RU2416681C2 - METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES - Google Patents

METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES Download PDF

Info

Publication number
RU2416681C2
RU2416681C2 RU2009125444/05A RU2009125444A RU2416681C2 RU 2416681 C2 RU2416681 C2 RU 2416681C2 RU 2009125444/05 A RU2009125444/05 A RU 2009125444/05A RU 2009125444 A RU2009125444 A RU 2009125444A RU 2416681 C2 RU2416681 C2 RU 2416681C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical medium
sio
ammonia
radiation
range
Prior art date
Application number
RU2009125444/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009125444A (en
Inventor
Михаил Исаакович Самойлович (RU)
Михаил Исаакович Самойлович
Светлана Михайловна Клещева (RU)
Светлана Михайловна Клещева
Алексей Федорович Белянин (RU)
Алексей Федорович Белянин
Николай Владимирович Чернега (RU)
Николай Владимирович Чернега
Сергей Александрович Багдасарян (RU)
Сергей Александрович Багдасарян
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш")
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 Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш") filed Critical Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш")
Priority to RU2009125444/05A priority Critical patent/RU2416681C2/en
Publication of RU2009125444A publication Critical patent/RU2009125444A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2416681C2 publication Critical patent/RU2416681C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Silicon Compounds (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method is implemented through hydrolysis of a colloidal suspension from a tetraether of ortho-silicic acid in an organic solvent - ethanol in the presence of a catalyst - ammonia, in which the tetraether of ortho-silicic acid is preheated at temperature 350-420 K for 150-240 minutes with ratio of the latter to 25% ammonia between 2:1 and 1.2:1.
EFFECT: high beam strength o the optical medium.
2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области получения оптических сред, включая среды с избирательным пропусканием, с высокой лучевой прочностью.The invention relates to the field of production of optical media, including media with selective transmission, with high radiation resistance.

Известно, что ряд предприятий, в частности корпорация "Northrop Grumman", объявили о создании устанавливаемого на самолете твердотельного лазера мощностью около 100 кВт (наносекундного диапазона по длительности импульса) и о проведении работ по созданию аналогичного лазера мощностью 200 кВт, а также рекламируется лазерная самоходная установка, способная поражать беспилотные самолеты. Одновременно, известен ряд фирм, ведущих разработку химических лазеров (фемтосекундного диапазона по длительности импульса) большой мощности, устанавливаемых на самолетах и способных поражать наземные, воздушные и космические цели. Во всяком случае, появились сообщения об испытаниях таких лазеров киловатного диапазона, что означает о принципиальной возможности по созданию на поверхности цели, при определенных условиях (необходимо учитывать такие факторы как дальность, эффективность зеркал и фокусировки, поглощение и другие), больших мощностей (за несколько секунд - продолжительности квазинепрерывной работы лазера) от сотен МВт/см2 до единиц ГВт/см2.It is known that a number of enterprises, in particular Northrop Grumman Corporation, announced the creation of an aircraft-mounted solid-state laser with a power of about 100 kW (nanosecond range in pulse duration) and the work on creating a similar laser with a power of 200 kW, and a self-propelled laser is being advertised installation capable of hitting unmanned aircraft. At the same time, a number of companies are known that are developing high-power chemical lasers (femtosecond pulse duration range) installed on airplanes and capable of hitting ground, air and space targets. In any case, there have been reports of testing such kilowatt-range lasers, which means that it is possible in principle to create a target on the surface under certain conditions (factors such as range, mirror and focusing efficiency, absorption, etc. must be taken into account), high powers (for several seconds - the duration of quasi-continuous laser operation) from hundreds of MW / cm 2 to units of GW / cm 2 .

Известны технические решения по получению оптических сред и элементов с повышенной лучевой прочностью с применением различных кристаллических материалов, например патенты RU 02288489 C1 от 2006 г., RU 02112820 С1 от 1998 г., RU 02345388 С1 от 2009 г. и RU 01544044 А1 от 1995 г., в которых приведены данные по получению оптических сред и элементов с повышенной лучевой прочностью с использованием различных технологических приемов при выращивании кристаллических материалов или с применением прессования порошков из таких материалов. Во всех случаях получаемый эффект повышения лучевой прочности не превышает 10-20 ГВт/см2. Известны также технические решения по получению синтетических материалов с высокой однородностью структуры (решетчатой упаковки типа опала) с использованием суспензий из сферических наночастиц кремнезема (SiO2.) с высокой монодисперсностью, получаемых гидролизом тетраэтоксисилана в спиртоаммиачной среде, например патенты RU 2162456 и RU 2051864, преимущественно, для ювелирного применения. Такие материалы не обладают лучевой прочностью, превышающей 50-100 ГВт/см2. Известно также техническое решение из патента US 7063890 В2, кл. 428/402 от 2006 г. (прототип), а именно оптическая среда, получаемая с использованием наночастиц SiO2 диаметром 210-240 нм, изготавливаемых с использованием коллоидной суспензии, что обеспечивает повышенную устойчивость такого композита к световым и механическим воздействиям. Однако такие и другие известные материалы не обладают лучевой прочностью, превышающей 30-50 ГВт/см2.Known technical solutions for the production of optical media and elements with increased radiation resistance using various crystalline materials, for example, patents RU 02288489 C1 from 2006, RU 02112820 C1 from 1998, RU 02345388 C1 from 2009 and RU 01544044 A1 from 1995 d. in which data are presented on the production of optical media and elements with increased radiation resistance using various technological methods for growing crystalline materials or by pressing powders from such materials. In all cases, the resulting effect of increasing radiation strength does not exceed 10-20 GW / cm 2 . Technical solutions are also known for producing synthetic materials with a high homogeneity of structure (lattice packaging such as opal) using suspensions of spherical silica nanoparticles (SiO2 . ) With high monodispersity obtained by hydrolysis of tetraethoxysilane in an alcohol-ammonia medium, for example, patents RU 2162456 and RU 2051864, mainly , for jewelry use. Such materials do not have radiation strength in excess of 50-100 GW / cm 2 . A technical solution is also known from the patent US 7063890 B2, cl. 428/402 from 2006 (prototype), namely, an optical medium obtained using SiO 2 nanoparticles with a diameter of 210-240 nm, manufactured using a colloidal suspension, which provides increased resistance of such a composite to light and mechanical stresses. However, such and other known materials do not have radiation strength in excess of 30-50 GW / cm 2 .

Технической задачей изобретения является получение оптических сред на основе наночастиц SiO2, включая среды с избирательным пропусканием, с высокой лучевой прочностью в области 120-600 ГВт/см2.An object of the invention is to obtain optical media based on SiO 2 nanoparticles, including selective transmission media with high radiation strength in the range of 120-600 GW / cm 2 .

Поставленная задача решается путем гидролиза коллоидной суспензии из тетраэфира ортокремневой кислоты в органическом растворителе-этаноле в присутствии катализатора-аммиака, в котором тетроэфир ортокремневой кислоты предварительно прогревают в интервале температур 350-420 К в течение 150-240 минут при соотношении последнего и аммиака 25%-ной концентрации в интервале от 2:1 до 1,2:1.The problem is solved by hydrolysis of a colloidal suspension of orthosilicic acid tetraester in an ethanol organic solvent in the presence of an ammonia catalyst, in which the orthosilicon tetroester is preheated in the temperature range 350-420 K for 150-240 minutes with a ratio of the latter and ammonia 25% - concentration in the range from 2: 1 to 1.2: 1.

Нанокомпозиты, как и многие другие материалы (тонкие пленки, пористые среды, коллоидные агрегаты типа опаловых матриц - регулярных упаковок наносфер SiO2), при определенных условиях, имеют структуру, которая не описывается кристаллографическими группами. Тем не менее, как правило, подобные материалы обладают другими типами упорядочения, в частности фрактального типа, когда в системе протекают процессы самоорганизации геометрических структур с самоподдержанием формы. Как правило, нанокомпозиты на основе коллоидных агрегатов не обладают трансляционной инвариантностью в кристаллографическом понимании данного термина, за исключением решетчатых упаковок, когда данное определение можно распространить на центры наносфер, образующих упаковку. Фрактальная размерность (d) агрегата в виде наночастицы - фрактала из более мелких частиц или минимальных (по размеру) кластеров определяется соотношением между числом (N) таких частиц в нем и размером (для сфероподобных, в частности, коллоидных частиц - гироскопическим радиусом) агрегата (Rс) в виде формулы: N=(Rc/R0)d, где R0 - константа, определяющая минимальное расстояние меду наночастицами. Введенная фрактальная размерность описывает, например, зависимость объема межсферических пустот от линейных размеров коллоидной частицы. Существенно, что в отличие от периодических систем (d=3), коллоидные среды с фрактальной геометрией имеют d<3 (например, d≈1,78 для агрегатов типа кластер-кластер и d≈2,5 - для агрегатов типа частица-кластер).Nanocomposites, like many other materials (thin films, porous media, colloidal aggregates such as opal matrices - regular packings of SiO 2 nanospheres), under certain conditions, have a structure that is not described by crystallographic groups. Nevertheless, as a rule, such materials possess other types of ordering, in particular of the fractal type, when processes of self-organization of geometric structures with self-maintaining shape occur in the system. As a rule, colloidal aggregate nanocomposites do not have translational invariance in the crystallographic sense of this term, with the exception of lattice packings, when this definition can be extended to the centers of nanospheres that form the pack. The fractal dimension (d) of an aggregate in the form of a nanoparticle - a fractal of smaller particles or minimal (in size) clusters is determined by the ratio between the number (N) of such particles in it and the size (for spherical, in particular colloidal particles - gyroscopic radius) of the aggregate ( R c ) in the form of the formula: N = (R c / R 0 ) d , where R 0 is a constant that determines the minimum distance between honey nanoparticles. The introduced fractal dimension describes, for example, the dependence of the volume of interspherical voids on the linear dimensions of a colloidal particle. It is significant that, unlike periodic systems (d = 3), colloidal media with fractal geometry have d <3 (for example, d≈1.78 for aggregates of the cluster-cluster type and d≈2.5 for aggregates of the type particle-cluster )

Для получения систем из коллоидных агрегатов типа опаловых матриц - регулярных упаковок наносфер SiO2, содержащих межсферические пустоты, используется экспрессный способ получения сферических частиц кремнезема, основанный на реакции гидролиза ТЭОС - тетраэфира ортокремневой кислоты (Si(ОС2Н5)4) в органическом растворителе - этиловом спирте (С2Н5ОН) в присутствии катализатора - аммиака (гидрооксида аммония) (NH4OH). В ходе реакции гидролиза сначала образуются мелкие разветвленные полимерные частицы кремнезема, которые за счет внутренней поликонденсации превращаются в аморфные частицы сферической формы. Получаемая суспензия является неустойчивой системой, склонной к коагуляции, гелеобразованию и выпадению осадков. Основными факторами, влияющими на агрегатную устойчивость органозоля, являются: качество исходных реактивов, в первую очередь ТЭОС; гомогенность реакционной смеси; концентрации и количество вводимых компонентов; постоянство условий реакции (температуры, влажности). Кроме того, от указанных факторов зависит и степень монодисперсности суспензии, а именно, разброс размеров сферических частиц SiO2 регулируется изменением соотношения компонентов тетраэфира ортокремневой кислоты и аммиака (25% концентрации) в интервале от 2:1 до 1,2:1. Одновременно, дополнительным приемом изменения степени монодисперсности коллоидных частиц в суспензии является прогрев ТЭОС в интервале температур 350-420 К в течение 1-2 ч.To obtain systems from colloidal aggregates of the type of opal matrices — regular packings of SiO 2 nanospheres containing interspherical voids, an express method is used to produce spherical silica particles based on the hydrolysis of TEOS - orthosilicic acid tetraester (Si (OS 2 H 5 ) 4 ) in an organic solvent - ethyl alcohol (C 2 H 5 OH) in the presence of a catalyst - ammonia (ammonium hydroxide) (NH 4 OH). In the course of the hydrolysis reaction, small branched polymer particles of silica are first formed, which, due to internal polycondensation, turn into spherical amorphous particles. The resulting suspension is an unstable system, prone to coagulation, gelation and precipitation. The main factors affecting the aggregate stability of an organosol are: the quality of the starting reagents, primarily TEOS; homogeneity of the reaction mixture; concentration and amount of input components; constancy of reaction conditions (temperature, humidity). In addition, the degree of monodispersion of the suspension depends on these factors, namely, the size dispersion of spherical particles of SiO 2 is controlled by changing the ratio of the components of the tetraester of orthosilicic acid and ammonia (25% concentration) in the range from 2: 1 to 1.2: 1. At the same time, an additional method of changing the degree of monodispersity of colloidal particles in suspension is the heating of TEOS in the temperature range 350-420 K for 1-2 hours.

Методы заполнения межсферических пустот материалами с различным показателем преломления основаны на пропитке опаловой матрицы веществом - прекурсором с определенным химическим составом с последующей термообработкой, в процессе которой в межсферических пустотах опаловой матрицы формируется необходимый химическая состав. Вещества - прекурсоры должны обладать хорошей растворимостью в воде (или в других растворителях) и переходить в оксиды (или в другие соединения) при умеренных температурах термообработки.The methods for filling the inter-spherical voids with materials with different refractive indices are based on the impregnation of the opal matrix with a precursor substance with a certain chemical composition, followed by heat treatment, during which the necessary chemical composition is formed in the inter-spherical voids of the opal matrix. Substances - precursors must have good solubility in water (or other solvents) and pass into oxides (or other compounds) at moderate heat treatment temperatures.

Особый интерес представляет возбуждение акустических колебаний в таких материалах с использованием оптических лазеров, когда заметную роль играют эффекты возникновения необычных состояний за счет взаимодействия состояний (зон) фононной и фотонной подсистем. Указанные эффекты возможны только в классе фотоно-фононных материалов с определенной фрактальной размерностью, к которым относятся получаемые среды с установлением в такой среде режима полного внутреннего отражения для акустических колебаний, когда имеет место преобразование энергии мощного оптического воздействия, например лазерными импульсами, в акустические колебания с неразрушающими среду амплитудами.Of particular interest is the excitation of acoustic vibrations in such materials using optical lasers, when the effects of the appearance of unusual states due to the interaction of the states (bands) of the phonon and photon subsystems play a significant role. These effects are possible only in the class of photon-phonon materials with a certain fractal dimension, which include the resulting media with the establishment of a regime of total internal reflection for acoustic vibrations in such a medium, when the energy of high-power optical radiation, for example by laser pulses, is converted into acoustic vibrations with non-destructive medium amplitudes.

Для изучения лучевой прочности (при комнатной температуре) кристаллических материалов (кварца, рубина), кварцевого стекла и опаловых матриц (упорядоченных, а именно регулярных упаковок наносфер SiO2), в качестве источника возбуждающего излучения использовался твердотельный лазер на рубине с длиной волны генерации 694,3 нм, шириной линии генерации 0,015 см-1, длительностью импульса 20 нс и максимальной энергией 0,4-0,5 Дж, позволяющий получить без фокусировки до 2 ГВт/см2, а при использовании фокусировки - до 1000 ГВт/см2 (при площади пятна пучка 0,2 мм2). Аналогичные результаты получены при использовании в качестве источника возбуждения излучения импульсного Nd-YAG лазера (длины волн для первой и второй гармоники - 1,06 мкм и 0,53 мкм соответственно) с длительностью импульса 20 нс. Пороговое значение энергии лазерного импульса при использовании длины волны 1,06 мкм примерно в два раза выше, чем для излучения лазера на рубине или для второй гармоники Nd-YAG лазера.To study the radiation strength (at room temperature) of crystalline materials (quartz, ruby), quartz glass, and opal matrices (ordered, namely, regular packings of SiO 2 nanospheres), a ruby solid-state laser with a generation wavelength of 694 was used as a source of exciting radiation 3 nm, a generation line width of 0.015 cm -1 , a pulse duration of 20 ns and a maximum energy of 0.4-0.5 J, which makes it possible to obtain up to 2 GW / cm 2 without focusing, and when using focusing, up to 1000 GW / cm 2 ( with a beam spot area of 0.2 mm 2 ) Similar results were obtained when using a pulsed Nd-YAG laser as a source of excitation (wavelengths for the first and second harmonics are 1.06 μm and 0.53 μm, respectively) with a pulse duration of 20 ns. The threshold value of the laser pulse energy when using a wavelength of 1.06 μm is approximately two times higher than for radiation from a ruby laser or for the second harmonic of an Nd-YAG laser.

Полученные экспериментальные данные следующие. При использовании кристаллических материалов или кварцевого стекла разрушение образцов, в том числе в виде прожигания отверстий или внутреннего пробоя, имело место при мощностях 15-40 ГВт/см2 (здесь и далее в зависимости от качества материала), а с применением фокусировки на поверхности - при 5-20 ГВт/см2 (при использовании одного импульса). В случае оптических сред, полученных по предлагаемому способу (при аналогичных размерах и условиях воздействия лазерного излучения), необходимые параметры воздействия для разрушения составляют свыше 250-600 ГВт/см2 (в зависимости от качества и фрактальной характеристики образца) при воздействии одним импульсом. Наибольшая лучевая прочность достигалась в опаловых матрицах с параметром фрактальной размерности равным 2,85, хотя эффект наблюдался в области значений указанного параметра от 2,5-2,95.The experimental data obtained are as follows. When using crystalline materials or quartz glass, the destruction of samples, including in the form of burning holes or internal breakdown, took place at a power of 15-40 GW / cm 2 (hereinafter, depending on the quality of the material), and using focusing on the surface - at 5-20 GW / cm 2 (when using a single pulse). In the case of optical media obtained by the proposed method (with similar sizes and conditions of exposure to laser radiation), the necessary exposure parameters for destruction are more than 250-600 GW / cm 2 (depending on the quality and fractal characteristics of the sample) when exposed to a single pulse. The highest radiation strength was achieved in opal matrices with a fractal dimension parameter of 2.85, although the effect was observed in the range of this parameter from 2.5-2.95.

Разброс диаметров наносфер, позволяющий определить по стандартной методике фрактальную размерность, контролировался по данным (фиг.1) просвечивающей электронной микроскопии, (микроскоп JEM-200). Расчеты по имеющимся экспериментальным данным показывают, что увеличение разброса (не монодисперсности) в диаметрах наносфер SiO2 на 1,5% в изученных образцах приводит к уменьшению параметра фрактальности от 3 на величину 0,1.The scatter of nanosphere diameters, which makes it possible to determine the fractal dimension by the standard technique, was monitored according to the data (Fig. 1) of transmission electron microscopy (JEM-200 microscope). Calculations based on available experimental data show that an increase in the dispersion (not monodispersity) in the diameters of SiO 2 nanospheres by 1.5% in the studied samples leads to a decrease in the fractality parameter from 3 by 0.1.

Ниже приведены примеры реализации предлагаемого технического решения.Below are examples of the implementation of the proposed technical solution.

Пример 1.Example 1

Для получения оптической среды из коллоидной суспензии типа регулярных упаковок наносфер SiO2, содержащих межсферические пустоты, используется экспрессный способ получения сферических наночастиц кремнезема, основанный на реакции гидролиза ТЭОС - тетраэфира ортокремневой кислоты (Si(OC2H5)4) в органическом растворителе - этаноле (C2H5OH) в присутствии катализатора - гидрооксида аммония (NH4OH). Для этого смешивают 500 мл спирта C2H5OH с 10 мл 25% водного раствора аммиака (NH4OH) и 16 мл ТЭОС, предварительно прогретого при температуре 380 К в течение 180 минут. Получается суспензия с размерами наносфер в диапазоне 240-250 нм, что соответствует параметру фрактальности, равному 2,85, которая помещается в сосуд из кварцевого стекла с плоским дном на срок 2 месяца (можно от 2 до 3 месяцев в зависимости от заданной толщины осаждаемого материала). Полученный образец подвергался сушке и термообработке при стандартных параметрах (продолжительность и температура термических обработок на разброс в размерах наносфер в полученном осадке не влияют) в сушильном шкафу (150°С в течение суток) и в муфельной печи (700°С в течение 10 часов). Испытания полученного образца оптической среды воздействием лазерного излучения показали, что он обладает лучевой прочностью 550 ГВт/см2.To obtain an optical medium from a colloidal suspension of the type of regular packings of SiO 2 nanospheres containing interspherical voids, an express method is used to obtain spherical silica nanoparticles based on the hydrolysis of TEOS - orthosilicic acid tetraester (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) in an organic solvent - ethanol (C 2 H 5 OH) in the presence of a catalyst - ammonium hydroxide (NH 4 OH). To do this, mix 500 ml of alcohol C 2 H 5 OH with 10 ml of a 25% aqueous solution of ammonia (NH 4 OH) and 16 ml of TEOS, preheated at a temperature of 380 K for 180 minutes. A suspension is obtained with nanosphere sizes in the range of 240-250 nm, which corresponds to a fractality parameter of 2.85, which is placed in a quartz glass vessel with a flat bottom for a period of 2 months (from 2 to 3 months depending on the specified thickness of the deposited material ) The obtained sample was subjected to drying and heat treatment at standard parameters (the duration and temperature of heat treatments do not affect the dispersion in the sizes of nanospheres in the obtained precipitate) in an oven (150 ° С for a day) and in a muffle furnace (700 ° С for 10 hours) . Tests of the obtained sample of the optical medium by laser radiation showed that it has a radiation strength of 550 GW / cm 2 .

Пример 2Example 2

Для получения оптической среды из коллоидной суспензии регулярных упаковок наносфер SiO2 используется экспрессный способ получения сферических частиц кремнезема, основанный на реакции гидролиза ТЭОС - тетраэфира ортокремневой кислоты (Si(OC2H5)4) в органическом растворителе - этаноле (С2Н5ОН) в присутствии катализатора - гидрооксида аммония (NH4OH). Для этого смешивают 500 мл спирта C2H5OH с 10 мл 25% водного раствора аммиака (NH4OH) и 20 мл ТЭОС, предварительно прогретого при температуре 350 К в течение 240 минут. Получается суспензия с размерами наносфер в диапазоне 280-300 нм, что соответствует параметру фрактальности, равному 2,6, которая помещается в сосуд из кварцевого стекла с плоским дном на срок 2 месяца (можно от 2 до 3 месяцев в зависимости от заданной толщины осаждаемого материала). Полученный образец подвергался сушке и термообработке при стандартных параметрах в сушильном шкафу (150°С в течение суток) и в муфельной печи (700°С в течение 10 часов). Испытания полученного образца оптической среды воздействием лазерного излучения показали, что он обладает лучевой прочностью 350 ГВт/см2.To obtain an optical medium from a colloidal suspension of regular packages of SiO 2 nanospheres, an express method for producing spherical silica particles is used, based on the hydrolysis of TEOS - orthosilicic acid tetraester (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) in an organic solvent - ethanol (C 2 H 5 OH ) in the presence of a catalyst - ammonium hydroxide (NH 4 OH). To do this, mix 500 ml of alcohol C 2 H 5 OH with 10 ml of a 25% aqueous solution of ammonia (NH 4 OH) and 20 ml of TEOS, preheated at a temperature of 350 K for 240 minutes. A suspension is obtained with nanosphere sizes in the range of 280-300 nm, which corresponds to a fractality parameter of 2.6, which is placed in a quartz glass vessel with a flat bottom for a period of 2 months (from 2 to 3 months depending on the specified thickness of the deposited material ) The obtained sample was dried and heat treated at standard parameters in an oven (150 ° С for a day) and in a muffle furnace (700 ° С for 10 hours). Tests of the obtained sample of the optical medium by laser radiation showed that it has a radiation strength of 350 GW / cm 2 .

Пример 3Example 3

Для получения оптической среды из коллоидной суспензии регулярных упаковок наносфер SiO2 используется экспрессный способ получения сферических частиц кремнезема, основанный на реакции гидролиза ТЭОС - тетраэфира ортокремневой кислоты (Si(OC2H5)4) в органическом растворителе - этаноле (С2Н5ОН) в присутствии катализатора - гидрооксида аммония (NH4OH). Для этого смешивают 500 мл спирта C2H5OH с 10 мл 25% водного раствора аммиака (NH4OH) и 12 мл ТЭОС, предварительно прогретого при температуре 420 К в течение 150 минут. Получается суспензия с размерами наносфер в диапазоне 220-225 нм, что соответствует параметру фрактальности, равному 2,85, которая помещается в сосуд из кварцевого стекла с плоским дном на срок 2 месяца (можно от 2 до 3 месяцев в зависимости от заданной толщины осаждаемого материала). Полученный образец подвергался сушке и термообработке при стандартных параметрах в сушильном шкафу (150°С в течение суток) и в муфельной печи (700°С в течение 10 часов).To obtain an optical medium from a colloidal suspension of regular packages of SiO 2 nanospheres, an express method for producing spherical silica particles is used, based on the hydrolysis of TEOS - orthosilicic acid tetraester (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) in an organic solvent - ethanol (C 2 H 5 OH ) in the presence of a catalyst - ammonium hydroxide (NH 4 OH). To do this, mix 500 ml of alcohol C 2 H 5 OH with 10 ml of a 25% aqueous solution of ammonia (NH 4 OH) and 12 ml of TEOS, preheated at a temperature of 420 K for 150 minutes. A suspension is obtained with nanosphere sizes in the range 220-225 nm, which corresponds to a fractality parameter of 2.85, which is placed in a quartz glass vessel with a flat bottom for a period of 2 months (from 2 to 3 months depending on the specified thickness of the deposited material ) The obtained sample was dried and heat treated at standard parameters in an oven (150 ° С for a day) and in a muffle furnace (700 ° С for 10 hours).

Испытания полученного образца оптической среды воздействием лазерного излучения показали, что он обладает лучевой прочностью 450 ГВт/см2.Tests of the obtained sample of the optical medium by laser radiation showed that it has a radiation strength of 450 GW / cm 2 .

Учитывая окна прозрачности (субмикронная и микронная области) для материалов на основе SiO2 (опаловая матрица представляет собой регулярную, как правило, упаковку наносфер SiO2 - с диаметрами из диапазона 200-400 нм) и возможности управлением положения окон прозрачности для такого фотонного кристалла, представляется возможным применение подобных материалов также в качестве защитных фильтров в заданной области спектра от мощных лазерных воздействий. Преимуществом таких фильтров на основе опаловых матриц являются возможность перестройки их в широком диапазоне частот, высокая лучевая прочность и наличие более узкой спектральной полосы отражения, что достигается введением в ее межсферические пустоты оптически активных веществ с определенным показателем преломления, от которого зависит положение необходимого максимума отражения, фильтра, создаваемого на основе регулярных упаковок из наносфер SiO2 по известной формуле Брэгга (для нормального падения:)Considering the transparency windows (submicron and micron regions) for materials based on SiO 2 (the opal matrix is a regular packing of SiO 2 nanospheres, with diameters from the range of 200-400 nm, as a rule) and the possibility of controlling the position of the transparency windows for such a photonic crystal, it seems possible to use such materials also as protective filters in a given region of the spectrum from powerful laser influences. The advantage of such filters based on opal matrices is the possibility of tuning them over a wide frequency range, high radiation strength and the presence of a narrower spectral reflection band, which is achieved by introducing optically active substances with a certain refractive index into its inter-spherical voids, which determines the position of the required reflection maximum, filter created on the basis of regular packages of SiO 2 nanospheres according to the well-known Bragg formula (for normal incidence :)

λmax=2anef;

Figure 00000001
max = 2 a n ef ;
Figure 00000001
.

где

Figure 00000002
- период в направлении измерения для регулярной упаковки; d - диаметр наносфер; nef - эффективный показатель преломления опаловой матрицы (регулярной упаковки); n1 - показатель преломления оптически активного вещества, заполняющего межсферические пустоты опаловой матрицы; n2=1,33 - показатель преломления аморфного кремнезема; η=0,26 - коэффициент заполнения опаловой матрицы оптически активным веществом.Where
Figure 00000002
- period in the direction of measurement for regular packaging; d is the diameter of the nanospheres; n ef is the effective refractive index of the opal matrix (regular packing); n 1 is the refractive index of an optically active substance filling the interspherical voids of the opal matrix; n 2 = 1.33 - refractive index of amorphous silica; η = 0.26 is the fill factor of the opal matrix with an optically active substance.

Были проведены испытания фильтра, создаваемого на основе регулярных упаковок из наносфер SiO2 при диаметре наносфер d=245 нм, с использованием пропитки в течение 5 часов для введения в межсферические пустоты оптически активного вещества с показателем преломления n1=1.455 (показатель преломления глицерина при 90% концентрации). Положение максимум отражения такого фильтра составляет 620 нм.The filter was tested based on regular packages of SiO 2 nanospheres with a nanosphere diameter d = 245 nm, using an impregnation for 5 hours to introduce an optically active substance with an index of refraction of n 1 = 1.455 into the inter-spherical voids (refractive index of glycerol at 90 % concentration). The position of the maximum reflection of such a filter is 620 nm.

Испытания воздействием лазерного излучения показали, что фильтр обладает лучевой прочностью 480 ГВт/см2.Testing by laser radiation showed that the filter has a radiation strength of 480 GW / cm 2 .

Зависимость положения области максимального отражения предложенной оптической среды от показателя преломления оптически активного вещества, которым заполняют ее межсферические пустоты, для диаметра наносфер d=245 нм приведена на фиг.2.The dependence of the position of the region of maximum reflection of the proposed optical medium on the refractive index of the optically active substance with which its inter-spherical voids are filled is shown in Fig. 2 for the nanosphere diameter d = 245 nm.

Высокая эффективность преобразования мощных лазерных импульсов одного вида энергии (оптического излучения) в длительную диссипацию с возникновением других видов колебаний в некристаллических дисперсных структурах с определенными свойствами, создает возможность для изготовления и применения оптических сред на основе наночастиц SiO2 как оптических сред и фильтров на их основе с очень высокой (по сравнению с недисперсными и нефрактальными материалами) лучевой прочностью.The high efficiency of converting high-power laser pulses of one type of energy (optical radiation) into long-term dissipation with the appearance of other types of oscillations in non-crystalline dispersed structures with certain properties makes it possible to fabricate and use optical media based on SiO 2 nanoparticles as optical media and filters based on them with very high (compared with non-dispersed and non-fractal materials) radiation resistance.

Claims (1)

Способ получения оптической среды на основе наночастиц SiO2, отличающийся тем, что процесс осуществляют путем гидролиза коллоидной суспензии из тетраэфира ортокремневой кислоты в органическом растворителе - этаноле в присутствии катализатора - аммиака, в котором тетраэфир ортокремневой кислоты предварительно прогревают в интервале температур 350-420 К в течение 150-240 мин при соотношении последнего и аммиака 25%-й концентрации в интервале от 2:1 до 1,2:1. A method of obtaining an optical medium based on SiO 2 nanoparticles, characterized in that the process is carried out by hydrolysis of a colloidal suspension of orthosilicic acid tetraester in an organic solvent - ethanol in the presence of an ammonia catalyst, in which the orthosilicon tetraester is preheated in the temperature range 350-420 K in during 150-240 min with a ratio of the latter and ammonia of 25% concentration in the range from 2: 1 to 1.2: 1.
RU2009125444/05A 2009-07-03 2009-07-03 METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES RU2416681C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125444/05A RU2416681C2 (en) 2009-07-03 2009-07-03 METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125444/05A RU2416681C2 (en) 2009-07-03 2009-07-03 METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009125444A RU2009125444A (en) 2011-01-10
RU2416681C2 true RU2416681C2 (en) 2011-04-20

Family

ID=44051503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009125444/05A RU2416681C2 (en) 2009-07-03 2009-07-03 METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2416681C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773514C2 (en) * 2020-08-20 2022-06-06 Акционерное общество "ЭКОС-1" Method for production of granules of especially pure silicon dioxide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773514C2 (en) * 2020-08-20 2022-06-06 Акционерное общество "ЭКОС-1" Method for production of granules of especially pure silicon dioxide

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009125444A (en) 2011-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Solution‐Phase Synthesis of Cesium Lead Halide Perovskite Microrods for High‐Quality Microlasers and Photodetectors
JP4703112B2 (en) Nanocrystal structure
Ganeev et al. Investigation of nonlinear refraction and nonlinear absorption of semiconductor nanoparticle solutions prepared by laser ablation
Chiappini et al. Sol–gel-derived photonic structures: fabrication, assessment, and application
Leahu et al. Evidence of Optical Circular Dichroism in GaAs‐Based Nanowires Partially Covered with Gold
Liu et al. Lead chalcogenide quantum dot‐doped glasses for photonic devices
Kim et al. Very high third-order nonlinear optical activities of intrazeolite PbS quantum dots
Chen et al. Two-photon absorption in halide perovskites and their applications
Shehap et al. Optical and structural changes of TiO2/PVA nanocomposite induced laser Radiation
Bornacelli et al. Superlinear photoluminescence by ultrafast laser pulses in dielectric matrices with metal nanoclusters
Feng et al. Facile preparation of transparent and dense CdS–silica gel glass nanocomposites for optical limiting applications
Fu et al. Tunable plasmon modes in single silver nanowire optical antennas characterized by far-field microscope polarization spectroscopy
Lipat’ev et al. Formation of luminescent and birefringent microregions in phosphate glass containing silver
RU2416681C2 (en) METHOD OF PRODUCING OPTICAL MEDIUM BASED ON SiO2 NANOPARTICLES
Cheng et al. Large optical modulation of dielectric Huygens’ metasurface absorber
Sun et al. Strong optical limiting properties of Ormosil gel glasses doped with silver nano-particles
Li et al. Low Thresholds and Tunable Modes in Plasmon‐Assisted Perovskite Microlasers
Yang et al. Enhanced yellow–green photoluminescence from ZnO–SiO2 composite opal
Li et al. Hyperbolic metamaterials fabricated using 3D assembled nanorod arrays and enhanced photocatalytic performance
Butler et al. Hyperspectral nonlinear optical light generation from a monolithic GaN microcavity
Fan et al. Novel visible emission and mechanism investigation from PbS nanoclusters‐doped borosilicate glasses
Morales-Saavedra et al. Fabrication and photophysical studies of CdTe quantum-dots dispersed in SiO 2 sonogel optical-glasses
Yang et al. Defective molybdenum oxide function as saturable absorber for nanosecond pulse generater servicing Nd 3+, Er 3+, Tm 3+ doped laser emission at 1.06, 1.64 and 1.94 μm
Khan et al. Composite rods based on nanoscale porous silicon in sol–gel silica and ormosil matrices for light-emitting applications
Mandal et al. Dual-wavelength amplified spontaneous emission from interface-engineered polymer films using atomically thin red coral