оболочки из кристаллического галогенида серебра с показателем преломления, меньшим, чем у кристалла-сердцевины, и термическую обработку.

Изобретение может использоваться в многослойных комбинированных покрытиях зеркальных космических антенн с рефлекторами из полимерного композиционного материала - углепластика.

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки.

Изобретение относится к иммерсионной жидкости, которая может быть использована в оптическом приборостроении для контроля оптических параметров неорганических материалов и оптических деталей, в том числе крупногабаритных изделий сложной формы.

Изобретение относится к абсорберам видимого света, в частности к новым мономерам азосоединений, в особенности применимым для использования в материалах для имплантируемых офтальмологических линз.

Офтальмологическая линза свободной формы содержит первый участок оптической зоны, содержащий множество вокселов полимеризованного способного к поперечной сшивке материала, содержащего фотопоглощающий компонент.

Изобретение относится к области получения слоистых материалов, используемых в тонкопленочных приборах и устройствах. Изобретение предлагает выравнивающую пленку, включающую выравнивающий слой, содержащий связующую полимерную смолу и неорганический наполнитель в качестве компонентов, по меньшей мере на одной стороне прозрачного полимерного основания.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, регистрирующих молекулярные группы и работающих в видимом диапазоне частот. Возобновляемая подложка для детектирования поверхностно-усиленного рамановского рассеяния состоит из наноструктурированной SERS-подложки и пассивирующего диэлектрического слоя.

Использование: для производства материалов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов, в качестве стабильного материала или метастабильной фазы-прекурсора этого материала.

Изобретение относится к наноэлектронике, в частности к полевым транзисторам, содержащим ячейку флэш-памяти под затвором. Полевой транзистор с ячейкой памяти, выполненный на основе гетероструктуры, содержит сформированные на подложке исток, сток, контакты, нанесенные на исток и сток, канал, затвор с ячейкой памяти.
Заявленное изобретение относится к способу функционализации поверхности магнитных частиц. Согласно заявленному способу к полимеру в фосфатном буфере добавляют магнитные наночастицы и глутаровый альдегид в условиях переменного магнитного поля, затем пептизированные и активированные частицы трижды отмывают фосфатным буферным раствором, осаждая их под действием постоянного магнита, смешивают активированные частицы с раствором анти-аналита для конъюгирования в условиях переменного магнитного поля, после чего трижды отмывают конъюгат осаждением-ресуспендированием в фосфатном буферном растворе, чередуя действие постоянного и переменного магнитных полей.

Изобретение относится к нетканым полимерным нановолокнистым материалам на основе полигидроксибутирата, применяющимся для фильтрации различных сред, выращивания живых клеток, создания пористых матриц для контролируемого высвобождения лекарственных препаратов.
Средство для предпосевной обработки семян гречихи получено на основе природных алюмосиликатов-цеолитов в виде наноструктурированной водно-цеолитной суспензии, состоящей из наночастиц с размерами менее 100 нм.

Изобретение относится к композитным наноматериалам и может быть использовано в приборостроении для производства материалов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов.

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа, а именно к иммуноанализу, в частности к определению содержания патогенных микроорганизмов в различных объектах и средах.

Изобретение относится к области молекулярной биологии и биохимии. Предложена димерная наноструктура, способ её конструирования, способ детектирования аналита и набор для детектирования аналита.

Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами полимерного волокнистого материала может найти применение в производстве фильтровального материала, предназначенного для очистки воды от органических загрязнений.

Изобретение предназначено для аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности и обработки твёрдых и сверхтвёрдых материалов. На молекулярный фуллерен С60 или фуллеренсодержащую сажу с добавкой серосодержащего соединения воздействуют давлением от 0,2 до 12 ГПа и температурой от 0 до 2000 oС. В качестве серосодержащего соединения используют сероуглерод, соединение из группы меркаптанов или продукт взаимодействия соединения из группы меркаптанов с элементарной серой. Структура полученного высокотвердого углеродного материала образована связанными между собой ковалентными связями слоями двумерно-поляризованных вдоль оси вращения второго порядка молекул фуллерена. Твёрдость полученного материала более 10 ГПа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 пр.

Изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное покрытие на основе углеродных нанотрубок с величиной неоднородностей на уровне нанометров. Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой СО2-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Оптический элемент состоит из покрытия на основе углеродных нанотрубок и гигроскопичной подложки. Подложки из KBr, NaCl, KCl используются для обеспечения функционировании данного оптического покрытия вплоть до средней ИК-области спектра. Покрытие способно функционировать в ИК-областях спектра. Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия. 3 ил.

Наверх