TW576931B - Structures incorporating polymer-inorganic particle blends - Google Patents

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576931 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本專利申請案優先於頒予Kambe等人，名稱為"Index-

Engineering With Nano-Polymer Composites，·之同在申清中 之美國臨時專利申請案第60/309,887號，該案以引用的方 式併入本文中。 發明範圍 本發明係關於使用聚合物-無機粒子摻合物形成之結 構，其包含在各該粒子與該聚合物之間具有鍵結之聚合 物-無機粒子複合材料。本發明進一步係關於自聚合物-無 機粒子掺合物形成該結構之加工方法，例如，自組裝 法《此外，本發明亦係關於自該聚合物-無機粒子摻合物 形成之裝置，特別為光學裝置，例如，光子晶體。 發明背景 由於在各種領域之進步，已經為多種新材料創造各種用 途。特定言之，可以在許多不同加工情況中使用各種化學 粉末。在各種情況中’典機粉末可帶來所要功能性。同 樣，在許多領域中可以使用聚合物以形成各種裝置。可利 用各種聚合物以使該適合應用獲得所要性質及/或功能性， 以及提供加工方面之多用途。 而且，科技的進步對於加工參數具嚴格容差之改良性材 料加工之興趣已增加。由於小型化又進一步持續， 料參數必需在嚴格的參數範圍内。現行的積體電路3 於加工尺寸已經要求次微米規模之容差。 1又瑪;械，電子；5 光學組件併至集成裝置内之固結法或統合法對於材 已產生其它限制。可以使用複合材料以人广 、 加工 σ併不同材料之所 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 20Ϊ7公釐） 576931 A7

要性質及/或加工能力以獲得改良材料及特性。 、通信及資訊科技（包括以網際網路為主之系統）之突飛猛 進已引起全世界努力實施可運用光學通信系統使用之大頻 $寬之光學通信網路。光學通信系統可合併轉輸用之光學纖 維，且可包括，例如，用以處理較小腳印之光學信號之平 面光學結構。或者已根據聚合物或無機材料形成光學裝 置，例如，矽石玻璃。 發明簡述 本發明第一方面係關於一種光學結構，其在第一光學材 質與第二光學材質（其各含一種聚合物）之間含有一種界 面。該第一光學材質包含一種聚合物·無機粒子摻合物， 其中該摻合物含無機粒子，當經離析時，該無機粒子為電 絕緣體或電導體。 ’ 本發明另一方面係關於一種結構，其在第一材質與第二 材質（其各含一種聚合物）之間含一種界面。該第一材質含 水合物-無機粒子複合物。該複合物含無機粒子（其係為電 半導體或電導體），且該無機粒子之平均顆粒大小不超尚 約1微米。 、< 本發明又另一方面係關於一種含聚合物_無機粒予摻合物 之材質。該摻合物含具導電性之無機粒子，且該摻合:於 100微米厚度時可穿透可見光。 、 本發明又另一方面係關於一種反射型顯示器，其所本液 晶分散在聚合物-無機粒子摻合物内。該聚合物_無機粒子 摻合物為光學材質。 ' 1 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公~ ------- 576931 A7 B7 五、發明説明（3 ) 而且，本發明係關於一種互連光學結構，其含第一光學 通道，第二光學通道及光學性連接該第一光學通道與第二 光學通道之光學互連器，該光學互連器含聚合物-無機粒子 摻合物。 本發明亦係關於一種含近乎週期性折射率變式之週期性 結構。該結構所含之第一聚合物-無機粒子摻合物及第二光 學材質以該聚合物-無機粒子摻合物配置在各區域之間。該 第二光學材質係為選自以下所組成之組群：第二聚合物-無 機粒子摻合物，聚合物，非聚合物無機材質。 本發明其它方面係關於一種光子晶體結構，其所含之週 期性排列聚合物·無機粒子摻合物以光學材質之配式配置。 在其它具體實例中，本發明係關於一種光學結構，其在 均勻光學無機材質與光學聚合物-無機粒子摻合物之間含一 種界面。該摻合物含無機粒子，該無機粒子係為電絕緣體 或電導體。 此外，本發明係關於一種顯示器裝置，其含一層可形成 該顯示器可視部份之光學聚合物-無機粒子摻合物。該摻合 物含無機粒子，該無機粒子係為電絕緣體或電導體。 本發明另一方面係關於一種聚合物-無機粒子摻合物之光 學裝置，其中該摻合物含具有非線性光學性質之無機粒 子。 而且，本發明係關於一種吸光裝置，其所含之第一電極 及聚合物-無機粒子摻合物排列在週期性結構内。該週期性 結構可吸收所要頻率之電磁輕射。 __ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 576931

本發明亦係關於一種含一對電極及一種聚合物-無機粒子 摻合物之電機結構。施加電壓至該電極會導致一部份該電 機結構產生偏轉現象。 本發明其它方面係關於在第一材質與第二材質之間產生 2面<方法’其中各材質含一種聚合物，且至少一種該材 貝含聚合物_無機粒子摻合物。該方法包括多重擠製第一光

裝 予材貧’使其與第二光學材質接觸以在該第一材質與第二 材質之間形成界面。 本發明其它方面係關於在第一材質與第二材質之間產生 界面之方法，其中各材質含一種聚合物，且至少一種該材 質含聚合物-無機粒予摻合物。該方法包括將該第一材質旋 塗在泫第一材質層±面以在該第一材質及第二材質之間形 訂

成界面。在該旋轉塗佈法之時間架構内，該第一材質並不 會溶解該第二材質。 本發明另一方面係關於在折射率不同之兩種光學材質（其 折射率彼此相差至少約0·005)之間產生界面之方法。該方 法包括使用聚合物/無機粒子摻合物進行自裝配法以形成第 -光學材質，㈣定位第二光學材f，使其與該摻合物接 觸以形成該界面。 附圖簡述 圖1為聚合物-無機粒子摻合物與第二材質間之平面界面 透視圖。 1 圖2為沿著聚合物-無機粒子摻合物與第二材質間之邊緣 之界面透視圖。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 29^公i) 576931 A7 B7 五、發明説明（5 ) 圖3為在3種材質之間具有各種界面之結構之透視圖。 圖4為波導結構實例之透視圖。 圖5為在註有虛線之結構内具有光學耦合器/分流器之平 面光學結構俯視圖。 圖6為該圖5光學結構之側視圖。 圖7A為折射率逐步改變之互連器之剖視圖。 圖7 B為在第一波導與第二波導之間逐漸變細之互連器之 剖視圖/ 圖8為作為連接兩個光學通道之光學黏著劑之聚合物-無 機粒子摻合物之剖視圖。 圖9為具有一彎曲部位之光學通道之剖視圖。 圖10為具有兩個顯示元件（其以取自經由各該元件之中央 之片斷表示）之反射型，聚合物分散之液晶顯示器剖視圖。 圖1 1為加入微電機系統（該區係取自該微電機系統之膜片 安裝桿）之可調垂直腔表面-發射雷射之剖視圖。 圖1 2為已排列波導光柵之俯視圖。 圖1 3為具有3個光學開關（其係自聚合物-無機粒子摻合物 形成）之光學結構之俯視透視圖。 圖1 4為該圖1 3光學結構沿著線1 3 - 1 3所取得之該片斷之 斷面側視圖。 圖1 5為交連光學開關（該區係取自該開關元件）之剖視 圖。 圖1 6為具有週期性排列之聚合物_無機粒子摻合物桿之結 構透視圖。 _______ - 8 · I紙張尺度適用巾國g家標準(CNS) A4規格(210><297公|) " " ~ -

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圖17為m结構内具有週期性排列之較 之該光學結構。 高折射率材質 圖1 8為具有二維排列之較高折射率材質之 以是較大光學結構之一部份）透視圖。 光學結構（其< 圖1 9為具有三維排列之較高折射率材質 以是較大光學結構之一部份）透視圖。 之光學結構（其町 圖20為具有折射率逐步逐漸 化之光學結構俯視圖。 改變以形成折射率週期性變 圖 圖0 2 1為以該圖2 0光學結構之 距離為變數對折射率所作之

圖22為可調滤光器（該區絲自該調譜電極）之剖視圖。 圖23為具有兩個布拉格（Bl：agg)光柵作為部份反射鏡之读 射光器之斷面側視圖。 圖24為使用以製備氧化飲之雷射熱解裝置之透視圖。

線 圖25為該圖24雷射熱解裝置之剖示側视圖。 圖26為取自該圖24線26-26之該雷射熱解裝置剖視圖。 圖27為對各該3種不同Ti〇2粉末試樣之3種乂·射線繞射围 所作之圖。 圖2 8為經由雷射熱解所形成氧化鈦超微粒子實例之穿透 式電子顯微相片。 圖29為以〇·003重量％ Ti〇2-3之乙醇分散液之波長為變數 對任意單位之吸收光譜所作之圖。 圖30為以〇·003重量％商業品牌Ti〇2之乙醇分散液之波長 為變數對任意單位之吸收光譜所作之圖。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 五、發明説明（7 ) 子之粒子填充量為 圖3 1為以聚丙埽酸中，氧化鈦超微粒 變數對折射率所作之圖。 及：m 無機粒子之摻合物形成多用途的材質 說’聚合物·無機粒切合物可以合併另一 :::二是另一種摻合物)以形成在該不同材質 °界面之結構。可以使用無機粉末及對應聚合物_ :機粒子摻合物以製備各種裝置，例如，平屏㈣示器， =子電路，光學及電子.光學材質，光學裝置與積體光學電 路。在邵份具體實例中’該聚合物及該無機粒子可化學性 鍵: *疋卩杨成該複合物^就光學材質及光學結構之形 成而了 ’根據該光學材質之各組份，該聚合物·無機粒子摻 合物材質可具有光學性質。通常’可經由選擇該組合物及 粒子之填充量，同樣可選擇該摻合物之性質，例如，光學 性質。較佳光學結構在該聚合物/無機粒子摻合物與另一種 聚合物材質（例如，另一種聚合物·無機粒子摻合物），或均 勻無機材質（例如，光學玻璃）之間可包含界面。明確地 說，光學結構通常在具不同光學性質（例如，折射率）之各 光學材質之間含有界面。可以有效使用各種加工方法以形 成所要光學結構。最好可合併該聚合物·無機粒子摻合物以 形成光學及非光學裝置。一些相關之結構在材質方面（其中 或多種該材貝為聚合物-無機粒子摻合物）具有週期變化 性。 可以使用聚合物-無機粒子摻合物以處理具廣範圍性質 -10- 本紙β度適用中國國家標準(CNS)H格(21〇χ 297公釐） /明1

(U如，折射率）之可加工材質。除了具有官能性質之多用 •、卜永°物-播機粒子摻合物可具有所要機械性質，例 耐久性。適於併至該複合物内之一些聚合物包括有機 是ο物及抶機聚合物，例如，聚矽氧貌。該無機粒子通常 包括王7C素或化合物型式之金屬或類金屬元素。明確地 說，該無機粒子可包括，例如，元素金屬或元素類金屬， 亦即，非離子化元素，金屬/類金屬氧化物，金屬/類金屬 氮化物，金屬/類金屬碳化物，金屬/類金屬硫化物，金屬/ 類金屬碎酸鹽，金屬/類金屬磷酸鹽或其組合物。如文中使 用’無機粒子包括碳粒子，例如，富樂侖（fuUerenes),碳 黑’石墨及其組合物。除了碳粒子外之無機粒子可被稱為 非碳無機粒子。類金屬為具有介於或包括金屬與非金屬在 内之化學性質之元素。類金屬元素包括碎，厕，绅，銻， 碲。雖然元素週期表内磷的位置接近該金屬元素，但是其 通常不被視為類金屬元素。然而，P2〇5及雜摻型式之p2〇5 為類似一些類金屬氧化物之良好光學材質，且其它已雜摻 磷（例如，呈P2〇5型式）之光學材質可具有所要光學性質。 如文中（其包括申請專利範圍）使用，為方便起見，鱗亦被 視為類金屬元素。 可以將一系列填充量之該無機粒子加入該摻合物内。可 以使用至高約5 0重量％或更高之高無機粒子填充量獲得良 好分散性的粒子。此外，在包含化學性鍵結複合物之具體 實例中，可以調整與該無機粒子鍵結之該交聯劑化合物含 量以改變使用該聚合物所獲得之交聯程度。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 B7 五、發明説明（9 ) 在本發明某些方面中，聚合物-無機粒子掺合物包含聚合 物-無機粒子複合物（其在該無機粒子與該聚合物之間具有 化學鍵結）。在其它具體實例中，該摻合物含無機粒子與聚 合物之混合物。可以選擇該摻合物各該組份之組成，及各 該組份之相對含量以得到所要性質，例如，光學性質。 在該聚合物與該無機粒子之間含有化學鍵結之該聚合物-無機粒子摻合物具體實例中，可選擇或改質該聚合物，使 其含有可以與該無機粒子或交聯劑化合物之官能基化學性 鍵結之適合官能基。交聯劑化合物可促進所該複合物之形 成。明確地說，在這些具體實例中，該複合物包含單體/聚 合物組份，無機粒子，及可橋接該無機粒子與該單體/聚合 物之交聯劑化合物。就可以與該交聯劑化合物連接之單體 單位而言，可隨著該複合物形成以形成聚合物。為了表示 法之簡便起見，可以與該交聯劑連接並組合成為該複合物 之該單體/聚合物單位通常可被稱為聚合物，然而，在某些 情況下，該單位可以是單體或聚合物，例如，二聚物，三 聚物或較大聚合物結構。可以選擇該聚合物之分子量以改 變所形成該複合物之性質。 在某些具體實例中，最好使用平均直徑小於約500毫微米 (nm)之無機粒子之聚集物。可經由，例如，火焰合成法， 燃燒法，或溶膠凝膠法形成適合超微粒子。用以合成具特 高均勻性之無機粒子之方法包括以輻射為主之熱解法/雷射 熱解法，其中自強烈輻射源產生之光激勵形成該粒子之反 應。為方便起見，本申請案認為以輻射為主之熱解法及雷 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 ________B7_ 五、發明説明（1〇 ) 射熱解法可互換，因為可以使用適合的強烈電磁輻射源以 取代雷射。可使用雷射熱解法以形成具高均勻組成，結晶 性及大小之粒子。 在該聚合物/無機粒子摻合物内使用毫微規模之粒子可以 使某些應用得到改良及/或所要性質。特定言之，就光學材 質《形成而言，由於具理想的光學性質（例如，通常為散射 性減少），所以該超微粒子可提供理想的光學特性。較佳使 用高品質超微粒子以產生具有定義明確之光學性質之均句 w合起微粒子-聚合物摻合物。明確地說，較佳顆粒為其中 該主要顆粒不會黏聚，因此該主要粒子可以有效分散以形 成該複合物。如頒予Bi等人之美國專利第5,958,348號，名 稱 Efficient Production of Particles By Chemical Reaction，” (其以引用的方式併入本文中）所述及如下文進一步所述， 可以以商業規模製造用以形成超微複合物之高品質超微粒 子。 由於可以將廣範圍無機粒子及聚合物加入文中所述該複 合物内，所以該複合物適合廣範圍應用。明確地說，文中 所述各該材質及結構適於下述應用：包括，例如，結構應 用’電子工程學應用，光學應用。雖然就含該聚合物-無機 粒子摻合物之改良結構而言，涵蓋所有應用，但是光學應 用在文中有更詳細描述。使用該聚合物-無機粒子摻合物之 一項重大優點為可控制廣範圍的物理性質，例如，光子或 电子參數。例如’右'該播機粒子具有南折射率，則可以形 成具廣範圍且可控制折射率值之各式各樣的光學裝置或光 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ' --

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576931 A7 ____ _ B7 _._ 五、發明説明（11 ) 學塗料。較佳使用高折射率材質以控制光傳播。可經由調 整粒子填充量以控制該複合物之折射率。 已經由研究該超微粒子-聚合物複合物之光子/光學性質 以說明該控制折射率之能力。例如，可以以該掺合物之參 數為變數’研究孩折射率，其可測定該光在材質或裝置結 構内之傳播。自聚合物-無機超微粒子複合物進行光學觀測 之方法在下文各實例中有提出。尤其亦特別描述個別超微一 Ti〇2粒子之結構及光學性質以顯示超微粒子性質及後續超 微複合物性質之相關性。使用以超微_ Ti〇2為主之聚合物複 合物進行光學測定確認可獲得高折射率聚合物-無機粒子摻 合物。 就光子裝置應用而該折射率（η)之受控管理很重要。 如文中所述之指數工程包括形成具有所要折射率之各材質 並與光學結構中各界面處之相鄰材質之折射率比較。亦可 經由外場調制該折射率。 通常，該聚合物-無機粒子摻合物可提供關於組合物及對 應性質之相當多的用途及形成範圍自簡單至複雜之結構之 加工多用途°就光學應用而言，可經由相應選出該摻合物 之各組份及該粒子填充量以選擇折射率。根據該捧質及捧 雜程度’習用碎石玻璃顯TFn〜1.45。在該範圍的另一末 端，化合物半導體（例如’ InP)之η為〜3·4 ^這兩個區域之 間有很大的差異，其尚未適當地經由現有的材質系統彌 補’即使該差異可經由多種材質彌補，仍然很難在其間形 成可利用之界面。反之，使用無機粒子（例如，超微粒子） -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 五、發明説明（12 ) 及水。物基質料成〈聚合物·無機粒子摻合物 =折=。、頃發f出該高指數粒子（特別為超二 )及水。务王材質，則該超微粒子之填充量可 完整複合物之指數。 仏Λ 心“汗種材質(其中-或多種為聚合物-無機粒子摻 口物）、可以在結構内之各材質間形成界面，因此該總性質 及/或耳能性質具有所要特性。就光學應用而言，該光學界 面可包含各光學材質(其在各該不同材質之間具有選別的折 射率差異）。可使用該聚合物·無機粒子摻合物以操控該折 射率，因Α可以使用以減少該光學組件之大小。詳細地 說，可以使用於各光學界面處之高折射率差異以減少器件 大小’亦即’小型化。 此外，孩聚合物-無機粒子摻合物可形成計劃用於特殊應 用之雜結構。就某些光學應用而言，可以使該聚合物_無機 粒子摻合物形成週期性結構。最好可以在形成，例如，具 週期性調制折射率之結構之光學結構中形成週期性結構。 可以使用在折射率上具週期變化性之光學材質以形成光栅 或光子晶體β該週期性可以以一維，二維或三維之型式延 伸0 t由使用聚合物-無機粒子摻合物，可以形成能夠與低折 射率材質（例如，不含粒子填充量之聚合物）結合之高折射 率摻合物。經由這些結合材質，可以形成於該界面處之兩 種材質間具折射率大變化之界面。最好利用此種折射率大 變化以反射及/或限制材質内之光β特定言之，最妤利用這 ____ "15" 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（13 ) 些大折射率變化以形成顯示器及其它光學裝置。 更詳細地說，尤其適合使用該聚合物/無機粒子複合物以 形成具有選別介電常數/折射率之器件。經由折射率搡控處 理’可藉由該折射率之對應選擇設計特別適於特殊應用之 材質。就電或光學材質之製備而言，合適之折射率選定很 重要。當沒有光損失時，該折射率約為該介電常數之平方 根’因此’該折射率之操控處理相當於該介電常數的操控 處理。所以’該折射率/介電常數與特定材質之光學及電反 應有關。最好利用折射率操控處理以設計光學或電互連 器。可以使用文中所述該加工法（其包括，例如，自組裝法） 以控制材質形成裝置之域大小及/或該材質組成/折射率之 週期性。可獲得次微米規模之結構參數及週期性。所要大 小及/或週期性長度規模通常取決於該光波長。此外，若於 界面處之折射率可大量改變，則可以使用小尺寸/週期性規 模。該超微粒子之使用及/或可形成次微米規模之能力可形 成量子效應裝置。 可使用許多標準聚合物加工法處理該聚合物-無機粒子摻 合物。特別適合之方法通常取決於欲形成之特定結構。然 而，特別可使用某些方法以形成該聚合物-無機粒子摻合物 與其它材質間之界面。例如，可經由將媒合摻合物旋塗至 基材（例如，矽晶圓）上以塗敷均勻層。可經由連續旋塗該 材質以堆疊各該層。可選擇各該溶劑以致使塗敷一層時所 使用溶劑不會溶解先前塗敷之層。此外，可以使用媒合摻 合物或熔融物之擠製法以形成界面。該多層可或可不被多

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 x 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（14 ) 重擠製。可以使用壓延法以改良該界面之品質。亦可以使 用其它模製法及塗佈法。通常，該聚合物-無機粒子摻合物 之加工可或可不包括基材。 此外，可以使用自裝配法以進行聚合物-無機粒子摻合物 之加工以形成週期性結構。更詳細地說，就某些光學應用 而言，可使用自裝配法以形成週期性光學結構（其在兩種具 不同折射率值之材質間具週期性界面）。通常，該週期性結 構包括聚合物-無機粒子掺合物，其中該週期性結構中一或 兩種該週期性變化之材質呈一維，二維或三維型式。可以 使用該折射率之二維變化性以製造二維光子晶體。同樣， 可以使用該折射率之三維變化性以製造三維光子晶體。由 於光子頻帶隙，所以可以使用三維光子晶體以形成不會產 生天然發射之理想固態雷射。另一方面，二維光子晶體可 統合表面發射裝置與波導器以形成波長-除頻-多工調變 最好將該聚合物-無機粒子摻合物加入各種裝置（特別為 光學裝置）内。相關裝置包括，例如，光學衰減器，光學分 流器/偶合器’光學開關，調制器，互連器，光頻隔離器， 光學add-drop多工調變器（〇ADM)，光學放大器，光學偏光 劑’光學循環器’移相器，光學鐘/反射器，光學阻聚器， 光學偵測器，顯示器，微電機結構（MEMS)，可調濾器， 光學接線器’布扛格光柵，鏡子，帶通滤波器，排列波導 光柵（AWG)，雷射，光子晶體，準晶體。可以將各該裝置 放在光纖内或平面光學結構上《更詳細地說，在平面光學 ___-17-_ __ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 B7 15 五、發明説明（ 結構内’該裝置可以是具有積體光學裝置之平面光學電路 之一部份。 i合物-無機粒子換合物

該聚合物·無機粒子摻合物所含之無機粒子分佈遍及聚合 物基質，因此所形成該摻合物可合併各種型態之該無機粒 子及該聚合物。該無機粒子可或可不與該聚合物化學性鍵 結。該無機粒子與該聚合物之鍵結可包括一種使用以活化 該無機粒子表面以便與該聚合物鍵結之交聯劑。根據該特 定應用’適合之摻合物可包括低粒子填充量或高粒子填充 量。同樣，可以選擇該聚合物組份及該無機粒子組份之組 成以獲得所形成該摻合物之所要性質。該摻合物（特別為聚 合物-無機粒子複合物可產生該組合組份之增效作用）。 訂

可以將一系列填充量之該無機粒子併至該複合物内。可 製成具高均勻性之低粒予填充量之複合物。就某些應用而 言，低填充量（例如，1或2 %或更小）較佳。此外，可以使 用分散性良好之粒子獲得高無機粒子填充量。此外，可以 使用分散性良好之粒子獲得至高約8 0重量％或更高之高無 機粒子填充量。通常，該無機粒子填充量為約〇 · i重量％至 約9 0重量％，在其它具體實例中，該無機粒子填充量為約1 重量％至約8 5重量％，在另外的具體實例中，該無機粒子 填充量為約3重量％至約8 0重量％，在其它具體實例中，該 無機粒子填充量為約5重量％至約6 5重量％，在部份具體實 例中，該無機粒子填充量為約1 0至約5 0重量％。熟悉本技 藝者瞭解亦涵蓋這些詳述範圍内之其它範圍，且其亦屬於 ____ -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（16 ) 本發明之範圍。此外，可以調整與該無機粒子键結之該交 聯劑化合物含量以改變使用該聚合物所獲得之交聯程度。 如上述，該聚合物-無機粒子摻合物可包括該無機粒子與 該聚合物之化學鍵結。就方便起見，在至少一部份該無機 粒子與該聚合物之間具有化學鍵結之摻合物稱為聚合物-無 機粒子複合物。化學鍵結被認為廣泛指具有部份共價性質 之鍵結，其具或未具部份離子鍵結，且可具有配位體-金屬 鍵結之性質。在其它具體實例中，可經由聚合物基質之物 理性質簡單地使該無機粒子包埋在該基質内。為方便起 見，在該無機粒子與該聚合物基質不含化學键結之摻合物 稱為聚合物-無機粒子混合物。當然，聚合物-無機粒子混 合物通常在該聚合物與該無機粒子之間包含非鍵結靜電交 互作用，例如，凡得瓦（VanderWaals)交互作用。 雖然在許多方面中，混合物皆適合，但是該聚合物-無機 粒子複合物之形成具有使該摻合物安定及均勻之優點。明 確地說，可以在複合物内獲得高粒子填充量，且不會使該 粒子產生集結作用，但其前提為該粒子可經由不會輕易與 其本身鍵結之基團官能化，因此才不會導致硬黏聚物之形 成。此外，在相關具體實例中，可調整與該無機粒子鍵結 之該交聯劑化合物含量以改變使用該聚合物所獲得之交聯 程度。 在該聚合物與該粒子之間具鍵結之該複合物包含單體/聚 合物組份，無機粒子，及可橋接該無機粒子及該單體/聚合 物之交聯劑化合物。就欲與該交聯劑化合物連接之該單體 -19 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 _B7__ 五、發明説明（17 ) 而言，可隨著該複合物之形成之形成聚合物。雖然已知在 某些情況下，該單位可以是單體或聚合物（例如，二聚物， 三聚物或較大聚合物結構），但是為了表示法的單純起見， 與該交聯劑連接並可以組合成為該複合物之該單體/聚合物 單體通常被稱為聚合物。 該交聯劑化合物具有2或3個官能基。該交聯劑其中一個 官能基適於與該無機粒子化學鍵結。化學鍵結廣泛指具有 部份共價性質之鍵結，其具或不具極性鍵結，且可具有配 位體-金屬鍵結之性質以及不同程度之離子鍵結。該官能基 之選用係取決於該無機粒子之組成。該交聯劑之另一種官 能基適於與該聚合物進行共價鍵結。共價鍵結係廣泛指具 σ鍵，7Γ鍵，其它非定域共價鍵及/或其它共價鍵結種類， 且可以是具或不具離子鍵結組份之極化鍵，及諸如此類。 最好的交聯劑包括官能化有機分子。 可根據用以形成該已化學鍵結之聚合物/無機粒子複合物 之基本構想以形成各種結構。所獲得各該結構通常取決於 該聚合物/單體，交聯劑及無機粒子之相對量與其合成法本 身。交聯劑亦可視為偶合劑。而且，在某些具體實例中， 聚合物-無機粒子複合物及聚合物-無機粒子摻合物可含有 許多不同聚合物及/或許多不同無機粒子同樣，若聚合 物-無機粒子摻合物含許多不同聚合物及/或許多不同無機 粒子時，全部該聚合物及/或無機粒子可以在該複合物内經 化學性鍵結，或只有一部份該聚合物及/或無機粒子可以在 該複合物内經化學鍵結。若只有一部份該聚合物及/或無機 _-20-__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐） 576931 A7

粒子經化學鍵結’則該已鍵結之部份可以 或操機粒子之無規部份或特定部份。 是該總聚合物及/ 為了形成該所要複合物，伽、 推杆仆庳Μ灶，*… 或多個X聯劑分子 辦”1’〜 涿無機粒子表面上進行該無機粒子之改 貝。該X聯劑組合物對益％ Ρ + 粒子-個交聯劑分子。；以是每-個無機 … d人聯劑刀子可表面修飾該無機粒 ，亦吏^機粒子官能化。雖然該交聯劑分子可以ώ 該：機粒：鍵結，但是其可以(或未必)在與該聚合物制 “先與該無機粒子鍵結。其可以首先與該聚合物鍵結， 然後才與該粒子鍵結。或者，其可以同時與該聚合物及杂 機粒子鍵結。 在口某些具體實例中，可塗敷該交聯劑以形成該粒子表面 上單層<重要部份。更詳細地說，可塗敷至少約20%單層 至遠粒子上，且在其它具體實例中，可塗敷至少約4 0 %單 層。根據所測疋该粒子之ΒΕΤ表面積，該交聯劑之使用量 可以相當於至高涵蓋相對於該交聯劑單層之該粒子表面之 約1 / 2，1及2 ^熟悉本技藝一般技術者可瞭解涵蓋這些詳 述範圍内之其它範圍，且其屬於本發明範圍。可根據該粒 子之測定表面積及根據該原子半徑之公認值所估計該交聯 劑之分子半徑值計算單層。由於並非全部該交聯劑會鍵 結，且該交聯劑可進行部份自聚合反應，所以可添加過量 交聯劑。為了計算該涵蓋範圍，可假設該交聯劑能夠與垂 直於該表面之該粒子鍵結。該計算法可估計該涵蓋範圍。 根據實驗頃發現該粒子表面上之涵蓋範圍可以比自這些計 ___- 91 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4规格(210 X 297公釐)

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576931 A7 B7 五、發明説明（19 ) 算法所估計的涵蓋範圍還高。由於這些高交聯劑涵蓋範 圍，所以可推測該交聯劑可以與該聚合物形成高交聯結 構。於各無機粒子上，可形成多分支交聯結構。 該無機粒子可經由該交聯劑化合物在該聚合物結構内鍵 結，或可以使該粒子與聚合物側基團接枝。在大多數具體 實例中，該已鍵結無機粒子可以交聯該聚合物。明確地 說，大部份具體實例包括單一無機粒子與幾種聚合物基團 之星形交聯。通常可經由以下因素控制該複合物之結構， 這些因素包括該交聯劑之密度，該交聯劑之長度，該偶合 反應之化學反應性，該聚合物上各該反應性基團之密度， 該粒子之填充量，該聚合物之分子量範圍（亦即，單體/聚 合物單位）。在其它具體實例中，該聚合物之官能基可與該 末端位置或側基團處直接與該無機粒子鍵結。在這些具體 實例中，該聚合物之官能基相當於用以與該無機粒子鍵結 之適合交聯劑官能基。 適於加入該複合物内之一些聚合物包括（但不限於）有機 聚合物，無機聚合物（例如，聚矽氧烷）及其組合物與共聚 物。若該聚合物係在與該官能化無機粒子反應前先形成， 則可以選擇該聚合物之分子量以改變所形成複合物之性 質。可選擇或合成該聚合物以包含可以與該交聯劑化合物 之官能基共價鍵結之適合官能基。 承載該官能基之交聯劑架構通常為一種有機化合物，但 是，其亦可包含甲矽烷基及/或甲矽烷氧基部份。該有機交 聯劑架構可含有任何適合的有機部份，其包括，例如，直 _-22-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 376931 五 發明説明（2〇 ) A7 B7

線或分支碳鏈，環狀碳部份，飽和碳部份，不飽和碳部 份，芳香族碳單位，齒化碳基及其組合物。可以選擇哕* 聯劑之結構以獲得該複合物之所要性質。例如該交^ 之大小為可影響該複合物之週期性及該自引組合性質丄二 制參數。 只要具有可以與交聯劑鍵結之端基及/或較佳為側基，則 許多不同聚合物種類皆適合。適合之有機聚合物包括，例 如，聚醯胺（尼龍），聚醯亞胺，聚碳酸酯，聚胺基甲酸 酯，聚丙埽腈，聚丙晞酸，聚丙埽酸酯，聚丙婦醯胺，聚 乙缔醇，聚氯乙缔，雜環聚合物，聚酯，改質聚稀烴及其 共聚物與混合物。使用尼龍聚合物（亦即，聚醯胺）與無機 超微粒子所形成之複合物可稱為Nan〇nyl〇nTM)。適合之聚 合物包括在該聚合物主鏈内之共軛聚合物，例如，聚乙 炔；該聚合物主鏈内之芳香族聚合物，例如，聚（對-亞 苯）’聚（伸苯基伸乙晞基），聚苯胺，聚嘍吩，聚（苯硫 醜）’聚吹哈及其共聚物與衍生物《部份聚合物可以於官能 性側基圏處與交聯劑鍵結。該聚合物本質上可包含所要官 能基，可以經化學性改質以導入所要官能基或經單體單位 共5c化以導入部份所要官能基。同樣，部份複合物只含可 以在該複合物内鍵結之單一聚合物/單體組合物。除了不被 認為是聚合物之烴鏈（除非在該鏈内具有重覆側基團或至少 約5 0個碳-碳鍵）以外，可經由鏈上之3或更多個重覆單位 確認交聯結構内之聚合物。 以矽為主之較佳聚合物包括聚矽燒，聚矽氧燒（矽酮）聚 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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576931 A7 B7 五、發明説明（21 ) 合物[例如，聚甲基矽氧烷（PDMS)]及其共聚物與混合物以 及與有機聚合物之共聚物與混合物。聚矽氧烷尤其適於形 成具有接枝無機粒子之複合物。為了形成這些接枝複合 物’該聚矽氧烷可以經胺基及/或羧酸基改質。聚矽氧烷為 理想的聚合物，因為其可穿透可具光及紫外線，具高熱安 疋性’抗氧化降解，具疏水性❶其它無機聚合物包括，例 如’鱗氮基聚合物（鱗酸腈聚合物）。 可以與該聚合物結合之適合官能基係取決於該聚合物之 官能性質。通常，可根據已知鍵結性質適當地選擇該聚合 物與該X聯劑之官能基。例如，羧酸基可以與硫醇，胺（第 一胺及第二胺）及醇基共價鍵結。作為特定實例之尼龍可含 適於與交聯劑形成共價鍵結之未經反應羧酸基，胺基或其 衍生物。此外，就與丙烯酸聚合物鍵結而言，可以自丙烯 酸或其衍生物形成一部份該聚合物，因此該丙缔酸之羧酸 可以與交聯劑之胺（第一胺及第二胺），醇或硫醇鍵結。該 3C聯劑之官能基可以選擇性地只與具特定組合物之粒子及/ 或具特定官能基之聚合物鍵結。該交聯劑之其它適合官能 基包括’例如，鹵素，甲矽烷基（-SiR3xHx)，異氰酸根， 氛酸根’硫氰酸根，環氧基，乙缔基甲矽烷基，甲矽烷基 氫化物’甲矽烷基函，單-，二-及三齒有機矽烷，膦酸 根’有機金屬羧酸根，乙晞基，晞丙基及通常為任何不飽 和碳基（-R’-C = C-R")，其中R·及R"為可以在該結構内鍵 結〈任何基團。可使用選擇性鍵結以形成具自引組合作用 之複合物結構。

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k L.______^24 _ 本紙張尺度itM _家標準(CNS) &規格(摩297公爱) 576931 A7 B7 五、發明説明（22 ) 一旦該聚合物官能基與該交聯劑官能基進行反應時，該 初官能基本身可併入該已鍵結結構之所形成或產物官能基 内。可形成自該聚合物延伸之鍵合。自該聚合物延伸之該 鍵合可包括，例如，有機部份，甲矽烷氧基，硫化物部 份，磺酸根部份，膦酸根部份，胺部份，羰基部份，羥基 部份，或其組合物。根據所形成該官能基，該原有官能基 本身可或可不明顯。通常所形成該官能基可以是，例如， 酉旨基，酿胺基，酸肝基，醚基，硫化物基，二硫化物基， 烷氧基，烴基，胺基甲酸酯根團，胺基，有機矽烷基，氫 化碘矽烷基，矽烷基，羥基矽烷基，膦酸根基團，磺酸根 基團或其組合物。 若使用交聯劑化合物，通常可形成一種其中該聚合物與 該交聯劑鍵結之官能基，並可形成其中該交聯劑與該無機 粒子鍵結之另一種官能基。於該無機粒子上，該官能基之 確認可取決於特定原子是否與該粒子或該官能基結合。這 只是一種命名法的問題，且不需要考慮該官能基上各該特 定原子之位置，熟悉本技藝者即可確認所形成該結構。例 如，羧酸與無機粒子之鍵結可產生一種包含與該粒子之非 金屬/類金屬键結之基團；然而，不管該粒子之組成，氧基 通常存在於所形成該官能基内。最後，一個化學键可延伸 至金屬/類金屬原子。

可以與該無機粒子鍵結之適合官能基係取決於該無機粒 子之性質。頒予Kinkel等人，名稱"SURFACE-MODIFIED OXIDE PARTICLES AND THEIR USE AS FILLERS AND -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 x 297公釐）

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576931 A7 ______B7 五、發明説明（23 ) MODIFYING AGENTS IN POLYMER MATERIALS，”之美國

裝 專利弟5,494,949號（其以引用的方式併於本文）描述使用甲 矽烷化劑以鍵結金屬/類金屬氧化物粒子之方法^該粒子具 有可以與該粒子键結之經烷氧基改質之矽烷。例如，用以 與金屬/類金屬氧化物粒子鍵結之較佳交聯劑包括RlR2R3 _ Si-R4，其中Ri , R2 , R3為烷氧基，其可以水解並與該粒 子鍵結，且R4為適於與該聚合物鍵結之基團。可經由縮合 反應使三氯矽酸鹽（-SiCh)官能基與該金屬氧化物粒子表面 處之經基反應。 通常’可以使用硫醇基與金屬硫化物粒子及某些金屬粒 子（例如，金，銀，氣，鋅）結合。幾基可以與其他金屬粒 子（例如，鋁，鈦，#,鑭，婀）結合。同樣，可預期胺及 經基可以與金屬氧化物粒子及金屬氮化物粒子與過渡金屬 原子（例如，鐵，姑，把，鉑）結合。

與該無機粒子鍵結之該交聯劑官能基本身亦可以由於與 該無機粒子鍵結之特性而經改質。該無機粒子其中一或多 個原子可形成該交聯劑與該無機粒子間之化學鍵。若所形 成該鍵結中之一個原子來自該交聯劑化合物或該無機粒 子’則可能有多種解釋。於任何情況下，可以與該交聯劑 分子及該無機粒子結合以形成合成的或產物的官能基。該 所形成官能基可以是，例如，該交聯劑與該聚合物鍵結所 產生的上述各該官能基之一。於該無機粒子上之該官能基 最後可以與一或多種金屬/類金屬原子鍵結。 在某些具體實例中，該聚合物可以與該無機粒子併至該 __ - 26 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐" -- 576931 A7 ____ B7 五、發明説明（~" 聚合物網路内。其預形成法為使該交聯劑化合物之官能基 與聚合物分子之端基反應。或者，在進行該聚合方法時， 可以具有該無機粒子，因此當形成該聚合物結構時，該官 月匕化典機粒子可以直接併入該結構内。在其它具體實例 中，可經由使該交聯劑官能基與聚合物側基團上之官能基 反應以使該無機粒子接枝在該聚合物上。在任一種這些具 體實例中，若有足夠X聯劑分子（亦即可克服高能能障並可 以與該聚合物形成至少2或更多個鍵聯），則該經表面改質/ &犯化播機粒子可以交聯該聚合物。通常，無機粒子具有 办夕可以與該粒子結合之交聯劑。因此，該交聯作用實際 上取決於該聚合物-粒子排列，合併分子動力學及/或化學 動力學之兩種交聯基團之統計相互作用。 在某些具體實例中，該複合物可經由自裝配作用形成定 域化結構。可以選擇該複合物之組成及/或結構以誘發該複 合物本身之自引組合。例如，可以使用嵌段共聚物。因此 該聚合物之不同嵌段可以分開（其係為許多嵌段共聚物之標 準性質）。適合的嵌段共聚物包括，例如，聚苯乙埽-嵌段-聚（甲基丙烯酸甲酯），聚苯乙缔-嵌段·聚丙烯醯胺，聚矽 氧燒-嵌段-聚丙埽酸酯及其混合物。這些嵌段共聚物可以 經改質以包含可以與該交聯劑鍵結之適合官能基。例如， 可以水解或局部水解聚丙晞酸酯以形成羧酸基，或若該酸 基不干擾该聚合反應，則丙缔酸部份可被用來取代全部或 部份該丙晞酸物。或者，該丙晞酸酯中之該酯基可以經與 二醇鍵結之酯或與二胺鍵結之磕胺取代，因此該官能基之 _____-27-_ 本纸張尺度適用中國國豕標準(CNS) Α4規格(210 X 297公爱） 576931 A7 __B7__ 五、發明説明（25 ) 一仍然可以與交聯劑鍵結。可以使用具有其它數量之嵌段 及其它聚合物組合物種類之嵌段共聚物。 該無機粒子可以只與該嵌段内一種該聚合物組合物結 合，因此該無機粒子可以與該分離嵌段共聚物内之聚合物 組合物一起分開。例如，AB二-嵌段共聚物只在嵌段A内 包含無機粒子。該無機粒子之分離作用之官能性優點為可 利用該無機粒子之性質。同樣，若該無機粒子及該對應聚 合物具有不同媒合性質，可以以類似嵌段聚合物之不同嵌 段之方式，使該已緊密結合之無機粒子自該聚合物分離。 此外，該超微粒子本身可以自該聚合物分離以形成自引組 合之結構。 其它有序共聚物包括，例如，接枝共聚物，梳狀共聚 物，星形-嵌段共聚物，樹枝狀聚合物，其混合物及諸如此 類。可以認為全部有序共聚物為一種聚合物摻合物，其中 各該聚合物組份可彼此化學性鍵結。如下文各該實例所 述，亦可以使用物理聚合物摻合物且其亦可具有自引組合 作用。如上文有關嵌段共聚物之描述，該無機粒子可以只 與一些該聚合物種類之亞組鍵結。物理聚合物摻合物可具 有類似嵌段共聚物之自引組合作用。該無機粒子之存在足 以修飾該複合物之性質，使該聚合物與無機粒子之交互作 用可以與不同於該原有聚合物之其它聚合物種類進行物理 性交互作用。更詳細地說，由於小粒子尺寸，所以該聚合 物-無機粒子摻合物内該超微粒子之存在可以形成一種對弱 場具靈敏性之摻合物。最好使用此種靈敏性以形成各種器 __-28-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 B7 五、發明説明（26 ) 件。利用小粒子之方法通常可稱為軟物質方法。 不論該自引組合機制，部份自引組合之複合物包含可以 與超結構或超晶體結構中之週期性一致之超微粒子，亦 即’週期性排列之結晶狀粒子《該粒子本身可或可不具結 晶狀，但是由於該粒子之有序結構，所以其具有各種性 質。如下文進一步所述，光子晶體可利用這些晶體超結 聚合物-無機粒子複合物之具體實例在頒予Kambe等人， 名稱為"Polymer-Inorganic Particle Composites，"之同在申 請中且通稱為美國專利申請案第09/818,141號（其以引用的 方式併入本文）中有進一步描述。 無機赶子 通常，可以使用任何適合之無機粒子以形成該摻合物。 在某些具體實例中，該粒子之平均直徑不超過約1微米。就 某些相關應用而言，可選擇粒子之組成以使該複合物獲得 所要性質。因此，在形成，例如，光學材質時，該聚合物 及該無機粒子之光學性質皆很重要。已預期根據該無機粒 子與該聚合物之折射率之重量比對很高的粒子填充量重量 比可知該複合物材質之折射率大約為線型組合。 可經由，例如，雷射熱解法，火焰合成法，燃燒法，或 溶膠凝膠方法形成適合之超微粒子。更詳細地說，可使用 雷射熱解法以形成組成，結晶性及大小具高均勻性之粒 子°雷射熱解法包括自密集光源產生之光，其可誘發該反 應以形成該粒子。雷射熱解法為一種能有效產生寬範圍具 ____- 29 - _ 一 I紙張尺度適用中ϋ S家標準(CNS) A4規格(21GX297公复) "'~"

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576931 A7 _B7 五、發明説明（27 ) 選定組成及窄分佈平均粒子直徑之超微粒子。或者，可以 使用火焰產生裝置（例如，在頒予Helble等人，名稱為 ’’Apparatus for Producing Nanoscale Ceramic Particles，’·之 美國專利第5,447,708號（其以引用方式併於本文）中所述之 裝置）以製備次微米粒子。而且，可以使用熱反應室（例 如，在頒予Inoue等人，名稱為"Ultrafine Spherical Particles of Metal Oxide and a Method for the Production Thereof，··之美國專利第4,842,832號（其以引用方式併於本 文）中所述之裝置）以製備次微米粒子<5此外，可以使用各 種以溶液為主之方法（例如，溶膠凝膠方法）以產生次微米 粒子。 可經由以輻射為主之熱解法（例如，雷射熱解法）以形成 高均句粒子，可以使用雷射熱解法以形成具有各種可選擇 組成之次微米粒子（其具極均勻之性質）^為方便起見，以 輻射為主之熱解法被稱為雷射熱解法，因為此種術語可反 映以雷射作為輻射源之方便性。文中所述雷射熱解法可合 併一種反應物流（其可包括蒸汽，氣溶膠或其組合物）以將 所要元素導至流動性原料流内。產生具有蒸汽及/或氣溶膠 先質之反應物流之用途可以產生具寬範圍可能組成之粒 子。 小粒子之加工優點為可形成小結構及平滑表面。此外， 小粒子具有光學應用所要之性質，其包括，例如，已轉化 的吸收光譜及減少散射性（其可降低散射損失）。因此，由 於其尺寸小，所以小粒子具有可觀測的量子效應，其可影 -30- 本紙張尺度適财@ S家標準(CNS) A4規格(21GX 297公爱） ' " --- 576931 A7 _B7___;__ 五、發明説明（28 ) 響該對應聚合物-無機粒子摻合物之光學性質。 次微米/毫微米粒子之聚集物所含該原粒子之平均直徑小 於約500毫微米，較佳約2毫微米至約1〇〇毫微米，或約2毫 微米至約75毫微米，或約2毫微米至約50毫微米。熟悉本 技藝一般技術的人暸解文中該揭示内容涵蓋這些特定範圍 内之其它範圍。可經由穿透式電子顯微術估計粒子直徑。 該原粒子可具有約球狀的肥大外觀，或其可具有棒狀形 狀，板&形狀，或其它非球狀形狀。一旦更嚴密檢查，結 晶狀粒子通常具有相當於該基本晶格之小平面。非晶形粒 子通常具有球形型態。測定具不對稱之粒子直徑之方法為 平均沿著該粒子之主軸所測得之長度。 由於其尺寸小，該原粒子因為附近粒子間之凡得瓦引力 及其它電磁力，所以易於形成鬆黏聚物。根據該原粒子， 這些黏聚物可以大量分散在分散劑内，且在某些具體實例 中，基本上其可完全分散以形成分散原粒子。該已分散粒 子之大小可被稱為次級粒子大小。就特定粒子之聚集體而 言，該原粒子大小，當然為該次級粒子大小之較低限，因 此該平均次級粒子大小較佳約為該平均原粒子大小。該次 級或黏聚粒子大小可取決於該粒子於初形成後之後績加工 及該粒子之組成與結構。在某些具體實例中，該次級粒子 之平均直徑不超過約1000毫微米，在其它具體實例中，則 不超過約500毫微米，在又另外具體實例中，約2毫微米至 約300毫微米，在其它具體實例中，約2毫微米至約1〇〇毫 微米，或者約2毫微米至約5 0毫微米。熟悉本技藝的一般 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

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576931 A7 B7 五、發明説明（29 人瞭解涵蓋這些特定範圍内之其它範圍，且其屬於本發明 範圍。可經由已知方法（例如，動態光散射）測定液體分散 液内之次級粒子大小。適合之粒子大小分析器包括，例 如’以動態光散射為主之]Vlicrotrac UPA儀器（得自

Honeywell) ’ 得自日本，Horiba 之 Horiba Particle Size Analyzer ’ 及以 Photon Correlation Spectroscopy 為主之 ZetaSizer系列儀器（得自Malvern)。用以在液體中測定粒子 大小之動態光散射之原理已被接受。 縱使該粒子可形成鬆黏聚體，在該粒子之穿透式電予顯 微相片中仍然可清楚發現該毫微米規模之原粒子。如該顯 微相片中所發現，該粒子之表面積通常相當於毫微米大小 之粒子。而且，由於其尺寸小且每一材質重量之大表面 積，所以該粒子可具有獨特性質。例如，如下文各該實例 所述，該結晶狀，毫微米大小Ti〇2粒子之吸收光譜可轉

該原粒子之大小具高度均勻性。雷射熱解法通常可產生 具很窄範圍粒子直徑之粒子。而且，於適當溫和的條件下 進行加處理並不會改變該很窄範圍的粒子直徑。若使用氣 溶膠傳遞各反應物以進行雷射熱解，該粒子直徑分佈對於 遠反應條件特別敏感。然而，若適當控制該反應條件，使 用氣〉谷膠傳遞系統可獲得很窄分佈之粒子直徑。如自穿透 式電子顯微相片之檢查測定，該原粒子之大小分佈通常可 以使至少約9 5 % (且較佳9 9 %)該原粒子之直徑大於約4 0 % 該平均直徑並小於約160 %該平均直徑。該原粒子之直徑分 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 ---- - B7 五、發明説^~30^) 一 佈較佳可以使至少約95%(且較佳99%)該原粒子之直徑大 於約6 0 %該平均直徑並小於約14〇 %該平均直徑。熟悉本技 藝的一般人瞭解這些特定範圍内之其它範圍皆涵蓋在文中 該揭示内容内。 而且’在較佳具體實例中，原粒子之平均直徑皆不大於 該平均直徑之約4倍，且較佳不大於該平均直徑之3倍，更 佳不大於該平均直徑之2倍。換言之，該粒子大小分佈實際 上並不包括具明顯較大尺寸之少數粒子之尾部。此乃該小 反應區域及該粒子之對應快速中止反應之結果。該大小分 佈尾部之有效截止表示在1 〇 6個粒子中有少於約1個粒子具 有大於超過該平均直徑之特定截止值之直徑。高粒子均句 性可以被利用在各種應用上。更詳細地說，高粒子均勻性 可產生控制性良好之光學性質。 此外，可併至該摻合物内之該超微粒子可具有很高純 度。而且，結晶狀超微粒子（例如，此等由雷射熱解法所製 造者）可具有高結晶度。同樣，可接著使經由雷射熱解法所 製成之該結晶狀超微粒子經熱赤理以改良及/或修飾該結晶 度及/或該特定晶體結構。可經由使該粒子進行加熱以移除 該粒子表面上之雜質，其不僅可獲得高結晶純度，而且可 獲得南總純度。 成功地應用雷射熱解法以製備所要無機超微粒子之基本 特徵為產生一種含一或多種金屬/類金屬先質化合物，輻射 吸收劑之反應物流，在某些具體實例中，該反應物流尚含 第二種反應物。該第二反應物可以是該所要產物所需之非 -33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 576931 A7 _______B7 五、發明説明（31 )

金屬/類金屬原子源（例如，氧）及/或可以是一種可以驅使 所要產物形成之氧化劑或還原劑。若於密集光輻射下該先 質可分解成為該所要產物，則不需要第二種反應物β同 樣’若該金屬/類金屬先質及/或該第二種反應物可吸收該 適合光輻射，則不需要個別輻射吸收劑。可經由密集輻射 光束（例如，光束，例如，雷射光束）驅動該反應物流之反 應。當該反應物流離開該輻射光束時，該粒子可快速中止 反應Q 已使用反應物進口管（其沿著該雷射光束之路徑方向顯著 地延伸）研發適於經由雷射熱解法以製造可大量生產之粒子 之雷射熱解裝置。該高容量雷射熱解裝置（例如，每一小時 生產1公斤或更多）在名稱為"Efficient Production Of Particles By Chemical Reaction,"之美國專利 5,958,348 號 (其以引用的方式併於本文）中有描述。用於傳遞可經由雷 射熱解法大量製造粒子所需之氣溶膠先質之方法在頒予 Gardner 等人’名稱為"Reactant Delivery Apparatus，"之同 在申請中並通稱為美國專利第6,193,936號（其以引用方式併 於本文）中有描述。 通常，可以使經由雷射熱解法所製成之超微粒子進行額 外加工處理以改變該粒子之性質，例如，該組成及/或該結 晶性。例如，可以在使用前，使該超微粒子在氣體下經熱 處理。於適當溫和條件下，熱處理能有效修飾該粒子之特 性且不會破壞該初粒子之超微規模大小或該窄粒子大小分 佈。例如，次微米氧化釩粒子之熱加工處理在頒予Bi等 -34- ___ 本紙張尺度適用中國A4規格(210X 297公釐) ~ 一

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576931 A7 B7 五、發明説明（32 )人’名稱為"Processing Of Vanadium Oxide Particles With Heat，··之美國專利第5,989,514號（其以引用方式併於本文） 中有描述。 已經由雷射熱解法（使用或不使用額外加熱加工）製成寬 範圍的簡單及複雜之次微米及/或超微米粒子。在用於形成 聚合物-無機粒子摻合物之特別有關之具體實例中，該無機 粒子通常包含呈元素型式或化合物型式之金屬或類金屬元 素。明‘地說，該無機粒子可包括，例如，元素金屬或元 素類金屬，亦即，非離子化元素，例如，銀，矽；金屬/類 金屬氧化物；金屬/類金屬氮化物；金屬/類金屬碳化物； 金屬/類金屬硫化物或其組合物。此外，可製備超微粒狀碳 材質。亦已製成具第三及第四化合物之複雜系統。此外， 這些同品質材質之均勻性很重要。如上述，這些粒子通常 具有很有粒子大小分佈。多類型超微粒子之可用性可以使 超微粒子與聚合物間之可能組合物明顯增加。 就及心子之電性質而言，部份粒子含可以使該粒子成為 電導體，電絕綠體或電半導體之組合物。適合之電導體包 括例如，元素金屬及一些金屬組合物。電導體（例如，金 屬）之至/簾电阻率通常不超過約1 χ 1〇·3歐姆-厘米（〇hm· m )电·”邑緣體之室溫電阻率通常為至少約1 χ 1 〇 5歐姆·厘 2八电半導體包含’例如，矽，Cd s及1ηρ。可將半導體晶 月a刀頟使其包括所謂II· VI化合物，I〗卜v化合物及〗V族 ::口物’其中該數字係指該元素週期表中之族。半導體之 I為以純式隨著溫度’導電度大增加，且一旦雜捧電

參· 方

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活性雜質時，謂著幅度增加導電度。半導體通常具有可 產生該觀測導電度性質之頻帶間隙。於室溫下，該半導體 之導電度通常在金屬導電度與良好電絕緣體導電度之間。 可經由雷射熱解法產生幾種不同型之超微規模粒子。如 文中使用，無機粒子包含碳粒子作為碳質固體，例如，富 樂侖（fullerenes),石墨，碳黑。用於光反應性沉積作用之 此種超微規模粒子通常可被視為含一種具一些以各種相對 比例存在之不同7C素之組合物，其中係根據該超微規模粒 子之應用以選擇該元素之數量及相對比例。已製成（或許使 用額外加工方法，例如，熱處理）或已詳述可經由雷射熱解 法製成之材質包括’例如，碳粒子，矽，非晶形Si〇2 ,雜 摻Si〇2 ,結晶狀二氧化矽，氧化鈦（銳鈦礦及金紅石

Ti02)，MriO , Mh203 , Mn304 , Mn5〇8 ,氧化釩，氧化釩 銀，氧化巍經，氧化銘（了 -Αΐ2〇3 , 5 ·Α12〇3，0 _Al2〇3)， 雜摻-結晶狀暨非晶形氧化鋁，氧化錫，氧化鋅，稀土金屬 氧化物粒子，稀土雜摻金屬/類金屬氧化物粒子，稀土金屬 /類金屬硫化物，稀土雜摻金屬/類金屬硫化物，銀金屬， 鐵，氧化鐵，碳化鐵，硫化鐵（FeNXS)，氧化鈽，氧化锆， 鈦酸鋇（BaTiO：〇，矽酸鋁，鈦酸鋁，碳化矽，氮化碎，及 具有錯陰離子（例如，磷酸根，矽酸根，硫酸根）之金屬/類 金屬化合物。更詳細地說，許多適於製造光學材質之材質 可經由雷射熱解法製成。經由雷射熱解及對應沉積作用製 備可作為具各種組合物之塗料之方法在頒予B丨等人，名稱 為 ’’Three Dimensional Engineering of 〇pticai structures," ___- 36 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（34 ) 之同在申凊中且通稱為美國專利申請案第1〇/〇27,9〇6號（其 以引用方式併於本文）中有進一步描述。 可以使用雷射熱解法及其它流動式反應器系統，以挑選 的雜掺劑製成次微米及超微規模之粒子。可以使用含多種 挑選的雜摻劑之複合組合物以形成非晶形粉末及結晶狀粉 末。可以使用該粉末以形成光學材質及諸如此類。非晶形 次微米及超微規模粉末與具有雜摻劑（例如，稀土雜摻劑及 /或其它i屬雜摻劑）之玻璃層在頒予Horne等人，名稱為 n Doped Glass Materials，"之同在申請中且通稱為美國臨時 專利申請案第60/3 13，5 88號（其以引用方式併於本文）中有進 一步描述。具雜摻劑（例如，稀土雜摻劑）之結晶狀次微米 與超微規模粒子在頒予Kumar等人，名稱為"High Luminescence Phosphor Particles，·’ 之同在申請中且通稱為 美國專利申請案第09/843,195號（其以引用方式併於本文）中 有進一步描述。 可以導入所要量之該雜摻劑以改變該反應物流之組成。 可經由適當選擇該反應物流中之該組成及該加工條件以將 該雜捧劑導至適合宿主材質内。因此’可以形成加入一或 多種金屬或類金屬元素（作為主組合物）及挑選的雜換劑（其 包括，例如，稀土雜摻劑及/或雜掺劑組合物之複合摻合物） 之次微米粒子。就其中該主材質為氧化物之具體實例而 言，氧源亦應該可存在於該反應物流中。就這些具體實例 而言，該反應器中之該條件應該可充份進行氧化以產生該 氧化物材質。 -37- 本紙張尺度逍用中國國^樣準(CNS) A4規格(210 X 297公黄Γ 576931 A7 _ _ B7五、發明説明（35 ) 而且，可以導入雜掺劑以改變所形成該粒子之性質。例 如，可以導入雜摻劑以改變該粒子之折射率，然後將該粒 子併至該聚合物-無機粒子摻合物内。就光學應用而言，可 以改變該折射率以形成可使用挑選頻率範圍之光操作之特 定光學裝置。亦可以導入雜摻劑以改變該材質之加工性 質。而且，雜摻劑亦可以在該材質内交互作用。例如，可 導入一些雜摻劑以增加其它雜掺劑之溶解性。 在某些具體實例中，一種或多種雜摻劑為稀土金屬或具 有一或多種其它雜摻劑元素之稀土金屬。稀土金屬包含元 素週期表Illb族之過渡金屬。明確地說，該稀土元素包含 Sc ’ Y及鑭系。其它適合雜換劑包含該納系元素。就光學 玻璃而言，可作為雜摻劑之特別重要之稀土金屬包含，例 如，Ho , Eu，Ce，Tb，Dy , Er , Yb , Nd , La , Y , Pr 及Tm。雖然Eu+2及Ce+4亦重要，但是一般而言，重要的稀 土離子具+ 3游離態。稀土雜摻劑可影響光吸收性質，因此 可改變該材質用於製備光學放大器及其它光學器件之應 用。適於光學玻璃之非稀土金屬雜換劑包含，例如，B i， Sb，Zr , Pb，Li , Na , K , Ba , B , Ge , W , Ca , Cr， Ga，A1 , Mg , Sr , Zn , Ti , Ta，Nb , Mo , Th , Cd 及 S n 0 此外，就光學玻璃形成法而言，適於氧化鋁之金屬氧化 物雜摻劑包括氧化铯（ChO)，氧化铷（Rb2〇)，氧化鉈 (Tl2〇)，氧化麵（Li20)，氧化鈉（Na20),氧化鉀（κ2〇)， 氧化鈹（BeO)，氧化鎂（MgO)，氧化鈣（Ca〇)，氧化锶

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-38 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（36 ) (SrO)及氧化鋇（BaO)。氧化鋁雜摻劑可影響，例如，該玻 璃之折射率，固結溫度及/或孔隙率。適於紅外線發射體之 金屬氧化物雜摻劑包含，例如，氧化姑（Co304)，Er203， Cr02，Tm2〇3，Nd203，Yb203，Pr203，Dy203及 Ηο2〇3 〇 如上述，已使用雷射熱解法以製備一些粉末組合物。該 組合物可包含多金屬/類金屬元素。亦提供關於部份這些粉 末材質之參考試樣實例。 作為超*微粒子之第一項實例，該氧化矽超微粒子之製法 在頒予Kumar等人，名稱為"Silicon Oxide Particles，"之同 在申請中且通稱為美國專利申請案第09/085,514號（其以引 用方式併於本文）中有描述。該專利申請案描述該非晶形 Si02之製法。經由雷射熱解合成碳化矽及氮化矽之方法在 頒予Reitz等人，1999年11月5日申請，名稱為"Particle Dispersions”之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 09/433,202號（其以引用方式併於本文）中有描述。經由雷射 熱解製備碎粒子之方法在J. of the Americam Ceramic Society,第 65 冊，第 7期，330-335 頁（ 1982 年）由 Cannon 等 人在名稱為’’Sinterable Ceramic Particles From Laser-Driven Reactions: II, Powder Characteristics And Process

Variables,”之文章（其以引用方式併於本文）中有描述。 該氧化鈦超微粒子及結晶狀二氧化矽超微粒子之製法在 頒予 Bi 等人，名稱為，，Metai (siiicon) 0xide/Carbon Composites,"之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 09/123,255號（其以引用方式併於本文）中有描述。更詳細地 -39 - 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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k 576931 A7 B7 五、發明説明（37 ) 說，該申請案係描述該銳鈦礦及金紅石Ti02之製法。該氧 化銘超微粒子之製法在頒予Kumar等人，名稱為n Aluminum Oxide Particles,"之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 09/136,483號（其以引用方式併於本文）中有描述。更詳細地 說，本申請案係揭示該r - ai2o3之製法。具有可氣體傳遞 之充份蒸汽壓之鋁先質包括，例如，第二-丁氧化鋁 (Al(OC4H9)3) ^亦可使用許多適合之固態鋁先質化合物， 其包括，—例如，氯化鋁（A1C13)，乙氧化鋁（Al(OC2H5)3，異 丙氧化鋁（Al[OCH(CH3)2]3)。 而且，如頒予Kumar等人，名稱為"Composite Metal Oxide Particles,π之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 09/188,768號及頒予 Kumar等人，名稱為"Reaction Methods for Producing Ternary Particles,” 之美國專利申請案第 09/334,203號與頒予Horne等人，名稱為"Lithium Manganese Oxides and Batteries，"之美國專利第 6,136,287 號 (全部3種專利資料皆以引用方式併於本文）所述，已經經由 雷射熱解法及使用或未使用後續加熱處理步驟製備混合金 屬氧化物超微粒子。該形成含具有錯陰離子之金屬/類金屬 化合物之次微米及超微規模粒子之方法在頒予Chaloner-Gill 等人’名稱為 ’’Phosphate Powder Compositons And Methods For Forming Particles With Complex Anions，’·之同 在申請中且通稱為美國專利申請案第09/845,985號（其以引 用方式併於本文）中有描述。適合的錯陰離子包括，例如， 磷酸根，矽酸根及硫酸根。 _______-40-__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 576931 A7 B7 五、發明説明（38 ) 形成聚合物-無機粒子摻合物之方法 形成該摻合物之方法包括使該粒子分佈在該聚合物材質 内，因此所形成該摻合物可形成單一材質。可以在組合該 粒子及該聚合物材質前或於該無機粒子或其部份組合物存 在下進行該聚合法。該形成特定摻合物之方法通常取決於 該粒子是否簡單地分散在呈混合物型式之聚合物基質結合 劑内，或該至少部份該粒子是否與呈複合物型式之該聚合 物共價栓鍵結。形成該摻合物之方法可包括分散該無機粒 子（尤其就形成複合物之方法而言）。若形成複合物，可以 使用交聯劑分子以連接該聚合物及該無機粒子。可以選擇 鍵結該交聯劑，該無機粒子及該聚合物之順序以得到最好 的製法。 該形成粒子分散體之方法可使用以分離各該粒子，因此 各該粒子可充份分散在所形成該摻合物内。該分散體之使 用可產生一種更均句之摻合物（其所含該粒子約均句地分佈 遍及該摻合物）。可以選擇該溶劑，pH，離子強度及添加 物以改良該粒子之分散性。該粒子之更佳分散性及該分散 液之安定性有助於減少所形成摻合物中該粒子之集結作 用。 然而，在另外具體實例中，可以將該粉末磨碎或直接與 該聚合物混合以使該粒子分散遍及該聚合物。可以在有或 沒有溶劑/分散劑之存在下，進行混合。可以使用，例如， 商用混合機或研磨機以形成該粒子-聚合物混合物^可以使 用熱，壓力及/或溶劑/分散劑移除法以使粒子結合在聚合 _-41 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 ----------- B7 五、發明説明（ ^ " 39 } 物此口物内，其中該聚合物可作為結合劑。除非在形成該 混合物時及之前，該粒子可充份分散，否則，雖然混合物 中粒子向填充量，但是該粒子呈高度聚集狀態。 在某些具體實例中，粒予分散體之形成可以是不同於該 方法的一項步騾。可充份分散粒子（超微粒子）之聚集體以 便均句導至聚合物摻合物（例如，複合物）内。液相粒子分 散體可k供能夠用以形成所要摻合物結構之小次級粒子 源。典機粒子液態分散體之所要品質通常取決於該粒子濃 度，該分散體組成及該分散體形成之方法。明確地說，該 分散度本質上取決於該粒子間之互相作用，該粒子與該液 體之互相作用，該粒子之表面化學性質。適合之分散劑包 括，例如，水，有機溶劑（例如，醇類及烴類）及其組合 物。該適合分散劑/溶劑之選擇通常取決於該粒子之性質。 就製備該均勻複合物之方法而言，該分散度及該分散體之 安定性為很重要之特性，且其不會受顯著黏聚之粒子的大 影響。 通常，該液態分散體係指粒子濃度不超過約8 0重量％之 分散體。就形成粒子分散體之方法而言，該特定粒子濃度 取決於該選擇之應用。於大於約50重量％之濃度下，相對 於可表示該更稀釋之粒子分散體特性之參數，就所形成黏 性摻合物之形成法及特徵的表示而言，不同因素很重要。 該粒子之濃度可影響該黏度，因此可影響該分散體方法之 效力。更詳細地說’雖然剪力之應用有助於粒子分散’但 是高粒子濃度可增加該黏度，因此很難使該粒子獲得小次 --- ----，42· ------- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) ^規格(21GX297公I) 576931 A7 _____ B7 五、發明説明（4〇 ) 級粒子大小。 由於許多聚合物可溶於有機溶劑内，所以許多具體實例 包括形成非水性分散體之方法。此外，以水為主之分散體 可包含額外組成，例如，表面活化劑，緩衝劑，鹽。就特 定粒子而言，可經由改變該pH及/或該離子強度以調整該分 散體之性質。可經由添加惰性鹽（例如，氯化鈉，氣化钟或 諸如此類）以改變離子強度《該交聯劑之存在可影響該分散 體之性質'及安定性。該pH通常可影響該已分散粒子之表面 電荷。該液體可施加呈媒合型互相作用型式之物理/化學力 至該粒子上，其有助於該粒子之分散。媒合型互相作用可 以具高能性及/或瑪性。 該分散體之性質通常取決於形成該分散體之方法。分散 體中，除了由該分散體内之分散劑及其它化合物所施加之 化學/物理力以外，可以使用機械力以分離該原粒子（其由 於鄰接粒子間之凡得瓦力及其它短程電磁力結合在一起）。 更明確地說，施加至該分散體之機械力之強度及持續時間 可重大影響該分散體之性質。可以在溶劑内分散前，施加 機械力至該粉末。或者，可以在粉末（或粉末群）及液體（或 液體群）組合後，使用機械力（例如，剪應力）進行混合，揽 動，射流碰撞及/或超音波處理。若該原粒子間之該黏聚力 愈分裂，則可獲得較小次級粒子大小。 在應用該分散體以形成具均勻性質之摻合物時，小次級 粒子大小（例如，接近該原粒子大小）之存在可產生明顯的 優點。例如，較小的次級粒子大小，及一般而言，小原粒 _ _ 43 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) '" " 576931 A7 B7 五、發明説明（41 ) 子大小皆有助於使用該摻合物以形成具較平滑及/或較小且 更均勻之結構。在形成塗層時，可以使用具較小次級粒子 之無機粒子分散體所形成之摻合物以形成較薄且較平滑塗 層。 一旦形成該分散體時，該分散體最後會分離，因此不需 要連續機械攪拌或攪動，該粒子可聚集在該容器之底部 上。適合的分散體具有不會自該分散體分離出來之粒子。 不同分I欠體具有不同安定度。該分散體之安定性取決於該 粒子之性質，該分散體中之其它組成，使用以形成該分散 體之加工方法，及安定劑之存在。適合之安定劑包括，例 如，表面活化劑。在某些具體實例中，分散體具適當安定 性，因此雖然可以使用可形成摻合物之適合加工法（其包括 恆定混合或諸如此類）以避免該粒子分散體分離，但是在進 行形成該摻合物之後續加工步驟時，不需要顯著的分離， 即可使用該分散體。 就該複合物之形成而言，在形成該粒子分散體時或後， 使該分散體與該交聯劑分子及/或該聚合物互相作用。為了 形成該所要複合物，可經由與一或多個交聯劑分子化學鍵 結，修飾該無機粒子之表面。通常，就包含交聯劑之具體 實例而言，該交聯劑係溶於使用以形成該無機粒子分散體 及/或該聚合物分散體以液體内，因此當自溶液鍵結時，該 交聯劑實質上可均勻溶解。用於該組合粒子分散體及聚合 物分散體/溶液之條件適於在該交聯劑，該無機粒子及該聚 合物之間形成化學鍵。可以選擇添加該交聯劑至該無機粒 -44- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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k 576931 A7 B7 五、發明説明（42 ) 子及該聚合物内之順序以獲得該所要加工效力。一旦已使 用充份時間以完成該複合物之各組份間之键結時，可進一 步處理該複合物。 該交聯劑組合物與無機粒子之比率較佳為每一個無機粒 子至少一個交聯劑分子。該交聯劑分子可以使該無機粒子 經表面改質，亦即，使該無機粒子官能化。雖然該交聯劑 分子可以與無機粒子鍵結，在與該聚合物键結前，其不一 定要與該無機粒子鍵結。其可以首先與該聚合物鍵結，然 後才與該粒子鍵結。或者，可以摻合各該組份，致使該交 聯劑與該聚合物及該粒子間之鍵結可同時發生。 可以同時或連績添加該交聯劑化合物及該聚合物/單體/ 單體組份至具有該粒子分散體之液體内。可以選擇組合各 該組份之順序以獲得該所要結果。該液體内之條件較佳適 於與該交聯劑形成化學鍵及可能包括與該聚合物/單體組份 形成其它化學键。一旦形成該複合物時，可以移除或固化 該液體以留下自該複合物所形成之結構。 可以使該聚合物/單體組合物形成一種溶液/分散體，然 後添加至該無機粒子分散體内，或可以以固體型式添加該 聚合物/單體至該粒子分散體内。在較佳具體實例内，該聚 合物/單體組合物可溶於使用以形成該粒子分散體之液體 内。若該聚合物/單體並不溶於/不分散於該粒子分散體 内，則可緩慢添加該聚合物/單體溶液或該粒子分散體至另 一個内，同時混合以進行該反應。該聚合物/單體是否首先 個別自該無機粒子分散體溶解可取決於該聚合物/單體溶解 -45- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

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576931 A7 —_____B7 五、發明説明（43 ) 作用（動力學及各該溶液/分散體之所要濃度。同樣，鍵合 動力學可影響該混合程序之順序及細節。

装. 在某些具體實例中，需要該反應條件及/或觸媒或諸如此 類之存在以誘發該交聯劑與該無機粒子及/或該聚合物/單 體之反應。在這些具體實例中，可以混合各該組份，然後 調整觸媒添加步驟之反應條件。因此，可以形成充份混合 I落液/分散體，然後該反應條件或該觸媒之添加步驟以形 成更均句複合物。 t入聚合物-無機粒子掾合物之钴辑

雖然該摻合物可形成獨立式結構，但是相關的結構可以 在聚合物-無機粒子摻合物與另一種材質之間含界面。於該 界面處之該其它材質本身可或不可是聚合物·無機粒子摻合 物。該界面可沿著平面表面，沿著延伸材質之邊緣及/或沿 著其它表面種類（簡單或複雜表面）^在某些相關之具體實 例中，該聚合物·無機粒子摻合物為光學材質。在這些具體 實例中，該其它材質亦可以是光學材質，因此該界面為光 學界面。可以將該界面加入特定結構内以形成相關器件。 參考圖1，結構100包括聚合物·無機粒子摻合物之第一層 102及第二材質之第二層1〇4。於界面1〇6處，第一層1〇2與 第二層104接觸。雖然可形成具簡單或複雜形態之其它非平 面界面，但是在本具體實例中，界面1〇6具平面形態。可以 自聚合物-無機粒子摻合物及/或其它材質形成額外層。明 確地說，該結構可包括3或更多層，且其鄰接層可具有相同 或不同組成。若鄰接層皆為聚合物_無機粒子摻合物，則各 -46- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公爱) 576931 A7 B7 五、發明説明（44 ) 該層之聚合物，無機粒子及/或粒子填充量可不同。更詳細 地說’鄰接層可具有不同粒子填充量，因此可調整該鄰接 材質間之折射率差異。層内之該光學性質係取決於該折射 率以及該維數（例如，厚度）。如圖1所示，平面結構具有以 二維表示之長度，其大於沿著與該兩個延伸維垂直之一維 之厚度至少一數量級（亦即，1 0因數）。 參考圖2，結構112具有第一材質114(其含聚合物-無機粒 子摻合物）及第二材質116 ^第一材質Π4及第二材質116沿 著其接觸緣形成界面118。該接觸緣具有小於該結構延伸長 度維至少一數量級之至少一維。圖3描述一種更複雜結構。 結構124包括第一材質126(其含聚合物-無機粒子摻合物）， 第二材質128，第三材質130。第一材質126，第二材質 128，第三材質13〇於界面132，134，136，138處彼此接 觸。可形成含聚合物-無機粒子摻合物之各種其它結構，其 包括’例如，在鄰接材質之間具對應複雜界面之更複雜結 構及/或具界面網路（其可形成遍及該結構之光學路徑）之結 構。 一般而言，該相關結構内各該材質之一含有聚合物-無機 粒子摻合物。該摻合物各該組份之適合相對比例及組成在 上文有描述。可根據該結構内該材質之所要性質（例如，折 射率）以選擇特定組成β該聚合物-無機粒子摻合物可以是 混合物或複合物。假定已使用適當方法以形成該複合物， 則該聚合物-無機粒子複合物通常比混合物更具安定性並具 有更分散之無機粒子。此外，聚合物-無機粒子摻合物材質 -47- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)

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五 / α ;、例如，其^聚合物，例如，有機或無機聚合物粒 子及/或y非聚合物，非微粒狀性質改質劑，例如，黏度改良 劑、，$氧化劑，增塑劑，染料及諸如此類。聚合物·無機粒 子複口物亦可含不會與該無機聚合物鍵結之聚合物或含不 會與已經和孩無機粒子鍵結之該聚合物交聯之聚合物。這 些非鍵結聚合物之化學組成可或可不肖已經和該複合物無 機粒子鍵結之該聚合物相同。同樣，除了該已鍵結無機粒 子外，聚合物-無機粒子複合物可包含非鍵結無機粒子。該 非鍵結供機粒子可或可不具有與該鍵結粒子相同之性質， 例如，組成，結晶性，平均大小，大小分佈。 結構中之其它材質（群）亦可或可不是聚合物-無機粒子摻 合物。例如，該其它材質可以是聚合物或非聚合物無機材 質。明確地說，該聚合物可或可不是鄰接聚合物·無機粒子 摻合物中所使用之相同聚合物。適於加入該結構内之聚合 物包括，例如，如上述可加入該摻合物内之該聚合物。這 些不會开〉成摻合物之聚合物可以與添加物（例如，黏度改良 劑，增塑劑，抗氧化劑，染料及諸如此類）化合。當將聚合 物緊鄰聚合物-無機粒子摻合物放置時，該鄰接層中該聚合 物及無機粒子之性質通常可決定該界面之性質^就於該界 面處之其它材質而言，適合之非聚合物無機材質包括，例 如’元素金屬’金屬合金’金屬/類金屬組合物，碳材質 (例如’石墨，非晶形碳）及諸如此類《非聚合物無機材質 包括不會與線型聚合物單位共價性鍵結之結晶狀及非晶形 組合物。就光學結構之形成而言，適合之無機材質包括，

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例如，Τι02，Si02，Ge02，Al2〇3，P2〇5 , b2〇3，Te〇2 ,及 其組合物，混合物與雜摻改良物。可以在光學結構内使用 非線型光學材質[例如，氧化鋅，KTa〇3，κ(丁a，Nb)h , YV04，硫化鎘（CdS),硒化鎘（CdSe),磷化銦（Inp),鈮酸 鋰（LiNb〇3)，鈦酸鋇（BaTi〇3)]以調制該波長，例如，產生 入射光之諧波，及/或就以得自非線型功率反應之光功率為 變數之光學雙穩態或開關功用而言，其為部份光學器件所 需。可以使用雜摻劑以增加該非線型光學材質之性能。適 於以氣落膠方式傳遞至雷射熱解裝置内之鎘先質包括，例 如，CdCh及Cd(N〇3)2 ,且適於以氣溶膠方式傳遞至雷射熱 解裝置内之銦先質包括，例如，三氯化銦（InCl3)。此外， 由於會導致逆轉對稱性損失之缺陷，小結晶狀超微粒子（例 如，不超過約20毫微米）可具有非線型性質。由於該小粒子 大小，所以會增強這些對稱性斷裂效應。因此，可以使用 小超微粒子（例如，結晶狀矽）以利用非線型光學效應。就 光學應用而言，最好使用具大第二級及/或第三級電極化率 (x(2)及x(3))之材質以獲得較大光學非線型效應。 該結構内之一或多種材質可以是光學材質。更詳細地 說’可以將一或多種光學材質加入該結構内，因此該結構 可成為一種光學結構。光學結構可合併一或多種光學器件 (可使用該器件以發送或操控該結構内之光）。如文中使 用’光學材質包括可發送具選定波長之光（且可降低由於散 射及吸收之光損失）之材質。更詳細地說，就傳輸應用而 言’雖然所要材質具有明顯較低傳播損失，但是於紅外 ____ -49-____ 本紙張又度適财® ®家標準(CNS) A4規格(21GX 297公爱） "

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576931 A7 B7 五、發明説明（47 ) 線，可見光或紫外線之特定波長，光學材質之傳播損失為 在1厘米内不超過約20%。有用之光學材質可以於某些波長 處進行吸收’並於其它波長處進行發送。例如，放大器材 質可以在紫外線及/或可見光内進行吸收，並在可見光或紅 外線内進行發送。在其它具體實例中，一旦經由吸收或電 激勵激發時，光學材質可以於所要頻率發射。因此，可以 將鱗光體及諸如此類加入聚合物-無機粒子摻合物内。毫微 粒子磷光體在頒予Kumar等人，名稱為” High Luminescent Phosphors，π之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 09/843,195號（其以引用方式併於本文）中有進一步描述。在 某些具體實例中’磷光體包括主晶或基質及少量活化劑。 適以形成鱗光體之主材質包括，例如，ZnO，ZnS , Zn2Si04 , SrS，ΥΒΟ;，γ2〇3 , Al2〇3 , γ3Αΐ5〇ΐ2 及

BaMgAlH〇23。一般而言，可使用重金屬離子或稀土離子作 為活化劑。 更明確地說，在某些相關具體實例中，該聚合物-無機粒 子摻合物為光學材質。通常，可適當選擇該聚合物及該無 機粒子之組成以形成具所要光學性質之光學材質。同樣， 可選擇該粒子填充量以得到所形成該摻合物之所要光學性 質。在較佳具體實例中，該摻合物為一種在加工形成所要 結構時可以以高粒子填充量得到所要安定程度。 該聚合物-無機粒子摻合物可以提供廣範圍的折射率選 擇。經由違供機粒子與該聚合物之折射率之重量比可預測 該摻合物之折射率通常約為線性組合。在以粒子填充量為 __— _ 50 -_ I紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4現格(21Gx撕公爱)" ' 576931

變數ι折射率依存性中之任何非線性在實驗上係根據該折 射率之測定值說明。為了形成高折射率材質，通常使用高 粒子填充量之同樣可獲得高折射率之所選擇該無機粒子。 因此，該純聚合物通常可以提供該摻合物所要之折射率下 限。以粒子填充量為變數之摻合物之該折射率上限為最高 粒子填充量之該折射率值。明確地說，Ti〇2之高折射率值 範圍通常為約2.5至約2·9。例如，InP及其它磷化物之折射 率大於3。Si〇2通常具有約ι·45至約ι·5之相當低折射率。 適合之聚合物通常具有約丨·3至約丨·6之低折射率。因此， 可以形成折射率至高2.7或更高之聚合物-無機粒子摻合 物。由於在聚合物·無機粒子摻合物與聚合物或另外聚合 物·無機粒子摻合物之間具有界面，所以該折射率之差異可 '訂

以如所需同樣小，或在某些具體實例中，該差異為〇 〇〇1至 約1.5或更高。 相對於使用大無機粒子之對應摻合物之光學性質，在該 捧合物内使用超微粒子之優點為該光學材質具較高透明性 及光散射減少。超微粒子尤其可減少該電磁波譜紅外線部 份（其包括約0.8微米至約5.0微米之波長）之散射現象。因 此’使用該超微粒子所形成聚合物-無機粒子摻合物同樣具 有較低散射現象。 就該聚合物-無機粒子材質為光學材質之具體實例而言， 於該界面處之該鄰接材質亦可以是光學材質，因此可形成 光學界面。於該界面處的另一種光學材質可以是聚合物， 聚合物-無機粒子摻合物或均勾無機材質。尤其可使用聚合 ______ -51 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 __— —_B7 五、發明説明（49 ) 物以形成低折射率材質。可使用聚合物_無機粒子摻合物以 加入於該界面處各該材質間之所要折射率差異並使該第二 種材質得到所要光學性質。適合之均句無機材質包括，例 如，光學玻璃，例如，矽石玻璃及雜摻矽石玻璃；及結晶 狀或多晶狀材質，例如，石英β 通常可選擇於該界面處這兩種材質間之折射率差異以形 成加入該結構之所要器件。通常，該折射率差異為至少約 0.0025 ’在其它具體實例中，至少約〇 〇〇5，且在另外具體 實例中，至少約〇·01。在某些具體實例中，相當小之差異 足以限制該光並可控制該傳播方式。在其它具體實例中， 使用折射率之較大差異以獲得所要官能性質。因此，這兩 種材質間之該折射率值之差異較佳為至少約〇 〇5 ,在另外 具體實例中，至少約〇.〖，在其它具體實例中，約〇 2至約 2.5 ’且在又另外具體實例中，約〇·5至約2 〇。熟悉本技藝 的一般人瞭解亦涵蓋這些詳述差異間之折射率值差異之其 它值，且其屬於本發明範圍。 可以以各該材質間之逐漸或連續變化形成具不同折射率 之兩種材質間之轉變。該反射作用為於界面處兩種材質間 該折射率差異之函數。可以使用熟知光學調配物計算具有 不同折射率之兩種光學材質間之界面之傳輸及反射估計 值。由於就該折射率差異而言，該函數具非線性（亦即，二 次形式），所以可以減少或去除由於該界面處反射所致之損 失。就折射率有很大差異之兩種材質間之躍遷而言，該反 射之減少特別重要。 __- 52 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 ___ B7 五、發明説明（5〇 ) 可以使用該光學界面以形成具簡單或複雜結構及/或官能 性質之光學器件。例如，可以使用該聚合物-無機粒子摻合 物以形成被動光學器件’例如，波導管/光學通道，偶合器 /分流器及諸如此類。該聚合物-無機粒子換合物可用於該 核心及/或該器件之包層❹例如，該波導器及諸如此類可以 在光纖内或平面光學結構上。參考圖4，波導管140之核心 142經由包層144包圍。通常，核心142之折射率高於包層 14 4之折if率，因此可經由總内反射將光限制在該核心内。 可以選擇該折射率差異以限制特定波長之光之傳輸方式。 若該核心及包層皆自聚合物-無機粒子摻合物形成，可經由 選擇该粒子填充f ’該聚合物組成及/或該無機粒子之組成 及其它性質以調整該折射率差異。參考圖5及圖6，係表示 偶合器/分流器146，其核心148經由包層150包圍。垂直於 該傳播方向之該核心之適合維數係取決於該光之折射率及 波長。然而，通常，通過波導管橫截面之該維數在該光波 長之一數量級内。因此，就大部份光學應用而言，該光通 道之維數小於約1 0微米。 在光學結構之平面體具體實例中，波導管及同等元件（例 如，在圖4-6中所述及者）通常在基板上具有成層結構。在 這些具體實例中，可以使用聚合物-無機粒子摻合物作為核 心頂部上之上包層及/或均勻無機光學材質（例如，矽石玻 璃）之下包層以形成一種非熱波導管。更詳細地說，若所選 擇該聚合物·無機粒子摻合物之折射率可解釋由於熱應力存 在致使該結構内之折射率改變，則該聚合物-無機粒子摻合 _ -53- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 五 A7 B7 發明説明（51 ) 物之存在可彌補該結構内熱應力之損失。 可以將該聚合物-無機粒子摻合物及具有第二材質之對應 界面加入相關器件内。適合之器件可以是光學器件。可以 使用聚合物-無機粒子摻合物所形成之器件包括，例如，互 ，器，反射器，顯示器，微_電機結構（MEMS)，可調濾波 益及光學開關。例如，可以將MEMS結構併至光學器件内 以調整各組件間之距離。如下述’其它相關器件之折射率 具有週期性變化。 圖7A及7B係描述低損失互連器。爹亏圖7A，互連器i5i 疋包層153内包含核^ 152。核心152連接第—種高折射率 材質154及第二種折射率材質155。核心152尚含互連轉變 _。互連轉變器156包含一或多層157(其折射率介於該 弟-材質154與第二材質155之折射率值之間）。層157之折 射率f逐漸，單調的轉變，其中朝第_材質154方向之折射 率愈rsj而朝第一材負155方向之折射率愈低。可選擇各該 層之厚度及層數以減少由於第一材質⑸與第二材質155間 之穿透光反射所致任意小值之損失。經由製造更小的各該 層並增加㈣數’可以使互連轉變器之折射率接近連續轉 變’且對損失接近零。可以自聚合物·無機粒子掺合物形成 互連轉變心6。雖然亦可以經由改變該聚合物及/或無機 粒子之組成以改變該折射率，但是最好㈣改變該粒子填 无量以逐步万式或連續方式改變該折射率材質"I及 第二材Γ/Γ以各A光學聚合物，聚合物·無機粒子掺合 物或稠密無機光學材質，例如，雜摻氧Μ玻璃。

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k -54- 576931 A7 广 _______B7 五、發明説明（52 ) 隨著折射率之變化，不必改變該光之傳播，即可改變波 導管該核心區域（纖維或平面）之適合截面積。更詳細地 說’隨著折射率之增加，可製成更薄及/或更窄之該核心。 然後可連同該折射率之變化逐漸或逐步改變該互連器之大 小。參考圖7B，互連器核心131在高折射率核心133與低折 射率核心13 5之間連接。如圖7 B所示，互連器核心13 1之厚 度自較薄尺寸之鄰接高折射率核心133至較厚尺寸之鄰接低 折射率核心13 5逐漸變小，其因此比低折射率核心丨3 3還 薄。該折射率可以以連續或逐步方式改變。同樣，在另外 具體實例中’該互連器核心13 1之厚度可逐步改變。可以自 具有相同折射率之相同材質或具對應不同折射率之不同材 貝形成互連器包層137 ,較薄包層139 ,較厚包層141。可 以以逐步或連續方式改變互連器包層137之厚度及/或折射 率。 此外，可以使用該聚合物·無機粒子摻合物作為兩種不同 光學材質間之黏著劑。可以在應用該摻合物作為兩種材質 間之互連器後芫成該聚合反應及/或交聯作用。該聚合反應 /交聯作用之完成可在物理上連接這兩種材質，並得到一種 連續光學程。如文中所述，可以選擇該聚合物·無機粒子摻 合物之折射率以大約配合其它材質以減少該損失。由於高 有用的粒子填充量，該光學黏著劑可具有高折射率。可以 僅添加聚合物，或低折射率聚合物·無機粒子摻合物作為包 層，其在使用後可聚合或交聯以進一步協助各該材質之物 理性結合。此種具體實例在圖8中有表示。核心黏著劑i6i ___ -55- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) "一 --

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576931 A7 _______B7 __ 五、發明説明（53 ) ' "^ 及包層黏著劑163可連接第一光學導管165及第二光學導管 167。核心黏著劑161含有聚合物-無機粒子摻合物。 因為該核心之折射率比該圍繞的包層之折射率還高，所 以由於總内反射，光通常可經由波導管穿透。若該核心與 包層間之该折射率差異不足以限制該核心内彎曲部該入射 角之光，由於該核心之彎曲，所以會有損失現象。若該核 心與該包層之折射率差異較大，該核心中可以有更急的彎 曲部，且不會使光學傳輸性遭受損失。如上述，可以形成 具有相當高折射率之該聚合物-無機粒子摻合物，因此該核 心與包層之折射率可以有較大差異。可以使用習用光學配 方評估適合彎曲度。因此，相對於包含具較低可得折射率 之材質之彎曲部而言，可以獲得具更大角度之彎曲部。彎 曲部在圖9中有描述。核心171經由包層173圍繞。可根據該 折射率之差異選擇該彎曲部175之角度以得到無損失或可接 受的小損失現象。可以使用更銳利角度之反應器/彎曲部以 形成呈較小腳印之光學器件。 適合的顯示器包括，例如，反射型顯示器。在某些具體 實例中’該聚合物-無機粒子摻合物可取代聚合物分散性液 晶顯示器内之習用聚合物。經由選擇該聚合物-無機粒子摻 合物之所要折射率，可以使該折射率更配合該鄰接材質， 因此較不會發生不想要的反射現象。由於不想要的反射現 象較少，所以該顯示器元件可具有更鮮明的影像。聚合物 分散性液晶顯示器之一般性質在頒予Fukao等人，名稱為 "Polymer-Dispersed Liquid Crystal Composition And Liquid _— __-56-__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) '~ 576931 A7

Crystal Display Elements Using The C〇mposition，..之美國專 利第6,2 11，931號（其以引用方式併於本文）中有進一步护 述。 田 聚合物-分散性液晶顯示器之一部份具體實例顯示在圖1〇 中。顯π器160具有第一元件162及第二元件164。各元件 具有主間隔分開構型之透明電極丨66及透明相對電極1。 可以自，例如，氧化錫銦形成透明電極。外透明罩丨7〇覆蓄 該顯示器160之視側。黑色吸收層i 72位於與透明罩丨7〇相 反位置之顯示器160側邊上之透明相對電極丨68前方。聚合 物-無機粒子摻合物174位於透明電極166與透明相對電極 168之間。液晶微滴176分散在摻合物174内。液晶微滴176 可以是微膠囊或位於該摻合物之空隙内。液晶微滴可包含 液晶，例如，以氰基聯苯為主之液晶（由Merck公司製成）且 可包含染料。 連接電極166，168以控制選擇性應用電極166，168之電 流所需之電路178，藉以產生透明電極166與透明相對電極 168間之電場。如元件162中所示，當未施加電流時，該液 晶可無規定位，因此經由透明罩17 〇進來之光會散射，且元 件162具有取決於該染料之顏色1當施加電場時，如元件 164所示，該液晶排成一列，因此更多光穿透至黑色吸收層 172，且該元件變暗或關閉。因此，當未施加電時，自全部 各該元件之反射作用，使該顯示器看起來像呈白色。若該 聚合物-無機粒子摻合物之折射率接近該液晶微滴之折射 率，則當施加電時，可以穿透更大量之光至該黑色吸收 -57- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐)

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576931 A7 B7 五、發明説明（55 ) 層，因此已關閉的元件變得更暗，亦即，開著與關著元件 間之對比更大。 尤其在光學應用方面，可以將該聚合物-無機粒子摻合物 加入微電機系統（MEMS)内，其亦可涵蓋非光學應用。為 方便起見，微電機系統通常亦兼指微米規模系統及次微米 規模系統，超微電機系統。MEMS系統通常包括可偏轉以 回應外施刺激（例如，電場，磁場或熱變化）之微致動器。 例如，當施加電場時，壓電晶體會接受應變，因此，與該 電場之大小有關之形變會產生。適合之壓電材質包括，例 如，石英，鈦酸鋇，锆酸鉛，鈦酸鉛，聚氟亞乙埽。同 樣，可以使用順磁材質，其可以經設計在，例如，電磁體 之磁場中可偏轉。可以自熱膨脹係數不同之各材質間之界 面形成以熱為主之致動器。 可以將该聚合物-無機粒子加入該致動器元件中及/或加 入具有實用性質（例如，所要光學性質）之該致動器之分機 内。更詳細地說，一種聚合物-無機粒子摻合物之元件可以 自MEMS致動器延伸，其中該元件可作為鏡子或透鏡。可 以將以致動器為主之光學元件加入光學器件（例如，可調滤 波器或可調雷射）内。這些結構呈以下各圖之型式進一步討 論。就可併入該致動器元件本身而言，該聚合物及/或該無 機粒子可以具致動器功能性。明確地說，該聚合物及/或該 無機粒子可以是壓電材質，順磁材質或具有所要熱膨脹係 數之材質。同樣，該材質可具有能併入光學器件内之所要 光學性質以作為可移動光學元件。 -58- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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k 576931 A7 B7 五、發明説明（56 ) 圖11表示一種可調式垂直空腔表面發射雷射（VCSEL)。 雷射190包含具底部鏡194之基板192。頂部鏡196安裝在膜 片198(其可以自壓電材質形成）上。膜片198安裝在支柱 200上。電極202位於該基板192之上表面上。膜片198及電 極202與適合的電源204及可變電阻206連接。膜片198及電 極202可形成已加入該可調雷射内之部份MEMS裝置。該鏡 194與196之距離可決定該雷射之頻率。可經由使用可變電 阻206提梃選擇電流量以調整該頂部鏡196之位置。由於膜 片198係自壓電材質製成，根據該處施加電流量，膜片198 可形變至特定程度。可經由頂部鏡196供應泵脈衝至該雷射 腔内。該經由底鏡194對應發射之波長係取決於該頂部鏡 196之位置。波模m之該產生雷射之波長由λ m = 2 nL/m表 示，其中η為該雷射腔内之折射率，而L為各該鏡間之距 離。該峰值增益亦與各該鏡間之距離有連帶關係。該 VCSELs之一般結構在，例如，頒予Kiely等人，名稱為 ,f Semiconductor Laser Device And Method Of Manufacture," 之美國專利第6,160,830號（其以引用方式併於本文）中有進 一步描述。 在可調式垂直空腔表面發散雷射190中，一或多種組件可 以自該聚合物-無機粒子摻合物製成。更詳細地說，膜片 198及/或頂部鏡196可以自文中所述之摻合物形成。可以選 擇頂部鏡196之折射率以產生該所要光學性質。而且，膜片 198可以自聚合物-無機粒子摻合物形成，其中該聚合物及/ 或該無機粒子具有壓電性質，因此，施加電流至各該電極 -59- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 ________B7_ .__ 五、發明説明（57 ) 可導致膜片198形變。此外（或者），雷射丨9〇之一或更多種 其它組件可以自該摻合物形成。 可使用波長選擇組件以進行網路内之波長劃碼多工以增 加頻寬。適合之分散元件包括，例如，繞射光柵，棱鏡及 諸如此類。一列波導光柵為另一種相關的波長選擇組件。 一列波導光柵包含兩個偶合器及一列波導通道，其中該波 導通道列之各側上皆各有一個偶合器。該波導光柵列之一 般原則在頒予 Dragone，名稱為，，Optical Multiplexer/ Demultiplexer，"之美國專利第5,〇〇2,3 50號（該案以引用方式 併於本文中）内有進一步描述。 圖1 2表示一列波導光柵之具體實例。排列狀波導光柵210 包含偶合器212，214及一列波導管216。偶合器212可以使 輸入信號與列陣216偶合。該列陣216之波導管可以於偶合 器212處強烈偶合。偶合器尚與輸入波導管218連接。在一 項具體實例中，偶合器212可以使列陣216及輸入波導管 218之個別波導管核心及輸入波導器218與具均勻折射率之 列陣波導管216間之空隙增寬，因此信號可以自該形體偶 合。在某些具體實例中，偶合器212包含可通往列陣216各 波導管之加寬的光學通道220。 波導管列陣2 16含有多個彼此具不同長度之波導管226。長 度之差異可以使經由該波導管穿透之該光信號產生相移。 可以選擇該長度之差異以在偶合器214之特定波長光線之間 產生所要干擾。於偶合器214之該干擾現象可以使不同波長 之光產生空間分離。可以使該光之不同波長集中於不同空 -60- ___ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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576931 A7 B7 五、發明説明（58 ) 間性取代之輸出波導管224。 更詳細地說’列陣216之波導管亦於偶合器214處強烈偶 合。偶合器2 14可包含自列陣216之波導管導引之變寬光學 通道222。該變寬光學通道222可以呈弧形排列，因此來自 各波導管之信號會干擾。偶合器214尚可包括空間性取代之 輸出波導管224 ’其空間分離作用為得自該干擾信號（其係 得自穿透過不同輸出波導管224之列陣2 16)之該波譜不同頻 率部份之>、因。 雖然圖1 2表示具有5個波導管之具體實例，但是亦可以使 用其它數量之波導管。一般而言，該波導管數及各該波導 管長度之差異可測定該波長分裂信號之光譜分辨力。可以 將活性元件加入該列波導管光柵内以調整該光譜去偶合 性。例如，可以將電活性材質及對應電極加入該列陣216之 一或多個波導管内。活性元件在一列波導管光柵内之用途 在頒予 Stone，名稱為 ’’Tunable Silicon Based Optical Router，，·之美國專利第5,515,460號（該案以引用方式併於本 文内）中有進一步描述。該列波導光柵之一或多個該元件可 含有聚合物·無機粒子摻合物。例如，該波導管列陣之波導 管核心可以是聚合物-無機粒子摻合物。可以選擇該折射 率，因此可以將最好的路徑長度差異導至該波導管列陣 内。 同樣，可以使用聚合物-無機粒子摻合物形成光學開關 器。圖1 3及1 4表示具3個光學開關232之平面光學結構 230。若需要，可以將少數光學開關’額外光學開關器及/ -61 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（S9 ) 或其它積體光學器件加入該結構内。為方便起見，圖中並 未顯示包層。光學開關232包含核心234及開關元件236。 開關元件236含有具熱-光學性之聚合物-無機粒子摻合物。 如圖1 3所示，可設定開關元件236之溫度以調整該聚合物-無機粒子摻合物之折射率，因此該波導管内之光並未穿 透，所以該開關器關閉。一般而言，可以選擇開關元件236 之溫度以開啟並關閉該開關器，因此可控制光經由該開關 器傳輸。_如圖1 4所示，熱元件238 (例如，電阻性加熱器或 冷卻元件）之位置接近開關元件236。使用熱元件238以控制 鄰接開關元件236之溫度，因此可經由控制該開關元件236 之折射率以開啟及關閉該開關器。開關元件236内之該聚合 物-無機粒子摻合物可包括具熱-光學性之聚合物及/或無機 粒子。部份聚合物之折射率會隨著溫度增加而有大的負變 化。適合的聚合物包括，例如，函化聚碎氧统，聚丙晞酸 酯，聚醯亞胺，聚碳酸酯。適合之熱-光學性無機材質包 括，例如，石英。 圖1 5表示一種交叉連接之光學開關器。如圖1 5所示，交 叉連接光學開關器250具有兩個開關元件252。若需要，該 結構可包括額外開關元件及/或與其它光學器件統合之元 件。開關元件250可包含熱-光學性，電-光學性或磁-光學 性材質。若需要，可以將適合之電極，電磁體或熱元件適 當地置於接近該開關元件252處以控制該開關元件250之折 射率。光路徑以某一角度照在開關元件250。若需要，可以 選擇各開關元件之折射率以穿透或反射大部份該光線。 -62- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 B7 五、發明説明（6〇 ) 在某些具體實例中，結構具有加入聚合物-無機粒子摻合 物（例如，聚合物-無機粒子複合物）之週期性構成物。該結 構之組成具週期性及/或該結構具呈一維，二維或三維之性 質，例如，光學性質。參考圖16，結構254具有基板256 (其具有4個含聚合物-無機粒子摻合物之週期性間隔之棒狀 物258)。就其中棒狀物258為光學材質之具體實例而言，週 期性間隔之棒狀物258會使折射率產生週期性變化。雖然其 它具體實、在下文有描述，一般而言，棒狀物258包含相同 材質，因此其互相具有相同折射率。如圖1 6所示，空氣或 .其它氣體可充滿棒狀物258間之空間以作為第二種材質，其 會在該聚合物-無機粒子基材與該氣體之間形成週期性界 面。 通常，可經由將週期性光學材質包埋在較大結構内以控 制光傳輸。參考圖17，其係表示一種3層光學結構260，其 中這3層之隱藏結構以長劃線表示。結構260包括第一層 262，第二層264及第三層266。第二層264包括週期性分隔 的光學材質268(其含聚合物-無機粒子摻合物）區。另一種 光學材質270位於週期性區268之間。以虛線表示之光學通 道272，274自該週期性分隔區以任一方向延伸。光學材質 270可或可不是與光學通道272，274内該光學材質相同之 材質。光學通道272，274約沿著與該區268之週期性垂直 之軸導向。光學通道272，274可作為波導管或諸如此類。 可根據該週期性區268，270及光學通道272，274之所要功 能，選擇全部該材質之折射率。 _-63-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 B7 五、發明説明（61 ) 參考圖1 8，光學結構280具有含交替光學元件284，286 之二維週期性列陣282。光學元件284至少含一種聚合物-無 機粒子摻合物。如圖1 8所示，另一種凝聚相光學材質288 (例如，圍繞的核心材質）約位於光學元件284與286之間及 周圍。在某些具體實例中，光學元件286及/或光學材質288 可以是一種氣體。該元件286之光學材質可以與光學材質 288相同或不同。在一些相關具體實例中，可以將光學結構 280及額外材質及或容器（例如，具層262，層264，層266 及光學通道270之結構260)包埋在較大超結構内。同樣，圖 19係表示具三維週期性之光學結構290。光學結構290具有 含光學元件292，294之三維週期性列陣。光學元件292至 少包含聚合物-無機粒子摻合物。光學元件294位於光學元 件292之間及周圍，因此，折射率之週期性變化會形成3維 結構◊可以自與光學元件292中之該材質不同之聚合物-無 機粒子摻合物或自不同種類之光學材質形成光學元件294。 可以自與包圍的光學材質（其可以將該週期性光學結構併入 包埋該週期光學結構290之較大光學結構内）相同之光學材 質形成光學元件294。 為方便起見，圖1 6 - 1 9係表示，具3或4種元件之該週期 結構。在另外具體實例中，可以選擇該週期性結構之各維 中之元件數以獲得所要光學效應。該週期性結構之光學效 應通常取決於該週期性結構内該材質之光學性質（更詳細地 說，該週期性結構各該元件間之該界面處之折射率差異）。 更明確地說，雖然該週期性結構内這兩種交替光學材質皆 -64- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 B7

可含有聚合物-無機粒子摻合物（其鄰接元件具有不同組成 及/或粒子填充量），但是該週期性結構之光學性質係取決 於含聚合物-無機粒子材質之該週期性元件與含該聚合物_ 供機粒子摻合物之各該元件間之該材質之間的折射率差 異。通常，該週期性結構之該週期内具有至少兩種元件， 在另外具體實例中，在該週期内具至少約3種元件，在其它 具體實例中，在該週期内具有至少5種元件，在另外具體實 例中，具'有2至約1〇00種元件，其其它具體實例中，具有 10至約250種元件，在又其它具體實例中，具有2〇至1〇〇種 元件。熟悉本技藝的一般人瞭解這些詳述範圍内之其它範 圍亦涵蓋於本發明，且亦屬於本發明範圍。一般而言，就 某些相關器件（其結構内之折射率具週期性變化）而言，於 光學界面處之折射率差異愈大會使該結構内需要較少週期 性元件以獲得所要光學效應。一般而言，該週期於其上重 覆之距離為至少約1 0毫微米，在另外具體實例中，至少約 20毫微米，在其它具體實例中，至少約5〇亳微米，在其它 具體實例中，至少約2 〇毫微米至約1 〇微米，在另外具體實 例中，約5 0亳微米至約1微米。熟悉本技藝的一般人瞭解 這些詳述範圍内之其它範圍亦涵蓋於本發明内，且其亦屬 於本發明範圍。 如圖1 6 - 1 9所示，該折射率以逐步的方式在該週期性結 構内自一個值至另一個值不等。然而，經由改變粒子填充 量及/或使用不同無機粒子組合物，折射率可以連續或漸進 的逐步變化。相對於在折射率之上限與下限間之逐步變 _______-65- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 576931 A7 B7 五、發明説明（63 化’折射率之漸進逐步變化可具有所要光學性質^可以使 用此種在折射率選擇之多用途以接近以距離為變數之折射 率的所要連續功用，其方法為，例如，經由在該週期性結 構内利用許多逐步變化◊更詳細地說，折射率較佳具有約 正弦變化。已預期不需要任何較高階之諧波，此種結構即 可產生單一反射尖峰。具只由少數（較佳僅一個）諧波組成 之折射率分佈之真實空間結構會產生只含有少數（或較佳僅 一個）尖峰之反射光譜。該折射率正弦變化之幅度及波長之 調整可分別影響該光與該堆疊物（結構）互相作用之強度及 該光之波長與該堆疊物互相作用之強度。 參考圖2 0 ,週期性結構296之折射率呈週期性變化（折射 率呈逐步變化）。該折射率之逐步變化接近正弦變化。可以 在以沿著圖2 1該結構之距離”d”）為變數對折射率（n)所作 之圖瞭解該週期性及該逐步變化。可以選擇各週期中之階 數及該週期數以獲得所要光學效應。若需要，可以將結構 296加入較大超結構内。此外，可以將折射率以類似逐步變 化加入二維及三維週期性結構内。 光學結構内之折射率週期性變化可稱為光柵（丨-維性）或 光子晶體（1-維性，2-維性或3-維性）。可以使用這些器件 以形成各種光學器件。因此，可以使折射率形成這些週期 性變化之作用提供一種形成積體光學器件之有效方法。可 選擇該折射率以使器件設計之彈性增加。更明確地說，使 用有效的加工方法，可形成具折射率差異大之界面，因此 可形成較小器件。 -66 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)

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k 576931 A7 B7 五、發明説明（64 ) 可以使用，例如，呈一種型式之週期性折射率變化以形 成具有各種光學應用之布拉格（Bragg)光柵。更明確地說， 可以使用，例如，布拉格光柵以形成光學鏡及光學帶通濾 光器或干擾濾光器。通常，經由光學材質穿透之光透過折 射率之變化時，可穿透一部份該光線並反射一部份該光 線。若該折射率之變化具週期性，則該光線之相對透射量 及反射量取決於折射率差異，該週期性元件之數量及該光 線之波長'。可調整該折射率差異及該週期性元件數以穿透 並反射所要該光譜部份。鏡子可反射所要該光譜部份。可 以將該光柵加入其它結構（例如，雷射及諸如此類）内。 根據該光柵元件數及該光柵各該元件間之折射率差異布 拉格光柵可選擇性穿透光波長。布拉格光柵可反射某些頻 率，並穿透其它頻率。可使用聚合物-無機粒子摻合物以作 為該光栅之一或多種組件。經由加入一種摻合物（其折射率 取決於電場或溫度），可製成可調式濾光器。以光柵參數為 變數之透射及反射波長間之關係在頒予Dong，名稱為 ’•Asymmetric Low Dispersion Bragg Grating Filter，’·之美國 專利第6,278,8 17號（該案以引用方式併於本文内中）中有進 一步描述。 圖22表示一種具有聚合物-無機粒子掺合物之可調式布拉 格光柵濾光器具體實例。濾光器3 10包括配置低折射率材質 314之3層聚合物-無機粒子摻合物層312。層312中之該聚 合物-無機粒子摻合物可作為電-光學材質，其中該折射率 隨電場之施加而不同。低折射率材質3 14可以是空間，低折 -67- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 B7 五、發明説明（65 )

裝. 射率聚合物，低折射率聚合物-無機粒子摻合物或其它低折 射率材質。若需要可以使用透明基板3 16以承載該濾光器。 在某些實例中，可以使用隔片318以隔離各層312。可以使 用電極320，322以供應電場。電極320，322與電源324連 接，其可以使電極320，322得到可變電壓，以產生所要可 調性。更詳細地說，該層312之折射率隨著電場之施加而不 同，而該濾光器之功用取決於該層312之折射率。雖然圖 1 9所示該具體實例具有3種具高/低折射率之交替折射率元 件，但是可以在該光柵内使用更多元件以獲得所要濾光性 質。該光柵之高折射率組件及低折射率組件間之大折射率 差異使該濾光器内需要較少光柵元件以在該濾光作用上獲 得等效解像力。

就層312中之聚合物-無機粒子摻合物而言，該聚合物及/ 或該無機粒子可具有取決於電場之折射率。適合之電-光學 無機材質包含，例如，經鑭摻雜之多晶狀鈦锆酸鉛，鉬酸 鋰（LiNb03)，KTa03，LiTa03，BaTi03，AgGaS2，ZnGeP2 及其組合物與摻雜組合物。適合之電-光學聚合物包括，例 如，具已溶發色團之聚醯亞胺。其它電-光學聚合物在頒予 Chan 等人，名稱為"Organic Photochromic Compositions And Method For Fabrication Of Polymer Waveguides，” 之美 國專利第6,091,879號（該案以引用方式併於本文内）内有描 述。可以在該聚合物-無機粒子摻合物内使用熱-光學材質 (該材質同樣具熱受控性）以獲得類似可調性。 可以自兩個布拉格光柵（其可形成該雷射腔之各該部份鏡） _-68-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 B7 五、發明説明（66 ) 形成雷射。泵射束可驅動該雷射。可以在光纖内形成此種 布拉格光柵雷射，或此種布拉格光柵雷射可以成為平面光 學結構之一部份。以布拉格光柵為主之雷射在，例如，頒 予DiGiovanni等人，名稱為'’Article Comprising An Optical

Fiber Laser，，’之美國專利第5,237,576號（該案以引用方式併 於本文内）中有進一步描述。 圖2 3表示一種使用布拉格光柵所形成之雷射具體實例。 雷射340包括具有布拉格光柵344，346放大器材質348之光 學通道342及第二光學路徑3 50。光學通道342通常為一種 核心，其在纖維或在平面結構内經由包層包圍。布拉格光 柵344，346之折射率具有週期性變化。因此，如上述，可 以加入聚合物-無機粒子。可以選擇該光柵之特性以反射並 透射該雷射功用所需之特定波長《布拉格光柵344，346可 形成雷射腔352之邊界。該雷射腔之大小可決定該雷射發射 之模式/波長。放大材質348位於雷射腔352内。放大材質 348與第二光學通道350光學性連接。放大材質348包括可 吸收放大器波長（其波長比該雷射波長還短）之光。一般而 言’該放大器波長在紫外線範圍内。適合之放大器材質包 括，例如，稀土雜摻非晶形粒子。該稀土雜摻非晶形粒子 之製法在例如，頒予Horne等人，名稱為"D〇ped GUss Materials，··之同在申請中且通稱為美國專利申請案第 6〇/3 13,588號（該案以引用方式併於本文内）中有描述。可以 將這些粒子加入聚合物-無機粒子摻合物内。 經由波導管342使泵射束集中至該雷射内。該泵射束通常 --------- 本紙張尺度適用中@國豕標準(CNS) A4規格(㈣χ 29?公董) - 576931 A7 B7 五、發明説明（67 ) 在該光譜之可見光部份或紅外線部份。一部份該栗射束可 進入^雷射腔内。放大射束可經由第二光學路徑通往放 大材質348。可經由紫外線源（例如，紫外線雷射）或非雷射 光源供應違放大射束。經由該栗射束使該放大器材質產生 受激放射可以將得自該放大射束之能量導至該雷射輸出管 内0 具有折射率呈一維，二維或三維之週期性變化之晶格被 稱為光子帶隙結構或光子晶體。光子晶體已被稱為電子半 導體之光子類似體。光子晶體可提供一種頻率隙，其涵蓋 不能夠往任何波向量（亦即，任何方向）傳播之一列電磁輻 射之頻率（其包括，自發射）。可以將光線導至光子晶體 内，其方法為以某一種角度施加光線至該週期性晶格内。 該頻率隙取決於，例如，單位晶胞大小，該週期性結構之 結晶學導向，該折射率（其包括該晶格不同材質間之折射率 差異）及其它光學性質。通常，光子晶體之週期性材質間之 該折射率差異為至少約〇.丨折射率單位，在其它具體實例 中，至少約0.2折射率單位，在另外具體實例中，至少約 0.5折射率單位，在其它具體實例中，約〇·2至約2折射率單 位，在一些其它具體實例中，約〇·5至約丨5折射率單位。 熟悉本技藝的一般人瞭解亦涵蓋這些詳述範圍内之其它範 圍，且其亦在本揭示内容範圍内。通常，該光子晶格之維 數與該譜帶間隙波長之數量級相同。 可以將缺陷導入該光子晶體内以使該禁帶隙内能夠產生 電磁傳播。茲缺陷導入步驟會破壞對稱性，因此會干擾該 •70- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規‘(21〇X 297公爱)

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576931 A7 B7 五、發明説明（68 ) 週期性。更詳細地說，就元件之大小，位置及/或光學性質 而言，缺陷可以是該週期性結構内之變化。適合之缺陷可 以選擇性傳播波長。缺陷可以自加工方法之公差限制產生 或其可以被故意導入。因此，可以使用具選別缺陷之該光 子晶體作為濾光片，開關器，放大器，雷射及諸如此類。 通常，光子晶體包含折射率差異為2或更高之折射率單位。 一維性光子晶體之光子帶隙之評估在頒予Todori等人，名 稱為,f Optical Functional Element Comprising Photonic Crystal,”之美國專利第6,002,522號（該案以引用方式併於本 文内）中有描述。可以將該聚合物-無機粒子摻合物加入週 期性光學結構（其晶格之不同材質之折射率大不同）。可以 如文中所述形成用以製成光子晶體之週期性光學結構。可 經由改變該週期性結構以導入缺陷。更詳細地說，若該折 射率之差異夠大，則可以使用上述該週期性結構作為光學 結構内之光子晶體。 可以使用該週期性結構（例如，光子晶體）以形成吸光結 構，例如，天線及太陽能電池。在這些結構内，可以將吸 光性電子施體（例如，光導聚合物，例如，雜摻聚伸苯基伸 乙晞基）放置在該聚合物-無機粒子摻合物（其具有可作為電 子接受材質之之組成）旁邊。如頒予Matthews等人，名稱為 ”Apparatus For Sorting Objects According To Size，’·之美國 專利第5,413,226號（該案以引用方式併於本文内），該摻合 物内之該無機粒子可以是，例如，富樂佘（fullerenes )，其 它碳超微粒子或具可接受該電子之電子電洞之半導體材 -71 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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576931 A7 B7 五、發明説明（69 ) 質，例如，微米大小之矽粒子。電極放置在該電子施體及 電子受體材質周圍。若以一個電極覆蓋一個表面，則該電 極可以是透明電極，例如，氧化錫銦。太陽能電池結構在 頒予Kambe等人，名稱為”Solar Cells，·’之美國專利第 5,986,206號（該案以引用方式併於本文内）内有進一步描 述。 除了週期性結構外，可以使用具有準週期性或準結晶性 結構之聚"合物-無機粒子摻合物以形成光學結構。準結晶結 構可以是呈一維，二維或三維型式之準週期性結構。準週 期性一維光學結構在頒予Merlin等人，名稱為”(^1^5^ Periodic Layered Structures，"之美國專利第 4,955,692 號（該 案以引用方式併於本文内）有描述。在這些準週期性光學結 構内，可根據具以下規律（A ; AB ; ΑΒΑ ; ABAAB ; ΑΒΑΑΒΑΒΑ ; ΑΒΑΑΒΑΒΑΑΒΑΑΒ 等等）之Fibonacci 系列將 具兩種不同光學材質（其具不同折射率）之各層排序。A與B 表示特定光學成層結構。可評估任何所形成該光學結構之 該傅立葉（Fourier)光譜。就這些及其它準週期性結構而 言，可使用現有電腦塑造方法塑造光學器件之光學性質。 將複合物製成結構之方法 一般而言，可以使用聚合物加工所發展之方法使該聚合 物-無機粒子摻合物經加工處理。在選擇適於摻合物之該加 工方法時，可適當考慮特定摻合物之物理性質以及所形成 結構之所要型式。雖然特定性質可能只與某些方法有關， 但是相關物理性質包括，例如，黏度，溶解性，流動溫 -72- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 B7 五、發明説明（

度’安㈣。更料地說，該聚合物.無機粒子摻合物形成 後，更進-步處理該摻合物以方便貯存及/或形成所要結 構。形成該摻合物後，其額外之加工處理步驟可或可不在 溶劑中進行。《合物·無機粒予冑合物之加工法.可以盘該 聚合物-無機粒子混合物之加工方法不同。更詳細地說，當 孩聚合物.無機粒子混合物之加工需要維持該粒子分佈在該 聚合物内，純合物更具钱性。該聚合物·錢粒子換合 物之加工法可以與使用其它材質以形成界面及加入該聚合 物-無機粒子摻合物之結構之其它組件之加工方法配合。 】可以使用聚合物加工方法使該掺合物經模製，擠製，鑄 製或其它方法加工以形成各種材質形^此外可以使用 :落劑為主之漿體，旋塗法或諸如此類塗覆該摻合物以形 成該複合物塗層。形成該塗層後，可移除任何溶劑。同 樣，：論是否在該塗佈法中使用溶劑/分散劑，塗佈後可以 使該交一聯劑交聯。因此，該固化法可包括溶劑/分散劑移除 ^或叉聯作用’例如’熱交聯’使用紫外線或電子束進行 乂聯’或經由添加自由基引起劑以進行交聯。可使用遮掩 万法以建構該塗層。此外’如下文進—步所述，自裝配方 :可利用該複合物各該組份之性質以幫助在基板上形成該 :構尤其週期性結構。只要是使用自裝配’該自裝配方 '可合併定域料（該方法顿蓋樣板以作為該自裝配方法 <邊界）。 人、‘中A方便&見，該g合物-無機粒子掺合物係指該鍵 。辨機粒子及聚合物/單體材質，且其可以呈溶液，分散 ------73- 本紙張尺度^^家標準(CNsTHii^21〇X297公釐)

576931 A7 B7 五、發明説明（71 ) 體，熔體，塗料或固體型式。例如，為了貯存該複合物及/ 或形成結構，可以修飾該聚合物-無機粒子摻合物之溶液/ 分散體之性質（例如，濃度及溶劑組成）以協助該進一步加 工。更稀釋之溶液/分散體通常具較低黏度。在某些加工方 法中，該聚合物-無機粒子複合物可被製成呈熔ft型式。 可直接使用含所形成該複合物之溶液/分散體以進行進一 步加工。或者，可以自該液體移除該複合物，或將該複合 物放在不同液體内。可經由稀釋改變該溶液/分散體之液 體，亦即，添加不同液體至溶液/分散體内；若該複合物具 有可經由滲析管保留之足夠分子量，則可經由滲析作用取 代該液體；或經由移除該液體並使用該取代液體以溶解/分 散該複合物。具各種孔隙大小之滲析管可購自公司。為了 取代液體，可形成一種液體混合物，並接著可經由蒸發作 用移除該原有液體，若該液體可形成共沸液，則該取代步 驟特別有效。自液體移除該聚合物/無機複合物之方法包 括：經由蒸發該液體，經由過濾或離心處理分離該複合物 分散體，或經由改變該溶液/分散體之性質（例如，pH，液 體組成或離子強度）以誘使該複合物自該液體沉澱。 一般而言，可以使用標準聚合物加工方法（其包括熱加工 及溶劑加工方法）進行該複合物之加工處理。例如，可經由 壓縮成形法，射出成形法，擠製法，壓延法使該聚合物/無 機粒子複合物形成結構。換言之，可以使該複合物形成自 由結構，例如，薄片。同樣，可以使用各種方法（例如，擠 製法或抽拉軟化型式之該複合物）使該複合物形成纖維或纖 -74- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（72 ) 維上之層狀物。可經由旋塗法及類似方法使溶液/分散體形 成薄膜/塗層。可形成具有各種參數之塗層，其包括，例 如’具厚度小於約1微米之薄塗層。 為了自該聚合物·無機粒子摻合物形成結構，通常根據所 要功用使該摻合物連同一或多種額外材質一起經加工處理 以在該結構内形成適合界面。該聚合物-無機粒子摻合物之 加工尚可取決於該結構内結合材質之性質。根據該所要結 構’該聚合物-無機粒子摻合物可或可不侷限在該結構之一 層或其它範圍之領域内。 就自該聚合物-無機粒子摻合物形成該結構而言，可以使 該摻合物選擇性沉積在適合區域上或可以選擇性移除該摻 合物以留下該所要結構。為了選擇性沉積該摻合物，可利 用，例如，印刷方法或使用樣板沉積該摻合物。就印刷該 摻合物而言，可改良喷墨列印方法使其適用於在適合溶液/ 分散劑内沿著所要圖案進行該摻合物之印刷。 就樣板方法而言，可改良使用光抗蝕劑光罩之標準石版 印刷法，使其適用以沉積該摻合物。例如，可以使該摻合 物沉積在該光抗蚀劑之間隙之間。可以移除該光抗蚀劑及 該間隙外之過量摻合物。同樣，可以使用犧牲層。例如， 可以使用化學化合物（其可選擇性移除該已作為樣板之犧牲 層）選擇性蝕刻犧牲層（似光抗蝕劑材質）。或者，可以使用 物理光罩。與該崎Λ區不平之表面必備犧牲層及光抗蚀劑層 之情況大不相同’除了該表面外，物理光罩具有各別的結 構。完成該掩蔽法後，可以以物理方法移除該物理光罩， -75· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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且，在某些具體實例中， 使用，例如，雷射，自陶 ，可以重覆使用該物理光罩。可以 陶瓷材質或金屬蝕刻或切割物理光

且可以 以進行該蝕刻步驟，且不必需要光罩。 又形成一種圖式。例如，可以使 選擇性移除該摻合物。一般而 刻法（例如，反應性氧蝕刻）以 合物。在進行該蝕刻方法時，可 使用光阻劑之光石版印刷法）以 可以使用聚焦離子或輕射射束 為了形成週期性結構，可使用上述造型方法，以週期性 圖示沉積該聚合物-無機粒子摻合物。或者，可經由利用自 組裝法形成週期圖示以加速該組裝方法。由於分子規律化 及/或分子辨識，自組裝法可利用天然規律法。該聚合物_ 無機粒子摻合物可具有能夠被自組裝方法利用之自引組合 更詳細地說，為了加速定域器件之形成，可以選擇聚合 物之自引組合性質以協助該自組裝作用。該自引組合性質 可以與共聚物之特性有關或可以由物理聚合物摻合物產 生。根據該聚合物之這些潛在自引組合性質，聚合物-無機 粒子摻合物可合併自組裝作用以形成一種定域結構。可以 該摻合物内與一或另一相該聚合物分離之粒子所進行之自 組裝作用形成自組裝結構，其中由於自引組合性質，可確 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ 297公董) 576931 A7 B7 五、發明説明（74 ) ' ---- 認不同聚合物相。更詳細地說，一些自組裝操作法可自然 形成能夠使用以形成折射率週期性變化之週期性結構❶ 、此外，該形成定域結構之方法亦包括形成該結構之界限 〈方法。-般而言，該自組裝方法可形成一種有序網路， 而定域方法可形成該自組配方法之界限。因此，可以使用 利用該週期性之該自組裝方法形成週期性結構，而個別的 定域方法可形成該週期性結構之界限。 當作一項實例，有序聚合物具有可促進自然分離作用之 性質，可以在自組裝構架内利用該性質。有序聚合物包括 ，例如，嵌段共聚物。可以使用嵌段共聚物，因此可分離 該聚合物之不同嵌段，該分離作用為許多嵌段共聚物之標 準性質。其它有序共聚物包括，例如，接枝共聚物，梳狀 共4物，星狀欣段共聚物，樹枝狀共聚物，其混合物及諸 如此類。可以將全部種類之有序共聚物視為一種聚合物摻 合物，其中該聚合物各組份可彼此化學性鍵結。如頒予 Kambe等人，名稱為”p〇iymer-lnorganie Particle composites ” 之同在申請中且通稱為美國專利申請案第〇9/818，141號（該 案以引用方式併於本文中）中進一步所述，亦可以使用物理 聚合物摻合物作為有序聚合物，且其亦可具有自引組合性 質。物理聚合物摻合物包含化學上不同聚合物之混合物。 經由使用有序聚合物，一部份該聚合物-無機粒子摻合物 可具有與另一部份該摻合物明顯不同之折射率。經由使用 自裝置方法，可以組織具不同折射率之該摻合物各部份以 在具不同折射率之各該材質之間形成一種物理界面《而 -77- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 B7 五、發明説明（75 ) 且，可以使用週期性結構以使該折射率形成週期性變化。 明確地說，可以產生超過一維之該折射率週期性。最好使 用該折射率之一維及多維變化以形成光子晶體。 適於自引組合之嵌段共聚物包括，例如，聚苯乙埽-嵌 段-聚（甲基丙晞酸甲酯），聚苯乙締-嵌段-聚丙晞醯胺，聚 矽氧烷-嵌段-聚丙晞酸酯，其適合之混合物及諸如此類。 可以使這些該嵌段共聚物經改質以包含可以與該交聯劑键 結之適合官能基。例如（且不限於此）可以使聚丙烯酸酯經 水解或部份水解以形成羧酸基，或若該酸基不會干擾該聚 合反應，則在形成聚合物時，可以以丙埽酸部份取代全部 或部份該丙烯酸物。或者，該丙晞酸酯中之酯基可以經二 醇之酯鍵或具有二胺之醯胺鍵取代，因此，該官能基之一 仍然能夠與交聯劑鍵結。可以使用具其它嵌段數及其它聚 合物組成種類之嵌段共聚物。 可以使該無機粒子只與該嵌段内之該聚合物組成之一組 合，因此，在該分離作用嵌段共聚物内，該無機粒子可以 與該聚合物組成一起分離。例如，AB二-嵌段共聚物可以 只在嵌段A内包含無機粒子。就利用該無機粒子之性質而 言，該無機粒子之分離作用可具有實用優點。同樣，若該 無機粒子及該對應聚合物具有不同媒合性質，類似嵌段共 聚物之不同嵌段，已結合之無機粒子可以自該聚合物分離 出來。此外，該超微粒子本身可以自該聚合物分離以形成 自引組合之結構。 聚合物摻合物包括化學上不同聚合物之混合物。如上文 _-78-_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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有關嵌段共聚物之描述，該無機粒子可以只與該聚合物種 類 < 亞組鍵結。物理聚合物摻合物可具有類似嵌段共聚物 之自引組合性質。該無機粒子之存在足可修飾該複合物之 性質，因此孩聚合物與無機粒子之互相作用可以與不同於 該原有唯一聚合物之其它聚合物種類進行物理性互相作 用。即使使用唯一的聚合物，若該粒子並未均勻地分佈在 該聚合物内，具較高粒子填充量之該聚合物可以自具較低 粒子填充量之該聚合物部份分離，以形成自組裝結構。 不管该自引組合機構，一些自引組合之聚合物_無機粒子 摻合物包含以週期性排列在超結構或超結晶結構内之粒 子，例如，超微粒子。該粒子本身可或可不具結晶性，然 而由於該粒子之有序結構，所以其可具有各種性質❶如下 文進一步描述，光子晶體可利用這些晶體超結構。 取好利用聚合物-無機粒子摻合物之該自引組合性質以在 基板表面上形成自引組合結構。^了使該複合物與該表面 結合’可以簡單地將該聚合物塗体在該表面上，或該複合 物了以與該表面形成化學鍵。例如（且不限於此），該聚合 物可包含能夠與該表面上之一或多種結構及/或一或多種材 質鍵結之額外官能基。這些額外官能基可以是經選擇以協 助該自組裝方法之官能性側基團。 或者，該基板表面可具有能夠與該聚合物及/或該無機粒 子鍵結之組成，表面交聯劑，因此，複合物可經由該聚合 物或該無機粒子與該表面鍵結。例如，該基板所含之有機 組成可具有-或多種官能基，例如，齒素（例如Br)，cn ,

576931 A7 ____B7 五、發明説明（77 ) SCOCH3，SCN，COOMe，〇H , COOH , S03，COOCF3， 婦系sites(乙烯基），胺，硫醇，磷酸酯及其任2或更多種之 適合組合物。在其它具體實例中，該表面交聯劑具有可以 與該聚合物中之未反應官能基反應之官能基。該表面交聯 劑内與該聚合物键結之適合官能基可以和該複合物交聯劑 内與該聚合物鍵結之官能基相同。 在某些包括使用粒子（例如，超微粒子）之自組裝性質之 具體實例中’ 一部份該基板表面具有細孔，其可以是洞， 凹陷，空穴或諸如此類。該細孔可以呈有序排列或無規排 列。該細孔大小應該大於該超微粒子之大小。雖然該細孔 之大小及該細孔之密度可取決於所形成器件之特定所要性 質，但是，一般而言，該細孔之直徑小於一微米。此外， 可控制各該細孔間之空間以使其接近微米或次微米規模。 使該表面接觸該摻合物分散體以將聚合物-無機粒子摻合 物沉積在該細孔内。然後，例如，相對於該摻合物，使該 分散體不穩定，因此，該摻合物容易沉降在該表面上並進 入該細孔内《使該分散體不穩定之方法如下：改變該pH， 例如，調整接近等電點之該pH ;稀釋表面活化劑或添加可 形成較低穩定性分散體之共溶劑。所要量該摻合物沉積 後’移除該分散體。然後，可以移除該表面上不在該細孔 内之摻合物。例如，可以使用分散劑溫和沖洗該表面，移 除該表面上之複合物。或者，可藉由拋光（例如，機械拋光 或化學-機械抛光）使該表面平面化。若經適當選別之該分 散劑並不能很有效地分散該摻合物，且若該沖洗步驟並未 -80 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

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k 576931 A7 B7__ 五、發明説明（78 ) 太徹底，則可較佳移除該表面上之摻合物，同時使該摻合 物留在該細孔内。 可使用陽極處理的氧化鋁或其它金屬氧化物類形成多孔 結構。陽極處理的氧化鋁可形成高定向性暨很均句的細 孔。藉由將鋁陽極放在稀酸（例如，硫酸，磷酸，或草酸） 溶液内可以在陽極氧化鋁中形成細孔。隨著該鋁被氧化， 可形成具細孔之氧化鋁。孔徑至少可以在4毫微米與200毫 微米之間不等。該細孔具有微米規模之深度。該形成陽極 處理的多孔氧化鋁之方法在以下資料中有描述：例如，D. Al-Mawlawi 等人，f, Nano-wires formed in anodic oxide nanotemplates,M J. Materials Research, 9:1014-1018 (1994) 及 D. Al-Mawlawi 等人》’’Electrochemical fabrication of metal and semiconductor nano-wire arrays,M in Proc. Symp. Nanostructured Mater, Electrochem., 187th Meeting Electrochem. Soc., Reno, NV? May 21-26, 1995, Electrochem. Soc· 95(8):262-273 (1995)，這兩篇資料皆以引用方式併於 本文内。使用嵌段共聚物自矽石形成有序排列之細孔，並 填充該細孔以形成光子晶體之方法在頒予Norris等人，名 稱為’’Three-Dimensionally Patterned Materials and Methods For Manufacturing Same Using Nanocrystals，"之美國專利第 6，139,626號（該案以引用方式併於本文内）中有描述。 在表面上形成多種器件之方法需要使該器件内有作用之 組成定域在上述與該特定器件有關之界限内。藉由自組裝 作用將一種結構定域在上述界限内之總程序通常需要一種 _____-81 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 576931 A7 ^一 ____ B7 五、發明説明（79 ) 可界定該結構之界限之方法，及一種使用化學親和力以結 合該界限内該器件組成之自組裝方法。可界定該界限之方 法通常利用外力以界定該結構之範圍。該自組裝方法本身 通Μ並不旎界疋遠結構之界限。自組裝作用係根據該組成/ 材質之天然感覺功用，當該組成/材質結合時，該天然感覺 功用會在所形成結構内形成天然規律性。雖然，該加工步 驟之性質可決定特定順序，但是，通常該定域步驟可以在 該自組裝方法之前或後進行《該淨效應可形成一種在該界 限内具有相同含量之聚合物/無機粒子複合物之自組裝結 構，且該界限外之區域缺乏此種含量。 可藉由在該界限内活化該自組裝方法，或使該界限内之 區域去活化，使該界定界限之個別方法與該自組裝方法組 合。一般而言，可施加外力以進行該活化或去活化方法。 可以使用，例如，光罩或諸如此類，或使用具聚焦輻射（例 子，電子束，離子束或光束）之無光罩進行該定域作用。 該適合活化或去活化方法之確認可取決於所使用該特定 自組裝方法。該定域方法通常包括使該區域經活化以安置 該自組裝結構，或藉由使與該選別位置分開之位置進行去 活化作用。更詳細地說，該定域方法可隔離用以形成該自 組裝結構之區域。可施加適合之物理力或化學材質以進行 該活化作用/去活化作用。 根據這些目的，可調整各種方法，其包括，例如，習用 積體電路加工方法。明確地說，可以使用光罩方法以隔離 該活化作用/去活作用方法之界限。可以在藉由該光罩界定 -82 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) " --- 576931

發明説明 之區域内進行輻射或化學應用。同樣，可以使用聚焦射束 進行該定域作用。可獲得表面改質作用之適合聚焦射束包 括’例如，光束（例如，紫外線或X射線），雷射光束，電子 束或離子束，這些射束可聚焦以撞擊該選別區域，進行活 化作用或去活化作用。適合之聚焦方法為本技藝所知。 活化方法可包括於該所要位置形成特定材質，或於該所 要位置移除正抑制自組裝作用之一種材質或組成。明確地 說，可以在該界限内形成特定材質，因此可以在該界限内 進行該自組裝方法，且該界限外之表面材質並不能進行該 自組裝方法。例如，可以在該界限内形成能夠與聚合物結 合之化學反應性層，而該界限外之基板表面具有不能夠與 该聚合物結合之不同化學官能性。同樣，可以自該界限内 之區域移除一種抑制化合物層以曝露與該自組裝方法所需 之化合物結合之表面材質，例如，表面交聯劑。在某些實 例中，該抑制化合物可以是一種光抗蝕劑，其可物理性地 阻擋該表面’並可以在進行該自組裝方法前或後，經選擇 性移除β所選別之該光抗蝕劑或其它抑制化合物之組成可 抑制該自組裝方法，因此其後藉由包圍該界限區之該抑制 性化合物所覆蓋之區域並不包括在該自組裝方法内。 同樣，可以使該界限區外之區域去活化。例如，可以將 一種與該自組裝方法所含之化合物結合之組合物塗佈在全 部表面上。然後，可以自該自組裝方法所選別之限制區之 外側移除該組合物。接著，該自組裝方法只在該限制區内 進行。此外，一種抑制劑材質可特定地沉積在該界限區外 本紙度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇 X 297/Γ爱了

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五、發明説明（μ ) 側，因此，該自組裝方法只在該已移除抑制性材質之限制 區内進行。同樣，可以使用輻射以使該限制區外側之化合 物去活化或解離。可以使用上述該光罩及/或聚焦射束方ς 以進行去活化方法。如上述，可以處理各層以產生一種三 維積體結構。 一 所使用定域方法及自組裝作用一起在頒予Kambe等人， 名稱為n Self Assembled Structures，’’之同在申請中且通稱為 美國專利申請案第〇9/558,266號（該案以引用方式併於本文 内）中有進一步描述。 實例 豊例1 -形成氧化鈦赶子之古法 經由雷射熱解製造金紅石Ti〇2，銳鈦礦Ti〇2，及缺氧藍 色Ti〇2粒子。在一種相當於圖24-26所示之室内進行該反 應。 參考圖24-2 6，熱解反應系統400包括反應室402，粒子 收集系統404及雷射406。反應室402之反應物入口 414位於 反應室402底部，反應物傳遞系統408於其中與反應室402 連接。在本具體實例中，係自該反應室之底部傳遞該反應 物，而自該反應室之頂部收集該產物。 屏蔽氣體導管416位於反應物入口 414之前面及後面。惰 性氣體經由通口 418傳遞至屏蔽氣體導管416内。該屏蔽氣 體導管可沿著該反應室402之内壁引導屏蔽氣體，抑制反應 物氣體或產物與該内壁結合。 反應室402沿著圖2 4中以，，w，·表示之一維延伸。雷射光束 -84- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 576931 A7 _B7__ 五、發明説明（82 ) 程420經由沿著該主室426之管424移置之窗422進入該反應 室内，並通過反應室402之該延伸方向。該雷射光束通過管 428，然後離開窗430。在一項具體實例中，管424及428可 移置窗422及430，使其離該主室約11英寸。該雷射光束於 射束聚焦處432處終止。在運轉中，該雷射光束與經由反應 物入口 414所產生之反應物流交叉。 該主室426之頂部可通往粒子收集系統404。粒子收集系 統404之出口管434與該主室426之頂部連接，可接收來自主 室426之流出物。出口管434可以將超出該反應物流平面之 該產物粒子載運至柱形濾光器436。濾光器436之一端上具 有罩438。該濾光器436之另一端牢繫於圓盤440。通氣口 442牢繫於該圓盤440之中心以提供進入該濾光器436中心 之通路。通氣口 442藉由導管與泵連接。因此，可藉由自該 反應室402流至該泵，在濾光器436上收集產物粒子。 於室溫下，藉由使Ar氣體通過容器内之TiCl4液體起泡， 使四氯化鈥（Strem Chemical, Inc·，Newburyport，MA)先質 蒸汽進入該反應室内。使用C2H4氣體作為雷射吸收氣體， 並使用氬作為惰性氣體。使用02作為該氧源。添加額外氬 作為惰性稀釋劑氣體。將含TiCl4，Ar，02及C2H4之該反 應物氣體混合物導入該反應物氣體噴嘴内以便射入該反應 物室内。 製造金紅石Ti02粒子及銳鈦礦Ti02粒子之反應條件實例 描述在表1中。除了藉由使該粒子收集器擺在適當位置，因 此，其可更接近該反應區被收集不同外，該藍色缺氧金紅 -85- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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576931 A7 _B7__ 五、發明説明（83 ) 石Ti02(Ti02-2)係自與該表1中該金紅石Ti02粒子（Ti02-1) 相同之條件製成。低室壓及氧之低分壓為所形成Ti02缺氧 之主因。在空氣中使該粒子稍為加熱會導致藍色損失，並 形成金紅石結構。該顏色差異之原因並不僅與氧含量有 關，且目前並未完全瞭解。 表1 {PRIVATE} Ti02-1 TiOr3 相 金紅石Ti〇2 銳鈥礦Ti〇2 BET表面積(米2/克） 64 57 壓力(托） 110 150 Ar-稀釋氣體(slm) 4.2 8.4 Ar-Win(slm) 10.0 10.0 Ar-Sld. (slm) 2.8 2.8 乙稀(slm) 1.62 1.25 傳遞氣-Ar(slm) 0.72 0.72 氧(slm) 2.44 4.5 雷射能-輸入(瓦） 1400 1507 雷射能-輸出（瓦） 1230 1350

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sccm =每分鐘之標準立方厘米數 slm =每分鐘之標準升數 Argon-Win. =流經入口 490，492 之氬 Argon-Sld. =流經槽 554，556 之氬 -86- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

圖27係表示利用表i之條件所製成之產物超微粒子之請 線繞射圖。試樣TiOrl之X射線圖符合金紅石丁叫。試樣 TKV2之X射線繞射圖與Ti(Vl_。試樣Ti〇2_^x射線 繞射圖符合銳鈥礦Ti〇2。圖27中各該Μ之寬度顯示試樣 1之結晶性不如其它兩種試樣。試樣丁丨〇2“之光譜中部份尖 峰似乎得自非晶形相。亦可製成混合相粒子。圖28係表示 該粒子之一般穿透式電子顯微圖。該平均粒子大小0av為 約10-20毫微米。實際上沒有超過20"之粒子。 在乙醇中得到氧化鈦粒子（濃度為〇〇〇3重量之吸光光 1晉。圖29表示該Τί〇3·3試樣之光譜。為了比較起見，獲得 商用Ti〇2粉末之乙醇溶液（濃度為0 0003重量％)之類似光 譜，其顯示在圖3 0中。該第二種商用粉末係得自Aldrich Chemical Company，Milwaukee，WI，且其平均粒子大小為 0.26微米。 圖3 0中該Ti02之吸收光譜為在該光譜之可見光及紅外線 部份内具大吸收作用之大塊Ti02實例。反之，圖29中該粉 末之吸收光譜在該光譜之可見光及紅外線部份具很小的吸 收作用，但是在該紫外線部份具很強的吸收作用。該吸收 光譜之此種變化及窄化係由於該粒子之大小減少所致。 實例2 -趙微聚合物複合物 本實例係描述使用以矽烷為主之交聯劑形成具有聚（丙烯 酸）及Ti03-3粉末之複合物之方法。 使各該粒子充份懸浮在乙醇内。2週後，大部份該粒子仍 維持懸浮狀。可獲得高含量粒子分散體’已發現其可使用 -87-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 576931 A7 _____ B7 ___ 五、發明説明（85 ) 以形成光學品質之超微複合物。使用Horiba Particle Size Analyzer (Horiba，Kyoto, Japan)評估該懸浮體中之次級粒 子大小。經該粒子大小分析儀分析顯示具良好分散性/低集 結作用。 使用胺基丙基三乙氧基矽烷（APTES)作為甲矽烷化劑進 行這3種Ti〇2粒子之表面處理法。已知APTES可藉由以下反 應與各該粒子鍵結： 粒子-Ti-0H + ((CH3CH20)3-SiCH2CH2CH2NH2— 粒子-Ti-〇-Si(OCH2CH3)2CH2CH2CH2NH2 使該乙氧基進一步連續水解可形成經由醚型鍵合與各該粒 子鍵結之額外Si。尤其若存在過量甲矽烷化劑及水，則該 甲碎燒化劑之某些自聚合反應亦可發生。可使用乙醇作為 溶劑/分散劑製備經懸浮性良好之APTES塗佈之Ti〇2- 3粒 子。 添加聚丙埽酸至該官能化粒子内。雖然，所製成之部份 4樣具平均分子量為2，〇〇〇道耳呑（Dalton)之低分子量聚合 物，但是，一般而言，該聚丙烯酸之平均分子量為25〇,〇〇〇 道耳呑。已知該聚丙烯酸可藉由該羧酸基與該甲矽烷化劑 之第一胺反應，形成一種醯胺鍵。該聚合物與該經表面處 理粒子首先進行之互相作用包括該羧酸與該第一胺反應形 成茲鹽。接著，於140。_160。之溫度下，該鹽單位可縮 口 形成酿胺鍵。該反應概述如下： 聚合物-COOH + H2N- -粒子4 聚合物-C0NH-…Si-0-Ti-粒子 __— -88- 本紙張尺度適财s S家標準⑴Ns) M规格(2夢297公董)— ---— 576931 A7 B7 五、發明説明（86 ) 該複合物之傅立葉變換紅外線光譜之紅外線吸收帶位於 1664 cnT1處，其係為醯胺鍵之頻率特性。掃描式電子顯微 鏡（SEM)影像確認該Ti〇2-PAA超微複合物之成功合成。而 且，自該官能化粒子形成之該複合物比對應聚-無機粒子混 合物具明顯更高的熱安定性。 將所形成複合物之滴液放在表面上，形成塗層。將該滴 液覆蓋在該表面上，並使其乾燥。進一步分析該已乾燥複 合物。更詳細地說，自該官能化粒子（聚合物-無機粒子複 合物）形成之材質之光滑性比自該未官能化粒子（聚合物-無 機粒子混合物）形成之材質更多得多。 實例3-對PAA-i化鈦禎合物進行光學測定之方法 就使用聚丙埽酸及氧化鈥粒子所形成該複合物而言，評 估以粒子填充量及光損失為變數之折射率。 使用Gaertner L-16C型橢圓偏光計於632.8毫微米處操 作，進行折射率測定。將具不同含量超微粒子摻雜之試樣 塗佈在矽晶圓上。以50及7 0度入射角進行折射率測定。 圖3 1係說明可涵蓋大部份範圍之折射率係取決於聚合物· 無機粒子摻合物（特別為複合物）之成份及粒子填充量之選 擇之證明。僅藉由改變PAA基質（η2〜1.48)中之Ti02超微粒 子（ηι〜2·6-2·9，其係根據銳鈥礦或金紅石而定）填充量， 相對於該ΡΑΑ基質之折射率，可控制該折射率超過15〇%係 數。全部折射率值係與於632.8毫微米處之光線有關。已知 超微粒子（高折射率）及聚合物基質之適當選擇可增加該折 射率之可控制範圍。 -89- 576931 A7 __B7 五、發明説明（87 ) 使用Hewlett Packard 8452A型分光光度計進行消光測 定。使試樣懸浮在乙醇内，或在熔融矽石基板上製成薄 膜。在光程長度為1厘米之熔融矽石光析管内進行測定。在 廣範圍之粒子填充量内，可維持低光損失現象。甚至於5 〇 重量％粒子填充量時，發現該複合物在該光譜之可見光及 紅外線部份外’仍具有高度透明性。就使用該複合物作為 光學網路組件之積木式部件而言，該觀測結果很重要β 圖29及3 0分別顯示超微Ti〇2( 0av〜2〇毫微米）及商用Ti〇2 粒子（0av〜7〇〇毫微米）（兩者在乙醇中之濃度皆為〇〇〇3重 量％)之光學吸收光譜。後者比該超微粒子更能散射可見 光，因此產生較高程度之光衰減《此外，超微Ti〇2在該紫 外線（UV)吸收作用上增加很多，其被認為是一種量子大小 效量。最好在光學材質中利用此種在吸收光譜中之變換以 透射可見光或紅外線。 本實例係說明一種藉由該粒子填充量之調整，控制超微 粒子-聚合物複合物之折射率之能力。雖然亦可以使用其它 材質變化以確認界面與聚合物-無機粒子摻合物之大折射率 對比，但是使用預成形之超微粒子可藉由粒子填充量之調 整使鄰接材質間之折射率對比變大。超微粒子之高度均勻 性及優異分散性與超微粒子可經適當地表面改質之優點可 使用於成功合成光子聚合物-無機粒子摻合物，例如，超微 複合物。 如文中使用，該名辭"在該範圍（群）中”或，，在····之間•’包 含藉由該名辭”在該範圍（群）中”或”在.....之間”後所列示 __-90- _— ___ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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Claims (1)

1. 576931 第〇911丨7442號專利申請案 ⑽ 中文申請專利範圍替換本(92年！ 1月）eg申請專利範圍 A8 B8 2. 3. 4. 5. 6· 7. 二種光學結構，其在第-光學材質與第二光學材質之間 3有-種界面，各該光學材質皆含有—種聚合物，該第 :先學材質含聚合物.無機粒子摻合物，丨中該摻合物含 有無機粒予’其當經離析時，係、為電絕緣體或電導體。 根據申請專利範圍^項之光學結構，其中這兩種材質 彼此間之折射率值之差異為至少約〇 〇〇5。 根據申請專利範圍第丨項之光學結構，其中這兩種材質 彼此間之折射率值之差異為至少約〇1。 根據申請專利範圍第！項之光學結•，其中該聚合物·無 機粒子摻合物具有非線型光學反應。 根據申請專利範圍第i項之光學結構，其中該聚合物_無 機粒子摻合物含有一種聚合物_無機粒子混合物。 根據申請專利範圍第i項之光學結構，其中口該聚合物·無 機粒子摻合物含有一種聚合物-無機粒子複合物。 根據申請專利範圍第丨項之光學結構，其中該聚合物-無 機粒子換合物包含無機粒子，該無機粒子包含^素金屬 或元素類金屬，亦即，非離子化元素，金屬/類金屬氧化 物，金屬/類金屬氮化物，金屬/類金屬碳化物，金屬/類 金屬硫化物或其組合物。 / 8·根據申請專利範圍第丨項之光學結構，其中該聚合物·無 機粒子摻合物含有一種選自以下所組成之群組之聚合 物··聚醯胺（尼龍），聚醯亞胺，聚碳酸酯，聚胺基甲酸 酯，聚丙晞腈，聚丙烯酸，聚丙烯酸酯，聚丙缔醯胺， 水乙缔醇，聚氣乙缔，雜環狀聚合物，聚酯，改質聚晞

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   576931 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 垣，聚矽烷，聚矽氧烷（矽酮）聚合物’及其共聚物與混 合物。 9·根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該第二光學 材質含有一種聚合物-無機粒子摻合物。 10·根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該第二光學 材質包含不超過約5重量％無機粒子。 u·根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該第二光學 材質包含至少約1 0重量％無機粒子。 U·根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該第一光學 材質包含至少約1 0重量％無機粒子。 13. 根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該第一光學 材質包含至少約2 5重量％無機粒子。 14. 根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該無機粒子 之平均粒子大小不超過約1微米。 15·根據申請專利範圍第1項之光學結構，其中該無機粒子 包含金屬/類金屬氧化物粒子。 16· —種包含一界面在第一材質與第二材質間之結構，其中 各該材質皆含有一種聚合物，該第一材質含聚合物-無機 粒子複合物，其中該複合物含有可作為電半導體或電導 體之無機粒子，且其中該無機粒子之平均粒子大小不超 過約1微米。 17.根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該無機粒子具電 導性。 18·根據中請專利範圍第16項之結構，纟中該第—材質為光 -2-

   576931 ABC D 六、申請專利範圍 學材質。 19.根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該第二材質為光 學材質。 20·根據申請專利範圍第1 9項之結構，其中該第一材質及第 二材質為光學材質。 21.根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該無機粒子之平 均粒子大小不超過約500毫微米。 22·根據申請專利範圍第1 6項之結構，其中該無機粒子之平 均粒子大小不超過約100毫微米。I 23·根據申請專利範圍第丨6項之結構，其中該無機粒子含有 金屬氧化物粒子。 24· —種含聚合物·典機粒子摻合物之材質，其中該掺合物冬 有具電導性之無機粒子，且其中該摻合物之1〇〇微米厚度 處可穿透可見光。 25. 根據申請專利範圍第24項之材質，其中該聚合物·無機 粒子摻合物含有聚合物-無機粒子複合物。 26. 根據申請專利範圍第24項之材質，其中該無機粒子含有 元素金屬。 ° 27·根據申請專利範圍第24項之材質，其中該無機粒子含有 元素銀。 28·種*电極之顯示器，遠電極含有根據申請專利範圍第 2 4項之材質。 29· —種反射顯示器，其所含之液晶分散在聚合物·無機粒子 摻合物中，其中該摻合物為光學材質。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α“(21〇χ 297公^------- 576931 A8 B8 C8 ---- 、申請專利範圍 "一^ 30·根據申請專利範圍第29項之反射顯示器，其尚含兩個透 明電極，且其中該聚合物_無機粒子摻合物位於這兩種透 明電極之間。 31.根據申請專利範圍第3〇項之反射顯示器，其中相對於該 禾合物-無機粒子摻合物，黑色吸收體位於一個透明電極 之對側。 32· —種互連性光學結構，其含第一光學通道，第二光學通 道，及可光學性連接該第一光學通道與第二光學通道之 光學互連器’該光學互連器含有聚合物-無機粒子摻合 物。 33·根據申請專利範圍第3 2項之光學結構，其中該第一光學 通道及第二光學通道具有不同折射率，且其中該光學互 連器之折射率介於該第一光學通道與第二光學通道之折 射率之間。 34·根據申請專利範圍第3 3項之光學結構，其中該光學互連 器之折射率具梯度，因此自該第一光學通道至第二光學 通道之折射率會產生單調變化。 35. 根據申請專利範圍第3 *項之光學結構，其中光學互連器 含有多種沿著光學徑彼此緊鄰之聚合物-無機粒子摻合 物’且其中該折射率之梯度包含呈逐步變化之折射率。 36. 根據申請專利範圍第3 5項之光學結構，其中該多種聚合 物-無機粒子摻合物含至少兩種粒子填充量不同之摻合 物。 37· —種週期性結構，其含有約週期性之折射率變化，其中 -4- 本紙張尺歧财S S未標準(CNS)A4規格(21()x297公釐) A8 B8

   ::構之第—聚合物-無機粒子摻合物與第二光學材質八 一光學材質係為選自町所組成之群組 _中= 機粒予捧合物，聚合物及非聚合物無機材；…物-無 8·根據申請專利範圍第37項之週 一維型式重覆至少約3次。 稱^㈣I 根據申專利範圍第3 7項之週期性結構 之該週期為約20毫微米至約1〇微米。、在·准中 根據申凊專利範圍第3 7項之週期性結構， 物.無機粒子料物含«㈣.無機粒子複合物5 41.根據申請專利範圍第37項之週期性結構 結構含有光子晶體。 、甲《期性 42·:=請專利範圍第”項之週期性結構，其中該週期性 …構有一種呈一維型式之週期性。 43. 根據申請專利範圍第”項之週期性結構，其中該週期性 結構具有呈二維型式之週期性。 44. 根據中請專利範圍第37項之週期性結構’其中該週期性 結構具有呈三維型式之週期性。 45·根據申請專利範圍第37項之週期性結構，其中該結構之 該週期性具有一個缺陷。 46.根據申請專利範圍第37項之週期性結構，其中該聚合 物-無機粒子摻合物可回應外刺激而改變折射率。 47· —種可調濾光器，其含具有呈一維型式之週期性之根據 申請專利範圍第4 6項之週期性結構。

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   六、申請專利範圍 4»· 一種光子晶體結構，其全σ 人仏. 其3王週期性排列之配置光學材質 <永a物-無機粒子摻合物。 49·根據申請專利範圍第項 物益機i"早沒人仏 、 日9姐結構，其中該聚合 -二：=:=子複合物。 物，…合物及先：二=二 0·1折射率單位。 ^ ^ ^ y 51. 根據令請專利範圍第則之光子晶 物-無機粒子接合物與光學材質之折射率差異為至少约 0 · 5折射率單位。 … 52. 根據令請專利範圍第48項之光子晶體結構，其中該週期 性具有一個缺陷。 53·:種光學結構，其均勾光學無機材質與光學聚合物·無機 t子摻。物之間含有_種界面，其中該摻合物含有可作 為電絕緣體或電導體之無機粒子。 54. 根據申請專利範圍第53項之光學結構，其中該聚合物· 無機粒子摻合物含有聚合物_無機粒子複合物。 55. —種顯π器裝置，其含有一層可形成該顯示器可見部份 之光學聚合物-無機粒子摻合物，其中該摻合物含有可作 為電絕緣體或電導體之無機粒子。 56·根據申請專利範圍第5 5項之顯示器装置，其中該聚合 物-無機粒子摻合物含有聚合物_無機粒子複合物。 57·根據申請專利範圍第5 5項之顯示器裝置，其中該摻合物 含有可作為磷光體之無機粒子。 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 576931 A BCD 夂、申請專利範圍 58·根據申請專利範圍第55項之顯示器裝置，其中該無機粒 子為電導體。 59· —種含聚合物-無機粒子摻合物之光學裝置，其中該摻合 物含有具非線型光學性質之無機粒子。 60.根據申請專利範圍第5 9項之光學裝置，其中該聚合物_ 典機粒子摻合物含有聚合物-無機粒子複合物。 61·根據申請專利範圍第5 9項之光學裝置，其中該摻合物含 有無機粒子，該無機粒子之具非線型光學性質之無機組 成係為選自以下所組成之群組：KTa03，K(Ta，Nb)03， YV〇4，硫化鎘，硒化鎘，磷化銦，鈮酸鋰，鈦酸鋇，其 組合物及其雜摻改良物。 62· —種吸光裝置，其含呈週期性結構排列之第一電極及聚 合物-無機粒子摻合物。 63.根據申請專利範圍第6 2項之吸光裝置，其中以藉由該週 期性結構所吸收之光為變數，於該電極處產生一電位。 64·根據申請專利範圍第6 2項之吸光裝置，其尚含電子接受 材質及透明電極，其中藉由該週期性結構吸收之光可誘 發該第一電極與透明電極間之電流。 65. —種含一對電極及一種聚合物-無機粒子複合物之電機結 構，其中施加電壓至該電極會使一部份該電機結構產生 致偏現象。 66·根據申請專利範圍第6 5項之電機結構，其尚含一種鏡子 或部份鏡子。 67. —種可調光學裝置，其包含根據令請專利範圍第以項該 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐）

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   本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X 297公釐） 576931

   之步驟。 75. —種在彼此之折射率值相差至少約〇 〇〇5之兩種光學材質 之間製備界面之方法，該方法包括使用聚合物_無機粒子 摻合物進行自組裝方法，形成第一光學材質，並使第二 光學材質接觸該摻合物，形成該界面。 76·根據申請專利範圍第75項之方法，其中在進行該自組裝 方法之前，先將該第二光學材質放在表面上，其中該自 組裝方法可以使該該弟二光學材質接觸該粒子-無機粒子 捧合物。 77·根據申請專利範圍第7 5項之方法，其中該第二光學材質 係在進行該自組裝方法之後才沉積，形成該界面。 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）