Золь-гель технология

В последнее время исследователи проявляют большой интерес к оптическим волноводам, изготовленным по золь-гель технологии, которая обеспечивает хорошие оптические характеристики и при этом не требует дорогостоящего оборудования и специально обученного персонала для его обслуживания, а также даёт дополнительные возможности для создания интегрально-оптических элементов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с улучшенными характеристиками.

Одной из главных особенностей плёнок, изготовленных по золь-гель технологии, является относительно большой отрицательный термооптический коэффициент (ТОК). Это свойство может быть использовано для подстройки параметров интегрально-оптических (ИО) элементов, а также для создания температурно-независимых устройств. Структура плёнок, изготовленных по указанной технологии, допускает легирование их веществами, позволяющими создавать элементы ИО, такие как лазеры, усилители и др.

Золь-гель технология - это методика создания на стеклянных или кварцевых подложках оптически прозрачных плёнок путем высушивания и последующего отжига нанесённого на эти подложки слоя специального коллоидного раствора – золя.

В основе процесса золь-гель лежат реакции гидролиза и поликонденсации элементоорганических соединений, ведущие к образованию элемент-кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последовательные структурные изменения по схеме

раствор → золь → гель → оксид.

Сначала органическое соединение кремния (титана, циркония, алюминия, бора или фосфора) подвергают гидролизу

M(OR)_n + nH₂O ↔ M(OH)_n + nR(OH),

в ходе которого происходит замещение алкоксидных групп OR гидроксогруппами OH, а затем проводится реакция поликонденсации гидроксидов

M(OH)_n → MO_n/2­ + (n/2)H₂O,

в процессе которой и формируется кремний-кислородный каркас.

В качестве базового материала для получения плёнок диоксида кремния и стёкол используют тэтраэтилортосиликат Si(OC₂H₅)₄ (или в литературе TEOS), который смешивают в соответствующих пропорциях с этиловым или изопропиловым спиртом и водой:

Si(OC₂H₅)₄ + H₂O ↔ (OH)Si(OC₂H₅)₃ + C₂H₅OH.

Золь диоксида кремния получается при длительном перемешивании полученного раствора. Стеклянные плёнки изготавливаются из смеси золей оксида кремния и золей оксидов титана, бора, фосфора и т. п.

Полученный золь фильтруется и наносится на подложку. Подложки с нанесённым раствором сушатся при температуре ~ 100 – 200 °С. Под воздействием температуры происходит процесс коагуляции – вся масса коллоидных частиц золя, связывая растворитель, переходит в полужидкое-полутвёрдое состояние – гель. Вследствие испарения растворителя на подложке остается пористая плёнка диоксида кремния – каркас.

Последующий отжиг при температуре ~ 300 – 800 °С приводит к образованию сплошной плёнки, пористость которой не превышает 10 - 15 %. Эта плёнка может быть использована в качестве волноводного слоя.

Основным преимуществом метода золь-гель является возможность получения плёнок с заданным показателем преломления. Причём себестоимость изготовления подобных плёнок относительно низкая.

Точность необходимого показателя преломления зависит от стабильности параметров отжига и параметров окружающей среды. Изготовление плёнок производится при заданных значениях этих параметров. Оптический показатель преломления золь-гель плёнок зависит от ряда различных факторов, но, главным образом, от соотношений компонентов начального раствора и температуры отжига плёнки. Кроме того, при изготовлении плёнок с заданным показателем преломления необходимо обеспечить стабилизацию параметров режима отжига и параметров окружающей среды (относительная влажность, температура, обеспыленность и др.). Соблюдение этих условий позволяет изготавливать оптические волноводы с заданными значениями коэффициента замедления или буферные золь-гель слои с точно заданными показателями преломления для различных комбинированных волноводных систем.

Уровень потерь в волноводных системах, изготовленных по методу золь-гель, может не превышать, по сведениям различных литературных источников, 0,2 – 0,5 дБ/см. При указанных выше условиях, важную роль играет дисперсность раствора перед его нанесением на подложки.

Таким образом, золь-гель технология обеспечивает возможность очень точного управления структурой получаемого вещества на молекулярном уровне и получение многокомпонентных оксидных соединений с точным соблюдением стехиометрического соотношения элементов, высокой гомогенностью и сравнительно низкой температурой образования оксидов (~ 400 - 800 °С), что значительно расширяет спектр веществ (особенно органических), используемых в качестве компонентов раствора – золя. Внесение определённых добавок может обеспечить, например, нелинейные свойства получаемых плёнок, что даёт возможность удвоения частоты, модуляции сигнала и т. п.

Наряду с преимуществами технология золь-гель имеет также ряд недостатков и ограничений. Так, получение плёнок, имеющих показатель преломления более 1,8, ограничивается допустимым уровнем потерь (например, при введении в золь спиртовых растворов B₂O₅ или TiO₂ в количестве, необходимом для реализации показателя преломления 1,8, уровень потерь возрастает до ~ 6 – 8 дБ/см).

Золь-гель плёнки могут обладать свойством двулучепреломления, т. е. оптические волны различных поляризаций имеют различную фазовую скорость в материале плёнки, такое явление может негативно сказаться на характеристиках некоторых волноводных систем. Двулучепреломление возникает вследствие внутренних напряжений в плёнке при изготовлении, на его величину влияет как температура отжига плёнки, так и температура раствора, из которого вытягивается плёнка. При необходимости поляризационная зависимость может быть устранена каким-либо из известных способов – полуволновая пластина, гофрирование участка волновода и т. п.

Пожалуй, основным недостатком метода золь-гель является то, что максимальная толщина плёнки, получаемой за один акт нанесения, очень мала и достигает всего 0,2 мкм. Более толстые плёнки не выдерживают внутренних напряжений при отжиге и растрескиваются. Толщина плёнок 0,2 мкм является недостаточной для многих применений из-за невозможности согласования плёнок с другими волноводными компонентами, а также, подобная толщина может оказаться меньше критической для требуемой длины волны излучения.

Достаточно толстые и однородные золь-гель слои могут быть получены при быстром отжиге со скоростью нагрева и охлаждения ~ 70 °С/мин. Использование в качестве одного из компонентов раствора Si(OCH₃)₄ (или MTES) позволяет отжигать более толстые плёнки (до 10 мкм). Может быть использован субгидролизированный начальный раствор, имеющий низкое содержание воды, с более высокой плотностью геля, в результате чего понижается сжатие во время отжига и, как следствие, уменьшается риск растрескивания плёнок. Введение специальных органических компонентов повышает гибкость молекулярной сетки геля, что также снижает вероятность растрескивания при отжиге. В качестве таких компонентов используют гамма-глицидил-оксипропил-триметоксисилан (GPTS) или гамма-метакрил-оксипропил-триметоксисилан (MPTS). Использование этих методик позволяют получить волноводы с низкими потерями и толщиной плёнок до 10 мкм за один акт нанесения.

Наиболее распространённым и простым способом увеличения толщины волновода является многократное нанесение раствора на подложку с предварительным отжигом (сушкой) каждого слоя (60 – 300 ºС, 10 - 20 мин.). При 8-ми кратном нанесении плёнка после отжига достигает толщины ~ 1,8 мкм. Поэтому можно сказать, что проблема недостаточной толщины плёнок, изготовленных по методу золь-гель, в настоящее время успешно решена.

Дата добавления: 2014-12-10