RU2269492C1 - Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра - Google Patents

Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра Download PDF

Info

Publication number
RU2269492C1
RU2269492C1 RU2004120886/03A RU2004120886A RU2269492C1 RU 2269492 C1 RU2269492 C1 RU 2269492C1 RU 2004120886/03 A RU2004120886/03 A RU 2004120886/03A RU 2004120886 A RU2004120886 A RU 2004120886A RU 2269492 C1 RU2269492 C1 RU 2269492C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
glass
nanoparticles
pbs
spectrum
size
Prior art date
Application number
RU2004120886/03A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2004120886A (ru
Inventor
Галина Евтихиевна Рачковска (BY)
Галина Евтихиевна Рачковская
Галина Борисовна Захаревич (BY)
Галина Борисовна Захаревич
Николай Васильевич Кулешов (BY)
Николай Васильевич Кулешов
Константин Владимирович Юмашев (BY)
Константин Владимирович Юмашев
ревич Александр Михайлович Мал (BY)
Александр Михайлович Маляревич
Максим Сергеевич Гапоненко (BY)
Максим Сергеевич Гапоненко
Original Assignee
Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет"
Научно-исследовательское учреждение "Международный лазерный центр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет", Научно-исследовательское учреждение "Международный лазерный центр" filed Critical Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет"
Priority to RU2004120886/03A priority Critical patent/RU2269492C1/ru
Publication of RU2004120886A publication Critical patent/RU2004120886A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2269492C1 publication Critical patent/RU2269492C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00Glass compositions
    • C03C3/04Glass compositions containing silica
    • C03C3/076Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
    • C03C3/11Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen
    • C03C3/112Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen containing fluorine
    • C03C3/115Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen containing fluorine containing boron
    • C03C3/118Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing halogen or nitrogen containing fluorine containing boron containing aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00Glass compositions
    • C03C3/04Glass compositions containing silica
    • C03C3/062Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C03C3/07Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing lead
    • C03C3/072Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing lead containing boron
    • C03C3/074Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing lead containing boron containing zinc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C4/00Compositions for glass with special properties
    • C03C4/08Compositions for glass with special properties for glass selectively absorbing radiation of specified wave lengths
    • C03C4/082Compositions for glass with special properties for glass selectively absorbing radiation of specified wave lengths for infrared absorbing glass

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

Стекло с нанокристаллами сульфида свинца (PbS) используется в лазерной технике в качестве просветляющихся фильтров, а именно, твердотельных пассивных затворов для лазеров, излучающих в ближней ИК области спектра. Формирование в стекле наночастиц PbS размером от 3 до 7 нм достигается в результате термической обработки стекла. Наличие в стекле наночастиц PbS определенного размера (3,4; 4,5; 4,9; 6,9) смещает низший по энергии пик экситонного поглощения в диапазон длин волн 0,8-1,6 мкм и расширяет спектральную область рабочих длин волн пассивного затвора лазера. Данное стекло найдет применение в качестве пассивного затвора для генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей на длинах волн 0,8-1,6 мкм в лазерах, применяемых для медицины, волоконно-оптической связи и дистанционного зондирования атмосферы. Стекло включает компоненты при следующем их соотношении, мас.%: SiO2 33-48; В2О3 10-20,5; Na2О 15,5-16,5; ZnO 12-15; Al2О3 3,5-5,5; PbO 4,5-5,5; F 1,5-3,5; S 1,5-3. Техническая задача изобретения - формирование наночастиц сульфида свинца размером от 3 до 7 нм для обеспечения спектрального поглощения и просветления в ближней ИК области спектра от 0,8 до 1,6 мкм. 2 табл.

Description

Изобретение относится к составам стекол, содержащих кристаллы сульфида свинца нанометрового размера (нанокристаллы или наночастицы) для лазерной техники, и предназначено для использования в качестве просветляющихся сред, а именно, в качестве твердотельных пассивных затворов для лазеров, излучающих в ближней ИК области спектра.
Стекла, содержащие наночастицы полупроводникового соединения сульфида свинца (PbS), представляют собой твердотельные наноразмерные структуры, которым присущи квантоворазмерные эффекты. Сульфид свинца, PbS, характеризуется малой эффективной массой носителей заряда (электронов и дырок), узкой шириной запрещенной зоны и большим боровским радиусом экситона. Если размер наночастиц близок к боровскому радиусу экситона, то возникает квантоворазмерный эффект, который проявляется в сдвиге края фундаментального поглощения полупроводника в сторону коротких длин волн и появлении выраженных полос поглощения, связанных с экситонными резонансами. Насыщение (уменьшение) поглощения в области этих резонансов, прежде всего первого, наименьшего по энергии, при интенсивном световом воздействии используется в пассивных затворах лазеров для формирования импульсов излучения наносекундной и сверхкороткой длительностей [1, 2].
Управляя размерами наночастиц PbS, можно смещать положение пика поглощения первого экситонного резонанса (изменять энергию первого экситонного резонанса) в широком спектральном диапазоне и, тем самым, смещать рабочую длину волны пассивного затвора, используя для этой цели только один полупроводниковый материал - PbS. Пассивный затвор, выполненный из стекла с такими наночастицами PbS, при малой интенсивности падающего светового излучения имеет высокий коэффициент поглощения, т.е. затвор закрыт. При сильном резонансном возбуждении, когда интенсивность света сильно возрастает, коэффициент поглощения значительно снижается и наступает эффект просветления - затвор открыт и пропускает лазерный луч.
В известной работе по формированию в стеклянной матрице полупроводниковых наночастиц PbS меньшего размера (и позволяющих получить пик поглощения первого экситонного резонанса в области около 1,0-1,1 мкм) не приведен состав стекла, в котором эти частицы сформированы. Указано только, что в качестве стеклянной матрицы используется фосфатное стекло [3].
Наиболее близким к предлагаемому стеклу с наночастицами PbS по технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее в мас.%: SiO2 58-65; Na2О 10-15; ZnO 5-17; Al2О3 0,5-5; PbO 3-6; RO 0-15; F 1-3,5; S 0-3; Se 0-3; S+Se 1-3, где RO: BeO 0-5; MgO 0-5; CaO 0-15; SrO 0-10; BaO 0-10 [4]. Образование наночастиц PbS в указанном стекле происходит в процессе его термической обработки при температурах 550-650°С. Стекло содержит наночастицы PbS размером 7-30 нм, что соответствует спектральному положению первого экситонного пика поглощения в области 1,6-2,2 мкм. Однако данное стекло не обеспечивает получения наночастиц PbS размером меньше 7 нм и не позволяет создать материал с экситонными полосами поглощения в более коротковолновой области спектра (менее 1,6 мкм).
Задачей предлагаемого изобретения является формирование в стеклянной матрице наночастиц PbS меньшего размера (от 3 до 7 нм), обеспечение спектрального поглощения и просветления, а также расширение спектрального диапазона рабочих длин волн пассивного затвора лазера от 0,8 до 1,6 мкм.
Для решения поставленной задачи предлагается стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, которое включает SiO2, Na2O, ZnO, Al2О3, PbO, F и S и дополнительно содержит В2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 33-48; В2О3 10-20,5; Na2O 15,5-16,5; ZnO 12-15; Al2O3 3,5-5,5; PbO 4,5-5,5; F 1,5-3,5; S 1,5-3. Количественное сочетание указанных компонентов в предлагаемом составе стекла позволяет сформировать в стеклянной матрице наночастицы PbS меньшего размера, а именно, от 3 до 7 нм, обеспечить спектральное поглощение и просветление в коротковолновой области спектра и, таким образом, создать новый материал для просветляющихся фильтров - твердотельных пассивных затворов, с помощью которых представляется возможным осуществить генерацию наносекундных и сверхкоротких световых импульсов на длинах волн 0,8-1,6 мкм в лазерах, используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы.
Из источников литературы стекло, содержащее нанокристаллы PbS, такого химического состава для решения указанной задачи не известно и нами предлагается впервые.
Синтез стекла осуществляют в газовой пламенной печи при температуре 1350-1400°С с выдержкой при максимальной температуре варки в течение 2 часов до полного провара и осветления стекломассы. Скорость подъема температуры в печи 300°С в час.
В качестве сырьевых материалов для приготовления шихты используют: песок кварцевый SiO2, глинозем Al2О3, борную кислоту Н3ВО3, оксид цинка ZnO, оксид натрия Na2O, свинцовый сурик Pb3O4, фтористый натрий NaF и серу S. Шихту тщательно перемешивают, засыпают в корундизовые тигли, которые помещают в стекловаренную печь для варки.
Из готовой стекломассы методом литья в металлические формы выливают образцы для проведения дальнейшей термической обработки. Отжиг образцов осуществляют при температуре 450°С.
Термическую обработку стекла проводят в электрической печи при температуре 480-525°С в течение 1-24 часов выдержки. Варьируя температурно-временной режим термообработки стекла, получают наночастицы PbS размером 3,4; 4,5; 4,9; 6,9 нм (см. таблицу 2).
Анализ рентгенограммы стекла, прошедшего термообработку, подтвердил наличие в стеклянной матрице нанокристаллов PbS, сформированных в результате термической обработки. Основные межплоскостные расстояния (0,342; 0,297; 0,209 нм) соответствуют межплоскостным расстояниям кристаллической фазы PbS.
Конкретные составы предлагаемых стекол, а также их спектральные характеристики в сравнении со стеклом - прототипом приведены в таблицах 1 и 2.
Составы, находящиеся за пределами заявляемой области, не могут быть использованы в этих целях, так как кристаллизуются либо при выработке стекломассы, либо дают объемную грубо кристаллическую структуру при термообработке.
В таблице 2 указаны размеры наночастиц PbS, сформированных в этих стеклах в результате термической обработки, а также приведены спектральные положения первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса. Данные таблицы 2 показывают, что заявляемые стекла содержат наночастицы PbS меньшего размера (3-7 нм), чем у прототипа, при этом пик первого экситонного резонанса расположен в ближней ИК области спектра в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, т.е. на более коротких длинах волн, чем у прототипа.
Таблица 1
Составы стекол
Компоненты стекол Содержание компонентов в составах, мас.%
1 2 3 Прототип [4]
SiO2 42,0 48,0 33,0 58-65
В2O3 15,5 10,0 20,5 -
PbO 4,5 5,0 5,5 3-6
Na2O 15,5 16,5 16,0 10-15
ZnO 14,0 12,0 15,0 5-17
Al2O3 3,5 5,5 4,5 0,5-5
F 2,0 1,5 3,5 1-3,5
S 3,0 1,5 2,0 0-3
Se - - - 0-3
S+Se - - - 1-3
RO (BeO, MgO, CaO, SrO, BaO) - - - 0-15
Таблица 2
Размер, спектральное положение первого экситонного пика поглощения и энергия соответствующего экситонного резонанса для образцов стекол с наночастицами PbS
Образец Режим обработки (температура/время) Средний диаметр наночастиц, нм Спектральное положение максимума полосы поглощения первого экситонного резонанса
длина волны, мкм энергия фотона (энергия резонанса), эВ
№1 480°С/24 ч 3,4 0,86 1,43
+
525°С/5 ч
№2 525°С/1 ч 4.0 1,01 1,22
№3 525°С/10 ч 4,9 1,25 0,99
№4 525°С/20 ч 6,9 1,6 0,77
прототип 550-650°С/1-4 ч 7-30 1,6-2,2 -
Как видно из таблицы 2, изменение режима термообработки приводит к изменению размера наночастиц сульфида свинца, что, в свою очередь, вызывает смещение пика первого экситонного резонанса в область больших по длине волн. Наибольшая энергия первого резонанса - 1,43 эВ (самая короткая длина волны максимума полосы поглощения - 0,86 мкм) наблюдается у наночастиц PbS с диаметром 3,4 нм.
Сравнительный анализ показателей (размера нанокристаллов PbS и положения пика спектрального поглощения) предлагаемого стекла и прототипа показали, что заявляемое стекло содержит наночастицы PbS меньшего размера, чем у прототипа, при этом пик экситонного поглощения расположен в более коротковолновой области спектра, чем у прототипа.
Таким образом, заявляемый химический состав стекла при соответствующей термической обработке обеспечивает формирование нанокристаллов сульфида свинца меньшего размера (3-7 нм), обеспечивает спектральное поглощение и просветление в диапазоне длин волн 0,8-1,6 мкм и расширяет спектральный диапазон рабочих длин волн пассивного затвора лазера.
Указанные преимущества заявляемого стекла, содержащего наночастицы PbS размером 3-7 нм, позволяют создать новый наноструктурный стекломатериал для просветляющихся фильтров (твердотельных пассивных затворов), с помощью которых можно осуществлять генерацию коротких и сверхкоротких импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона 0,8-1,6 мкм, используемых для медицины, волоконно-оптических линий связи, дистанционного зондирования атмосферы.
Область применения предлагаемого стекла с нанокристаллами PbS - лазерные системы генерации импульсов наносекундной и сверхкороткой длительностей.
Источники информации
1.1. Kang, F.W. Wise, "Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots", J.Opt.Soc.Am.B.14, 1632-1646 (1997).
2. А.М.Malyarevich, I.A.Denisov, V.G.Savitsky, K.V.Yumashev, A.A.Lipovskii: "Glass Doped with PbS Quantum Dots as Passive Q-Switch for 1.54 μm Laser" Appl. Optics 39, 4345 (2000).
3. A.A.Lipovskii, E.V.Kolobkova, A.Olkhovets, V.D.Petrikov and F.Wise, "Synthesis of monodisperse PbS quantum dots in phosphate glass", Physica E 5, 157-160 (1999).
4. Патент США №5,449,645, кл. С 03 С 010/02, 12.09.1995 (прототип).

Claims (1)

  1. Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ИК области спектра, включающее SiO2, Na2О, ZnO, Al2O3, PbO, F и S, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит В2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
    SiO2 33,0-48,0 В2О3 10,0-20,5 Na2O 15,5-16,5 ZnO 12,0-15,0 Al2O3 3,5-5,5 PbO 4,5-5,5 F 1,5-3,5 S 1,5-3,0
RU2004120886/03A 2004-07-08 2004-07-08 Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра RU2269492C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004120886/03A RU2269492C1 (ru) 2004-07-08 2004-07-08 Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004120886/03A RU2269492C1 (ru) 2004-07-08 2004-07-08 Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004120886A RU2004120886A (ru) 2006-01-10
RU2269492C1 true RU2269492C1 (ru) 2006-02-10

Family

ID=35872114

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004120886/03A RU2269492C1 (ru) 2004-07-08 2004-07-08 Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2269492C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2485062C1 (ru) * 2011-10-18 2013-06-20 Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" Стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2485062C1 (ru) * 2011-10-18 2013-06-20 Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" Стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004120886A (ru) 2006-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. Semiconductor quantum dots‐embedded inorganic glasses: fabrication, luminescent properties, and potential applications
JP3897170B2 (ja) 赤外発光体および光増幅媒体
RU2579056C1 (ru) Люминесцирующая наностеклокерамика
Julián et al. Eu 3+-doped CdS nanocrystals in SiO 2 matrices: one-pot sol–gel synthesis and optical characterization
TW200424142A (en) Glass ceramics based zno
Lu et al. Ultrabroadband mid-infrared emission from Cr2+-doped infrared transparent chalcogenide glass ceramics embedded with thermally grown ZnS nanorods
Jin et al. The inhibition of CsPbBr3 nanocrystals glass from self-crystallization with the assistance of ZnO modulation for rewritable data storage
JP6061624B2 (ja) 透明結晶化ガラス
Peng et al. Surface modification and fabrication of white‐light‐emitting Tm3+/CdS quantum dots co‐doped glass fibers
RU2341472C1 (ru) Стекло с нанокристаллами селенида свинца для насыщающих поглотителей
RU2269492C1 (ru) Стекло с нанокристаллами сульфида свинца для просветляющихся фильтров в ближней ик области спектра
Oishi et al. Preparation and optical properties of transparent tellurite based glass ceramics doped by Er3+ and Eu3+
RU2412917C1 (ru) Стекло с нанокристаллами селенида свинца для просветляющихся фильтров ближней ик области спектра
US6132643A (en) Fluorescent photosensitive vitroceramics and process for the production thereof
ZHENG et al. Spectroscopic investigations on Er3+/Yb3+-doped oxyfluoride glass ceramics containing YOF nanocrystals
CN108383392A (zh) 一种ZnSe量子点掺杂玻璃及其制备方法
RU2485062C1 (ru) Стекло с наночастицами сульфида свинца для просветляющихся фильтров
RU2380806C1 (ru) Стеклокристаллический материал для пассивного лазерного затвора и способ его получения
Wang et al. Transparent glass-ceramics functionalized with EuSiO 3 constrained BaF 2: Eu 2+ nanocrystals: theoretical design and experimental fulfillment towards an efficient spectral converter
JP2006036618A (ja) フッ化カルシウム結晶およびその作製方法ならびにその使用方法
Kim et al. Optical properties and structure of BaO-TiO 2-SiO 2 glass ceramics
KR102040516B1 (ko) 단일 밴드 상향 변환 발광체 및 이의 제조 방법
Moncorge et al. Spectroscopic study and laser operation of Cr4+-doped (Sr, Ca) Gd4 (SiO4) 3O single crystals
Shasmal et al. Remarkable photoluminescence enhancement and tuning in Eu/CdS co-doped chloroborosilicate glass-ceramics
Klinkov et al. Spectral and Luminescent Properties of Borosilicate Glass with CsPbBr 3 Nanocrystals

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060709