Способ получения легированного кварцевого стекла

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Малашкевич Георгий Ефимович Лапина Виктория Алексеевна Семченко Алина Валентиновна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения легированного кварцевого стекла, включающий гидролиз тетраэтилортосиликата, получение легированного ксерогеля, его последующую термообработку и спекание до стеклообразного состояния, отличающийся тем, что легирование проводят порошком ультрадисперсного алмаза, активированного ионами редкоземельных и/или переходных металлов. Изобретение относится к области получения легированных кварцевых гель-стекол, в частности наноструктурированных стекол с особыми спектрально-люминесцентными свойствами, и может быть использовано в качестве активных элементов лазеров, люминесцирующих экранов и, возможно, нелинейно-оптических элементов. Известен способ получения кварцевого стекла, включающий гидролиз этилсиликата,введение в золь раствора аммиака до 4,5-6,0, сушку полученного геля и последующее спекание до перевода его в кварцевое стекло 1. Недостатком данного способа является невозможность обеспечить получаемому кварцевому стеклу эффективную люминесценцию из-за отсутствия процесса активации, что не позволяет использовать такое стекло в указанном выше качестве. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения легированного кварцевого стекла 2, включающий образование золя путем гидролиза тетраэтилортосиликата в водном растворе соляной кислоты, введение в золь тонкодисперсного порошка кремнезема, образование геля добавлением водного раствора аммиака до 5,5-6,5, выдержку образовавшегося геля в растворе легирующей добавки в деионизированной воде, сушку, термообработку и спекание до состояния прозрачного стекла. В данном способе в качестве легирующей добавки используют неорганическую соль переходного металла, растворимую в водно-спиртовой среде и имеющую в 10746 1 2008.06.30 интервале температур термообработки давление пара не более 5 мм ртутного столба, при этом легирующую добавку дополнительно вводят в золь, а выдержку геля осуществляют в растворе с молярным соотношением легирующая добавкавода, равном молярному соотношению указанных компонентов в золе, в течение времени, определяемого выражением/, где- время выдержки (ч)- масса геля (г)- растворимость легирующей добавки в воде при температуре выдержки (на 100 г воды), г 15-16, коэффициент (ч). Недостатком прототипа является низкая эффективность люминесценции получаемых стекол, присущая реализуемым в них оптическим центрам переходных металлов, что не позволяет использовать такие стекла в качестве активных элементов лазеров и люминесцирующих экранов. Например, при использовании в качестве легирующей добавки солей хрома эффективность люминесценции (ее квантовый выход) не превышает 30 . Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности люминесценции кварцевого стекла и расширение возможностей управления скоростью ее радиационного затухания за счет изменения граничных условий излучения иона-активатора вблизи нанотела. Для решения поставленной задачи в способе получения легированного кварцевого стекла по золь-гель процессу, включающему гидролиз тетраэтилортосиликата, получение легированного ксерогеля, его последующую термообработку и спекание до стеклообразного состояния, легирование проводят порошком ультрадисперсного алмаза (УДА), активированного ионами редкоземельных и/или переходных металлов. Использование в качестве легирующего агента активированного порошка УДА позволяет придать получаемому стеклу эффективную люминесценцию с характеристиками,близкими к реализуемым в активированных порошках, и, за счет слабого растворения активной оболочки УДА в матрице, добиться минимального расстояния между ионом активатора и несущей наночастицей. Пример 1. В золь, полученный путем гидролиза тетраэтилортосиликата в водном растворе соляной кислоты, добавляют порошок УДА (5 мас. ), активированный ионами 3, полученную взвесь подвергают ультразвуковому диспергированию и последующему центрифугированию для удаления оставшихся конгломератов УДА, проводят гелирование,сушку и спекание при Т 1200 С в течение 2 ч. Синтезированное таким образом стекло характеризуется эффективной люминесценцией (квантовый выход составляет 95 ),близкой по свойствам люминесценции ионов 3 в свободных порошках УДА, наличием активированных наночастиц и достаточно равномерным их распределением по объему стекла. Пример 2. В золь, полученный путем гидролиза тетраэтилортосиликата в водном растворе соляной кислоты, добавляют порошок УДА (1 мас. ), активированный ионами 3, полученную взвесь подвергают ультразвуковому диспергированию и последующему центрифугированию для удаления оставшихся конгломератов УДА, проводят гелирование, сушку и спекание при 1200 С в течение 1,5 ч. Синтезированное таким образом стекло характеризуется эффективной люминесценцией (квантовый выход составляет 80 ), близкой по свойствам люминесценции ионов 3 в свободных порошках УДА, наличием активированных наночастиц и достаточно равномерным их распределением по объему стекла. Пример 3. В золь, полученный путем гидролиза тетраэтилортосиликата в водном растворе соляной кислоты, добавляют порошок УДА (2 мас. ), соактивированный ионами 3 и 3,полученную взвесь подвергают ультразвуковому диспергированию и последующему центрифугированию для удаления оставшихся конгломератов УДА, проводят гелирование,сушку и спекание при Т 1250 С в течение 1,5 ч. Синтезированное таким образом стекло характеризуется эффективной люминесценцией обоих соактиваторов (квантовый выход 2 10746 1 2008.06.30 люминесценции 3 составляет 80 ), близкой по свойствам люминесценции свободных соактивированных порошков УДА, наличием активированных наночастиц и достаточно равномерным их распределением по объему стекла. На фиг. 1 и 2 даны микрофотографии соответственно свободного активированного порошка УДА и легированного им кварцевого гель-стекла, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Как видно, такой порошок представляет собой небольшие конгломераты отдельных частиц, имеющих округлую форму с поперечными размерами 100 нм, а полученное стекло не обладает агрессивными свойствами к этим наночастицам, что позволяет в значительной мере сохранить их свойства и размеры. Таким образом, заявляемый способ получения легированного кварцевого стекла позволяет придать получаемым материалам высокую эффективность люминесценции и обеспечивает минимальные расстояния между нанотелом и активатором, что дает возможность управлять скоростью спонтанного излучения последнего. Источники информации 1.1749185 А 1, 1992, . 27. 2.1861 1, 1997. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3