RU2477711C1 - Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms - Google Patents
Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2477711C1 RU2477711C1 RU2011134172/03A RU2011134172A RU2477711C1 RU 2477711 C1 RU2477711 C1 RU 2477711C1 RU 2011134172/03 A RU2011134172/03 A RU 2011134172/03A RU 2011134172 A RU2011134172 A RU 2011134172A RU 2477711 C1 RU2477711 C1 RU 2477711C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- tetrahedral coordination
- titanium atoms
- quartz glass
- doped quartz
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
- Surface Treatment Of Glass (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к легированным кварцевым стеклам с тетраэдрической координацией атомов титана и может быть использовано при создании компонентов микро- (нано-) и оптоэлектронных устройств.The invention relates to doped quartz glasses with tetrahedral coordination of titanium atoms and can be used to create components of micro- (nano-) and optoelectronic devices.
Известно [Р.Я.Ходаковская. Химия титансодержащих стекол и ситаллов. Химия, 1978, стр.5], что наличие ионов титана в аморфной структуре кварцевого стекла (SiO2) оказывает значительное влияние на его физические свойства, например модуль упругости, коэффициент теплового расширения, фото- и катодолюминесценция, оптическое поглощение, пропускание и преломление, электросопротивление. Поэтому легированные титаном кварцевые стекла (полученные путем химического синтеза) применяются в оптике, химической отрасли, высокотемпературной технике, радиоэлектронике. В микро- и оптоэлектронике используется кварцевое стекло с предъявлением к нему высоких требований по стабильности характеристик. Известно также [Р.Я.Ходаковская. Химия титансодержащих стекол и ситаллов. стр.14], что в подавляющем большинстве кристаллических кислородных соединений титан имеет октаэдрическую координацию. Тетраэдрическая координация примесных ионов титана Ti4+ обнаружена, например, в кислородном соединении титана с барием Ba2TiO4 [Bland Е. Acta Cristallograph., 1961, v.14, p.875-881].It is known [R.Ya. Khodakovskaya. Chemistry of titanium-containing glasses and glass. Chemistry, 1978, p.5] that the presence of titanium ions in the amorphous structure of silica glass (SiO 2 ) has a significant effect on its physical properties, for example, the elastic modulus, thermal expansion coefficient, photo and cathodoluminescence, optical absorption, transmission and refraction, electrical resistance. Therefore, titanium-doped quartz glasses (obtained by chemical synthesis) are used in optics, the chemical industry, high-temperature technology, and electronics. In micro- and optoelectronics, quartz glass is used with high requirements for stability characteristics. It is also known [R.Ya. Khodakovskaya. Chemistry of titanium-containing glasses and glass. p. 14], that in the vast majority of crystalline oxygen compounds, titanium has an octahedral coordination. The tetrahedral coordination of titanium impurity ions Ti 4+ was found, for example, in the oxygen compound of titanium with barium Ba 2 TiO 4 [Bland E. Acta Cristallograph., 1961, v.14, p.875-881].
Известен кремнийсодержащий материал в виде минерала фресноита с тетраэдрической координацией атомов титана [А.М.Coats, N.Hirose, J. Maar, A.R.West. Tetrahedral Ti4+ in the Solid Solution Ba2Ti1+xSi2-xO8 (0≤x≤0.14) J. Solid-State Chem. 126, 105 (1996)], полученный путем механической и термической обработки взятых в стехиометрических количествах предварительно высушенных реактивов BaCO3, TiO2 и SiO2. В полученном материале общей формулы Ba2Ti1+xSi2-xO8 (0≤x≤0.14) с тетраэдрической координацией атомов титана четырехвалентные атомы титана (ионы Ti4+) частично замещают атомы кремния в структуре кристаллов, образуя титанокислородные тетраэдры.Known silicon-containing material in the form of a fresnoite mineral with tetrahedral coordination of titanium atoms [A.M. Coats, N. Hirose, J. Maar, ARWest. Tetrahedral Ti 4+ in the Solid Solution Ba 2 Ti 1 + x Si 2-x O 8 (0≤x≤0.14) J. Solid-State Chem. 126, 105 (1996)], obtained by mechanical and heat treatment of pre-dried BaCO 3 , TiO 2 and SiO 2 reagents taken in stoichiometric amounts. In the obtained material of the general formula Ba 2 Ti 1 + x Si 2-x O 8 (0≤x≤0.14) with tetrahedral coordination of titanium atoms, tetravalent titanium atoms (Ti 4+ ions) partially replace silicon atoms in the crystal structure, forming titanium-oxygen tetrahedra.
Недостатком материала является усложненный химический состав и низкое процентное содержание примесных атомов титана (ионов Ti4+) с тетраэдрической координацией, что не обеспечивает требуемых свойств при создании на основе этого материала функциональных устройств микроэлектроники, оптоэлектроники, нанофотоники, ограничивается область использования материала.The disadvantage of the material is the complicated chemical composition and low percentage of titanium impurity atoms (Ti 4+ ions) with tetrahedral coordination, which does not provide the required properties when creating functional devices of microelectronics, optoelectronics, nanophotonics on the basis of this material, the field of use of the material is limited.
Наиболее близким к предложенному является легированное кварцевое стекло с тетраэдрической координацией атомов титана, представляющее собой основу, состоящую из диоксида кремния, с поверхностным слоем, включающим диоксид титана и диоксид кремния [V.Belostotsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1-2, 1 July 1996, Pages 194-197]. Это стекло получено имплантацией ионов титана Ti+ с энергией 50 кэВ в непрерывном режиме облучения, с дозой облучения 2×1017 см-2, при температуре кварцевого стекла 670 K в процессе имплантации с последующим отжигом при температуре 1070÷1100 K.Closest to the proposed is doped silica glass with tetrahedral coordination of titanium atoms, which is a base consisting of silicon dioxide, with a surface layer comprising titanium dioxide and silicon dioxide [V. Belostotsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1- 2, 1 July 1996, Pages 194-197]. This glass was obtained by implanting titanium ions Ti + with an energy of 50 keV in a continuous mode of irradiation, with an irradiation dose of 2 × 10 17 cm -2 , at a temperature of silica glass of 670 K during implantation, followed by annealing at a temperature of 1070 ÷ 1100 K.
Наряду с атомами титана в тетраэдрической координации стекло по прототипу включает ионы титана Ti2+ и Ti3+, не находящиеся в тетраэдрической координации. В этом случае ухудшается оптическая прозрачность (светопропускание) в области видимого спектра и ближнего ультрафиолетового диапазона. Ограничивается область практического использования стекла.Along with titanium atoms in tetrahedral coordination, the prototype glass includes titanium ions Ti 2+ and Ti 3+ that are not in tetrahedral coordination. In this case, optical transparency (light transmission) is deteriorated in the visible spectrum and near ultraviolet range. The area of practical use of glass is limited.
Задачей изобретения является улучшение оптической прозрачности легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана, расширение области его использования. Для решения поставленной задачи предлагается легированное кварцевое стекло с тетраэдрической координацией атомов титана, представляющее собой основу, состоящую из диоксида кремния, с поверхностным слоем, включающим диоксид титана и диоксид кремния, отличающееся тем, что толщина поверхностного слоя составляет 35-45 нм, поверхностный слой содержит 7-12 мол. % диоксида титана и 93-88 мол.% диоксида кремния, при этом в тетраэдрической координации находится 97÷99% атомов титана.The objective of the invention is to improve the optical transparency of doped silica glass with tetrahedral coordination of titanium atoms, expanding the scope of its use. To solve this problem, doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms is proposed, which is a base consisting of silicon dioxide with a surface layer comprising titanium dioxide and silicon dioxide, characterized in that the thickness of the surface layer is 35-45 nm, the surface layer contains 7-12 mol. % titanium dioxide and 93-88 mol.% silicon dioxide, while in the tetrahedral coordination is 97 ÷ 99% of titanium atoms.
Новым техническим результатом предложенного легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана является улучшение оптической прозрачности и расширение области использования. Результат обеспечивается тем, что толщина поверхностного слоя стекла составляет 35-45 нм, поверхностный слой содержит 7-12 мол. % диоксида титана TiO2 и 93-88 мол.% диоксида кремния SiO2, при этом в тетраэдрической координации находится 97÷99% атомов титана (Ti4+). Предложенному легированному кварцевому стеклу, обладающему существенными преимуществами в сравнении с известными аналогичными материалами, авторами присвоено наименование «Тисил».A new technical result of the proposed alloyed quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms is to improve optical transparency and expand the scope of use. The result is ensured by the fact that the thickness of the surface layer of the glass is 35-45 nm, the surface layer contains 7-12 mol. % titanium dioxide TiO 2 and 93-88 mol.% silicon dioxide SiO 2 , while in the tetrahedral coordination is 97 ÷ 99% of titanium atoms (Ti 4+ ). The proposed doped quartz glass, which has significant advantages in comparison with known similar materials, the authors assigned the name "Tisil".
На чертеже изображены рентгеновские абсорбционные спектры предложенного легированного кварцевого стекла. По вертикальной оси отложено нормированное поглощение в условных единицах (усл.ед.), по горизонтальной оси - энергия рентгеновских фотонов (эВ). Указанные спектры приведены для двух образцов кварцевого стекла SiO2, имплантированных ионами титана с дозами 5×1016 и 1×1015 см-2. Кроме того, в качестве базы сравнения приведен соответствующий спектр синтетического фресноита Ba2TiSi2O8, содержащего атомы титана с тетраэдрической координацией [T.Höche, H.-I.Kleebe, R.Brydson. Phylosoph. Magazine, A 81, 825 (2001)]. Буквами А, Б, В, Г, Д и вертикальными пунктирными линиями обозначены спектральные полосы, в пределах которых сравнение характера кривых свидетельствует о наличии или отсутствии атомов титана с тетраэдрической координацией в полученных образцах легированного кварцевого стекла. Совпадение во всех указанных полосах форм кривых для фресноита и для образца кварцевого стекла, имплантированного ионами титана с дозой 5×1016 см-2, позволяет сделать вывод о наличии в этом образце атомов титана с тетраэдрической координацией. Несовпадение в полосах Б и Г форм кривых для фресноита и для образца кварцевого стекла, имплантированного ионами титана с дозой 1×1015 см-2, свидетельствует об отсутствии в этом образце атомов титана с тетраэдрической координацией.The drawing shows x-ray absorption spectra of the proposed doped quartz glass. The vertical axis represents the normalized absorption in arbitrary units (conventional units), and the horizontal axis represents the energy of x-ray photons (eV). The indicated spectra are shown for two samples of silica glass SiO 2 implanted with titanium ions with doses of 5 × 10 16 and 1 × 10 15 cm -2 . In addition, the corresponding spectrum of synthetic fresnoite Ba 2 TiSi 2 O 8 containing titanium atoms with tetrahedral coordination [T. Höche, H.-I. Kleebe, R. Brydson. Phylosoph. Magazine, A 81, 825 (2001)]. The letters A, B, C, D, D and vertical dashed lines indicate the spectral bands, within which a comparison of the nature of the curves indicates the presence or absence of titanium atoms with tetrahedral coordination in the obtained samples of doped silica glass. The coincidence in all the indicated bands of the curve shapes for fresnoite and for a quartz glass sample implanted with titanium ions with a dose of 5 × 10 16 cm -2 allows us to conclude that there are titanium atoms with tetrahedral coordination in this sample. The mismatch in bands B and D of the shapes of the curves for fresnoite and for a quartz glass sample implanted with titanium ions with a dose of 1 × 10 15 cm -2 indicates the absence of titanium atoms with tetrahedral coordination in this sample.
В таблице приведены режимы облучения ионами титана и параметры образцов (1, 2, 3) предложенного легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана Ti4+, полученного путем имплантации ионов титана в импульсном режиме.The table shows the irradiation modes of titanium ions and the parameters of samples (1, 2, 3) of the proposed doped quartz glass with tetrahedral coordination of Ti 4+ titanium atoms obtained by implantation of titanium ions in a pulsed mode.
Имплантация ионов титана Ti+ в кварцевое стекло SiO2 осуществлялась с помощью ионного источника, работающего в импульсном режиме (длительность импульсов 400 мкс, частота повторения 25 Гц), при вышеуказанных значениях дозы облучения, импульсной плотности тока и энергии ионов. Температура кварцевого стекла поддерживалась постоянной в диапазоне 250÷300°C.The implantation of titanium ions Ti + into silica glass SiO 2 was carried out using an ion source operating in a pulsed mode (pulse duration 400 μs, repetition frequency 25 Hz), at the above values of the radiation dose, pulsed current density and ion energy. The temperature of quartz glass was kept constant in the range of 250–300 ° C.
Полученные образцы легированного кварцевого стекла представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см2, толщиной 3 мм с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца указанной в таблице толщины содержит диоксид титана и диоксид кремния, нижележащая основа образца состоит из диоксида кремния. Характеристический размер структурной единицы импульсно-имплантированного ионами титана кварцевого стекла, а именно титанокислородного тетраэдра, составляет 10÷12 Å (примерно 1 нм). Рентгеновский абсорбционный спектр предложенного кварцевого стекла, приведенный на чертеже (доза облучения 5×1016 см-2), полностью соответствует приведенному на этом же чертеже абсорбционному спектру фресноита, также включающего атомы титана с тетраэдрической координацией.The obtained samples of doped quartz glass are plane-parallel plates with an area of 1 cm 2 , a thickness of 3 mm with a surface of optical quality. The surface layer of each sample indicated in the table thickness contains titanium dioxide and silicon dioxide, the underlying sample base consists of silicon dioxide. The characteristic size of the structural unit of silica glass impulse implanted with titanium ions, namely, a titanium-oxygen tetrahedron, is 10–12 Å (approximately 1 nm). The x-ray absorption spectrum of the proposed quartz glass shown in the drawing (radiation dose of 5 × 10 16 cm -2 ) fully corresponds to the absorption spectrum of fresnoite shown in the same drawing, which also includes titanium atoms with tetrahedral coordination.
Легированное кварцевое стекло с тетраэдрической координацией атомов титана по прототипу [V.Belostotsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1-2, 1 July 1996, Pages 194-197] содержит оптические полосы поглощения 1,77 эВ, 2,8 эВ и 3,95 эВ, обусловленные наличием в этом стекле ионов титана Ti2+ и Ti3+, находящихся не в тетраэдрической координации, что ухудшает оптическую прозрачность стекла. Полученные образцы легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана не содержат упомянутых ионов титана, вследствие чего предложенное стекло имеет улучшенную оптическую прозрачность. Это обеспечивает возможность использования предложенного стекла для изготовления планарных волноводов для интервала длин волн 300÷800 нм.Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms according to the prototype [V. Belototsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1-2, 1 July 1996, Pages 194-197] contains optical absorption bands of 1.77 eV, 2.8 eV and 3.95 eV, due to the presence of titanium ions Ti 2+ and Ti 3+ in this glass, which are not in tetrahedral coordination, which impairs the optical transparency of the glass. The obtained samples of doped silica glass with tetrahedral coordination of titanium atoms do not contain the mentioned titanium ions, as a result of which the proposed glass has improved optical transparency. This makes it possible to use the proposed glass for the manufacture of planar waveguides for the wavelength interval 300 ÷ 800 nm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134172/03A RU2477711C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134172/03A RU2477711C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011134172A RU2011134172A (en) | 2013-02-20 |
RU2477711C1 true RU2477711C1 (en) | 2013-03-20 |
Family
ID=49119837
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011134172/03A RU2477711C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2477711C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2102347C1 (en) * | 1991-12-26 | 1998-01-20 | ЕЛФ Атокем Норт Америка, Инк. | Method for chemical vapor-phase deposition of thin films onto glass substrate |
RU2370464C2 (en) * | 2004-06-24 | 2009-10-20 | Бенек Ой | Method of alloying and alloyed material |
US20090288448A1 (en) * | 2005-12-08 | 2009-11-26 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Titania-doped quartz glass and making method, euv lithographic member and photomask substrate |
-
2011
- 2011-08-12 RU RU2011134172/03A patent/RU2477711C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2102347C1 (en) * | 1991-12-26 | 1998-01-20 | ЕЛФ Атокем Норт Америка, Инк. | Method for chemical vapor-phase deposition of thin films onto glass substrate |
RU2370464C2 (en) * | 2004-06-24 | 2009-10-20 | Бенек Ой | Method of alloying and alloyed material |
US20090288448A1 (en) * | 2005-12-08 | 2009-11-26 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Titania-doped quartz glass and making method, euv lithographic member and photomask substrate |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
A.M.Coats, N.Hirose, J. Maar, A.R.West. Tetrahedral Ti4+in the Solid Solution Ba2Til+xSi2-xO8 (0<=x<=0,14), J. Solid-State Chem., 1996, 126, p.105. * |
V.Belostotsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1-2, 1 July 1996, Pages 194-197. * |
V.Belostotsky, Journal of Non-Crystalline Solids Volume 202, Issues 1-2, 1 July 1996, Pages 194-197. A.M.Coats, N.Hirose, J. Maar, A.R.West. Tetrahedral Ti4+in the Solid Solution Ba2Til+xSi2-xO8 (0≤x≤0,14), J. Solid-State Chem., 1996, 126, p.105. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011134172A (en) | 2013-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Skuja et al. | Defects in oxide glasses | |
Xu et al. | Efficient near-infrared down-conversion in Pr3+–Yb3+ codoped glasses and glass ceramics containing LaF3 nanocrystals | |
CN101998937A (en) | Method for thin layer deposition | |
JP2019517987A (en) | Transparent near infrared shielding glass ceramic | |
Arya et al. | Structural and optical properties of 30Li2O–55B2O3–5ZnO–xTiO2–(10− x) V2O5,(0≤ x≤ 10) glasses | |
RU2477711C1 (en) | Doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms | |
Guérineau et al. | The influence of potassium substitution for barium on the structure and property of silver-doped germano-gallate glasses | |
Cruz et al. | Rare-earth doped transparent oxyfluoride glass-ceramics: processing is the key | |
Kashif et al. | White light emission in Dy3+ doped SiO2B2O3Bi2O3TeO2 glass system | |
CN105884191A (en) | Bi-doped germanate optical glass and preparation method thereof | |
Elleuch et al. | Highly efficient NIR to visible upconversion in a ZnO: Er, Yb thin film deposited by a AACVD atmospheric pressure process | |
JP2008189947A (en) | Perovskite thin film and manufacturing method of the same | |
Rathore et al. | Ion beam modification of structural and optical properties of GeO 2 thin films deposited at various substrate temperatures using pulsed laser deposition | |
WO2023042682A1 (en) | Optical filter, optical filter component, sterilizer, and optical filter production method | |
US20230305204A1 (en) | Optical filter, method for producing same and sterilization device | |
Torimoto et al. | Emission properties of cerium-doped barium borate glasses for scintillator applications | |
Babkina et al. | Temperature effect on spectral properties of cesium lead bromide perovskite nanocrystals in borogermanate glass | |
RU2461665C1 (en) | Method of producing doped quartz glass with tetrahedral coordination of titanium atoms | |
US20230348314A1 (en) | Light-sensitive glass and process for inscribing structures formed from variations in bulk refractive index in such a glass | |
Kolobkova et al. | Specific features of the formation of oxyfluoride glass-ceramics in the SiO 2-PbF 2-CdF 2-ZnF 2-Al 2 O 3-Er (Eu, Yb) F 3 system | |
López et al. | Structural and optical properties of SiOx films deposited by HFCVD | |
JP5770022B2 (en) | Silica glass UV sensor using delayed fluorescence | |
Yu et al. | Study on photoluminescence of thermally treated Bi 12 GeO 20 and Mo: Bi 12 GeO 20 crystals | |
RU2412917C1 (en) | Glass with lead selenide nanocrystals for near infrared antireflection filters | |
WO2023112940A1 (en) | Optical filter and sterilization device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130813 |