JPH02230223A - 非線形光学媒体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の産業上利用分野） 本発明は非線形光学媒体の製造方法、さらに詳細には種
々の光学素子に適用可能な半導体微粒子あるいは金属微
粒子をドープしたガラスマトリックスの製造方法に関す
る． （従来技術および問題点） 光論理素子や光スイッチなどの実現を目的として、非線
形光学効果の大きい物質の探索が進められている．最近
、この種のものとして、金属または半導体の微粒子を分
散したガラスなどの誘電体が注目されている．従来のこ
の種のガラスの合成方法としては、例えば塩化第１銅（
ＣｕＣ　１　）をドープする方法を例に採ると、硅酸塩
系ガラス原料とＣｕＣ１の原料である銅化合物および塩
素化合物を混合・溶融し、ガラスブロックを合成した後
、再加熱処理によりガラス中にＣｕＣ１を析出させてい
た．この方法において、ＣｕＣ　ｌ微粒子の粒径は熱処
理条件によって変えることができるが、その制御は極め
て困難である．また、この方法に適用できる半導体はガ
ラス合成時の加熱条件に適合しうる合成条件を持つ半導
体に限定されていた． これらの問題点を打破するため、最近、ゾルゲル法を用
いてガラス合成時にシリコンなどの半導体微粒子をドー
プする方法が提案されている．このような方法は、ゾル
溶液中に半導体粒子を混入すると共にゲル化してガラス
マトリックス中に前記半導体粒子を固定するものである
．この方法はマトリックス中に均一にドープできるなど
の優れた特徴を持っているが、半導体の粒径および粒径
分布は出発微粒子のそれによって限定される問題点があ
る．実際問題として、粒径が小さくかつ均一な半導体微
粒子を入手することは困難であった．また、実質的にド
ープできる半導体の種類も限られていた．また別の問題
としては、ドーパントである半導体の種類によっては耐
熱温度が低いため、ガラス化温度まで加熱することがで
きず、マトリックスガラスの機械強度が不十分であるこ
とが挙げられる． 本発明はこれらの欠点を解決した粒径が小さくかつ粒径
の分布の均一な半導体微粒子あるいは金属微粒子をドー
プしたガラスマトリックスの製造方法に関する． （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため本発明による非線形光学媒体
の製造方法は、半導体を溶解した溶液、または半導体ま
たは金属を分散した分散液、あるいは半導体原料溶液中
に、少なくとも一種の金属アルコキシドの加水分解およ
び縮合によって得られた気孔部を有するガラスマトリッ
クスを浸漬し、次に該マトリックスを乾燥することを特
徴とするものである． 本発明者らは粒径が小さくかつ粒径分布の均一な半導体
微粒子をドープしたマトリックス、および広範囲の半導
体のドーブを可能にするマトリックスの製造方法を種々
検討した結果、半導体またはその原料を溶解した溶液、
または半導体を分散した分散液、あるいは金属コロイド
の溶液中に少なくとも一種の金属アルコキシドを加水分
解および縮合して得られたガラスマトリックスを浸漬し
、次に該ガラスマトリックスを乾燥することにより、半
導体微粒子あるいは金属微粒子をドーブしたガラスマト
リックスが得られることを見いだした．上述のような本
発明で使用される金属アルコキシドは基本的に限定され
るものではないが、前記金属アルコキシドにおける金属
として、たとえばＳｔ，Ｔｉ、−Ｇｅ，Ｚｒ，ＡＩ，Ｂ
，Ｎｂ，Ｇａ、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｐ，Ｓｂ，Ｔａなどの一種
以上を挙げることができる．しかしＳｉが最も一般的で
ある． 本発明の金属アルコキシドにおいては、全ての置換基が
アルコキシル基でなくてもよい．金属がＳｉの場合を例
に取ると、石英ガラスの原料であるテトラアルコキシシ
ランのほかにアルコキシル基の一部が有機基に置換され
たトリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン、モノア
ルコキシシランが挙げられる．この種の有機基は特に限
定するものではないが、エチル、メチルなどのアルキル
基、ビニルなどのアルケニル基、フエニルなどのアリー
ル基あるいはこれらの誘導体が例示される．また、これ
らの有機基中に重合性二重結合が含まれる場合は、これ
を利用して分子間の架橋を生じさせることができる． 本発明における金属アルコキシドの加水分解および縮合
によって得たガラスマトリックスは、まず金属アルコキ
シドを適当な触媒により加水分解縮合しゾルを造り、次
いで該ゾルを加熱しゲル化しゲル体を得、さらに該ゲル
体を加熱することにより得られる．ガラスマトリックス
の孔径はゲル体の加熱温度の調節および触媒の選択によ
って制御することができる．ゲル体の加熱温度は特に限
定するものではないが、孔径制御および機械的強度の点
から全ての置換基がアルコキシル基の場合には一般には
５００℃以上が望ましい．また、置換基の一部が有機基
の場合には一般には５０〜３００℃の加熱温度が望まし
い． 本発明における半導体および金属は特に限定するもので
はなく有機化合物、無機化合物の何れでも良く、各種の
有機溶媒、無機溶媒に溶解あるいは分散するものなら適
用可能である． 本発明による非線形光学媒体の製造方法は、具体的には
いくつかの異なった方法がある．半導体として硫化カド
ミウム（ＣｄＳ）を例にとると、ＣｄＳは例えば次のよ
うな反応によって得られる．ＣｄＳＯ４＋Ｈ２Ｓ−４Ｃ
ｄＳ＋Ｈ２ＳＯ４　　　（１）ＣｄＩ２＋Ｈ２Ｓ−Ｃｄ
Ｓ＋２ＨＩ　　　　　　（２）（１）式および（２）式
に示したＣｄＳの原料は水やジメチルフォルムアミド（
ＤＭＦ）などの有機溶媒に溶解し、また生成物のＣｄＳ
は水に分散してハイドロゾルになり、また有機溶媒に分
散してオルガノゾルとなる．このようなオルガノゾルや
ハイドロゾルの粒径は一般に小さく１００人以下の粒径
の微粒子も比較的容易に得られる．したがって、このよ
うなハイドロゾルやオルガノゾルの溶液中にガラスマト
リックスを浸漬した後、乾燥することにより、ＣｄＳを
ドープしたマトリックスが得られる． また、別の方法としてはＣｄＳＯ４やＣｄＩ２の溶液中
にガラスマトリックスを浸漬した後、Ｈ２Ｓガスと反応
することによりＣｄＳをドーブしたマトリックスが得ら
れる．また、例えば、オルガノゾルやハイドロゾルを例
にとると、マトリックス中の微粒子径の大きさは分散液
中のそれと同じであるため、粒径が小さくかつ均一な微
粒子がドープされる． 上記のようなハイドロゾルやオルガノゾルの形状をとる
半導体としては、ＣｕＳ．ＣｄＳ、ＮｉＳ，Ｃｕ２Ｓ，
ＨｇＳ，Ｚｎ．Ｓ，ＰｂＳ、ＭｎＳ，ＺｎｘＣｄｌ−ｘ
，ＣｏＳ等が例示される．また、金属としては金、銀、
シリコンなどが例示される． 本発明によって得られた半導体微粒子あるいは金属微粒
子をドープした気孔部を有するガラスマトリックスはそ
のままで用いてもよいし、あるいはドープ後さらに加熱
し緻密化した後用いてもよい．あるいはドープ後さらに
有機物などで該孔を塞ぐことも有用な方法である． （実施例１） ヨウ化カドミウムをジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に
溶解した後脱気した．次にこの溶液に硫化水素ガスを流
し反応させ、黄色コロイド（オルガノゾル）が分散した
分散液を得た．Ｘ線解析などの結果、このコロイド状化
合物はＣｄＳであることが解かった．また、レーザー光
散乱法により測定した結果、平均粒径は５０人であった
．次にテトラエトキシシラン、水、フッ酸およびエタノ
ールからなる溶液を反応させた後、４０℃で２週間乾燥
した．ゲルガラスをヘリウム／酸素混合雰囲気中で室温
から７５０℃まで１゜Ｃ／分の速度で加熱し、次いで７
５０℃１２時間熱処理した後室温まで冷却しガラスマト
リックスを得た．次にこのマトリックスを上記のオルガ
ノゾル溶液中に常温で３時間浸漬した後、６０℃で減圧
乾燥し黄色透明の硫化カドミウムがドーブされたガラス
マトリックスを得た． 第１図は本実施例によって得た硫化カドミウムをドープ
した多孔質ガラスの光スペクトルである．図中に波線で
示したように紫外吸収を外そうとして求めたバンドギャ
ップは、０，３３μｍであり、バルク状硫化カドミウム
の０．５１μｍと比較して、短波長側に変化している．
これは硫化カドミウムが微結晶として、ガラス中に存在
していることを示している．また、波長０．４３μｍに
吸収があることがわかる．縮退四光子混合実験により評
価した３次非線形怒受率は３　Ｘ　１　０−９ｅｓｕで
あった． （実施例２） 酢酸銅をジメチルスルフ才キシド（ＤＭＳＯ）に溶解し
た後脱気した．次にこの溶液にヘリウムで希釈した硫加
水素ガスを流し反応させ暗緑色コロイド（オルガノゾル
）が分散した分散液を得た．Ｘ線解析などの結果、この
コイド状化合物は、ＣｕＳであることが解かった．また
、レーザー光散乱法により測定した結果、平均粒径は１
２０人であった． 次にテトラエトキシシラン、水、フッ酸およびエタノー
ルからなる溶液を反応させた後、４０℃で２週間乾燥し
た．得られたガラスマトリックスをヘリウム／酸素混合
雰囲気中で室温から７５０℃まで１℃／分の速度で加熱
し、次いで７５０℃で１２時間熱処理した後室温まで冷
却しガラスマトリックスを得た． 次にこのマトリックスを上記のオルガノゾル溶液中に常
温で３時間浸漬した後、５０℃減圧下で乾燥し暗緑色の
硫化銅がドープされたマトリックスを得た．さらに、該
多孔質酸化物をポリメチルメタクリレートのメチルエチ
ルケトン溶液中に浸漬した後乾燥し、該当するマトリッ
クスを得な．《実施例３》 テトラエトキシシラン、水、フッ酸およびエタノールか
らなる溶液をシリカガラス基板上に塗布した後、室温で
ゲル化させた．さらに４０℃で２週間乾燥した．次いで
得られたゲルガラス膜をヘリウム／酸素混合雰囲気中で
室温から７５０℃まで１℃／分の速度で加熱し、次いで
７５０℃で１２時間熱処理した後室温まで冷却しマトリ
ックスの膜を得な． 次に該マトリックスを酢酸銅を溶解したＤＭＦ溶液中に
３時間浸した．減圧下で乾燥することにより溶媒を除去
した後、該膜と硫化水素を室温で４日間反応させた．し
かる後得られた膜を１２０℃で３時間加熱しＣｕＳをド
ープした膜状のガラスマトリックスを得た． （実施例４） テトラエトキシシラン、水、フッ酸およびエタノールか
らなる溶液を反応させた後、４０℃で２週間乾燥した．
ゲルガラスをヘリウム／酸素混合雰囲気中で室温から７
５０℃まで１℃／分の速度で加熱し、次いで７５０℃で
１２時間熱処理した後室温まで冷却しマトリックスを得
た．次にこのマトリックスを平均粒径５０人の金微粒子
を分散した水溶液中に浸漬した後、乾燥し金微粒子をド
ーブしたマトリックスを得た．さらに、該マトリックス
を常温から１３５０℃まで０．　５℃／分の速度で加熱
し、次いで１３５０℃で２４時間加熱した後室温まで冷
却し、金微粒子をドーブしたシリカガラスを得た． 第２図は、金微粒子をドープしたシリカガラスの光吸収
スペクトルである，０．５４μｍをピークとした吸収が
あることがわかる．この吸収は、金微粒子のプラズマ振
動周波数に対応しており、作製したガラスが十分非線形
ガラスとして使用可能なことがわかる． また、縮退四光子混合実験により評価した３次非線形感
受率は約１　．　Ｏ　Ｘ　１　０−’ｅｓｕであった．
（実施例５） メチルトリエトキシシラン、エタノール、水および塩酸
からなる溶液を反応させた後、ガラス基板上に塗布した
後、４０℃で１週間、次いでｌＯＯ℃まで徐々に加熱し
た後、１２０℃で１週間加熱した．得られた膜状のマト
リックスを酢酸カドミウム水溶液（濃度０．１Ｍ）に浸
漬した後、該マトリックスを硫化ナトリウム（濃度０．
１Ｍ）に浸漬した．乾燥した後２００℃でさらに乾燥し
、ＣｄＳがドープされたガラスマトリックスを得た．（
実施例６） ヨウ化鉛をジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解した
後脱気した．次にこの溶液に硫化水素ガスを流し反応さ
せ、黒色コロイド（オルガノゾル）が分散した分散液を
得た．Ｘ線解析などの結果、このコロイド状化合物はＰ
ｂＳであることがわかった。また、レーザー光散乱法に
より測定した結果、平均粒径は１５Ｑ人であった． 次にテトラエトキシシラン、水、フッ酸およびエタノー
ルからなる溶液を反応させた後、４０℃で２週間乾燥し
た．ゲルガラスをヘリウム／酸素混合雰囲気中で室温か
ら７５０℃まで１℃／分の速度で加熱し、次いで７５０
℃２４時間熱処理した後室温まで冷却しガラスマトリッ
クスを得た．次にこのマトリックスを上記のオルガノゾ
ル溶液中に常温で３時間浸漬した後、６０℃で減圧乾燥
し黒色の硫化鉛がドープされたガラスマトリックスを得
た．次に０．５％のペンゾイルバーオキサイドを溶解し
たメチルメタクリレートに浸漬し、５０℃で４８時間、
次いで９０℃で２４時間加熱し、硫化鉛がドーブされた
緻密なマトリックスを得た． （発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、半導体または金属
あるいはそれらの原料を溶解した溶液または分散した分
散液を用いるため、粒径が小さくまた均一な粒径分布を
持つ微粒子をドーブすることができる．また、有機また
は無機の溶媒に溶解あるいは分散する半導体、金属また
はその原料の適用が可能であるため、極めて広範囲の半
導体や金属をドーブすることができる。さらに、マトリ
ックスとしては金属アルコキシドの加水分解および縮合
によって得た気孔部を有するガラスマトリックスを用い
るため、ドーブした後該気孔部に有機物をドーブしたり
、あるいは１０００℃以上での高温での成形が可能であ
るため、広い範囲のドーパントの適用が可能であると共
に、素子や部品製造のプロセスとの適合が容易であり、
また機械的強度や信頼性も高い利点がある．したがって
、本発明の非線形光学媒体は広い範囲において非線形光
学素子として用いられる利点がある．

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体を溶解した溶液、または半導体または金属
   を分散した分散液、あるいは半導体原料溶液中に、少な
   くとも一種の金属アルコキシドの加水分解および縮合に
   よって得られた気孔部を有するガラスマトリックスを浸
   漬し、次に該マトリックスを乾燥することを特徴とする
   非線形光学媒体の製造方法。