用于減少球形氧化物顆粒排列中的缺陷的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種處理球形氧化物顆粒的方法，所述方法包括使球形氧化物顆粒經(jīng)歷室溫以上的熱處理。將通過溶膠-凝膠方法合成的球形氧化物顆粒尤其是二氧化硅顆粒進(jìn)行熱處理，以使在顆粒排列過程中出現(xiàn)的缺陷最少化，由此最終提高二氧化硅顆粒的體積穩(wěn)定性。因為根據(jù)本發(fā)明專利技術(shù)制造的具有較少結(jié)構(gòu)缺陷的二氧化硅層具有高的物理穩(wěn)定性，并提供大面積的高結(jié)晶度，所以其可以用在需要光學(xué)性能優(yōu)異的光子晶體的領(lǐng)域中，例如用在光折射層、波導(dǎo)件等中。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本申請要求于2010年4月30日提交的第10-2010-40420號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，上述申請的主題通過引用被全部包含于此。本專利技術(shù)涉及用于減少在球形氧化物顆粒排列過程中的缺陷的方法、通過這樣的方法處理的球形氧化物顆粒和包括所述球形氧化物顆粒的光子晶體。更具體地講，本專利技術(shù)涉及一種提高單分散的二氧化硅顆粒的體積穩(wěn)定性的方法，由此減少在顆粒排列過程中的裂紋(缺陷)的產(chǎn)生。
技術(shù)介紹
單分散的球形氧化物顆粒在功能性陶瓷材料的制備中作為原料起著重要作用。具體地講，通常使用的單分散二氧化硅顆粒由于其根據(jù)沿特定方向排列的顆粒的取向展現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶性質(zhì)和光譜性質(zhì)的特性，而被廣泛地用作光子晶體和涂布劑、(非) 導(dǎo)電薄膜等的原料。因此，沿一維、二維和三維方式大面積控制這樣的單分散二氧化硅顆粒而不產(chǎn)生任何缺陷的技術(shù)在利用單分散二氧化硅光子晶體用于各種裝置的用途中非常重要。有各種方法來制備單分散的球形二氧化硅顆粒，其中之一是稱作Stoeber合成的普通方法。利用此方法，可以制備具有在IOnm至2，OOOnm的范圍內(nèi)的各種顆粒尺寸的單分散二氧化硅顆粒。單分散二氧化硅顆粒通常使用溶膠-凝膠方法來合成，在溶膠-凝膠方法中，使原硅酸四乙酯(TEOS ；Si (OC2H5)4)前驅(qū)物在特定比例的醇、水和氨的混合溶液中水解，然后氨催化顆粒的形成。在許多公布的文章中已經(jīng)描述了此溶膠-凝膠方法(例如，Stoeber 等，J. Colloidand Interface Sci.,第 26 卷，1968,62-69,以及 Zukoski 等，J. Non-Cryst. Solids,第 104 卷，1988,95)。單分散的球形顆粒已經(jīng)用于廣泛范圍的應(yīng)用，例如發(fā)光材料、電子材料、生物材料等。具體地講，有許多工業(yè)領(lǐng)域利用二氧化硅顆粒的自組裝特性。例如，具有六角形封閉包結(jié)構(gòu)的自組裝的二氧化硅陣列可以使用光子帶隙應(yīng)用到光子晶體和光刻掩模。在電子通信領(lǐng)域中，自組裝的二氧化硅光子晶體作為新型的開關(guān)和波導(dǎo)介質(zhì)而受到關(guān)注。在如上所述的高性能的二氧化硅光子晶體介質(zhì)的制造中，最重要的部分是控制二氧化硅顆粒的排列。作為二氧化硅排列方法，已知的是使用光刻和全息攝像的間接方法和諸如沉淀、垂直沉積、旋涂、玻片涂布(slide coating)等的自組裝方法。然而，利用這些方法，難以在至少若干微米尺寸的大區(qū)域上實現(xiàn)無裂紋的均勻的顆粒排列，因此其應(yīng)用受到限制。具體地講，在需要大范圍上的三維排列的情況下，抑制排列過程中缺陷的產(chǎn)生要困難的多，因此商業(yè)化是成問題的。本申請的專利技術(shù)人認(rèn)識到上述困難可能是由于二氧化硅顆粒自身的固有問題以及在排列工藝中的困難，并最終致力于解決上述問題。因此，因為通過Stoeber方法合成的二氧化硅顆粒在顆粒的內(nèi)部和表面上包含大量的水分和有機物，所以如果這樣的二氧化硅顆粒經(jīng)歷排列而未經(jīng)過任何特定的處理，則水分和有機物會在排列過程中或在隨后的裝置制造過程中蒸發(fā)。這樣的蒸發(fā)會導(dǎo)致二氧化硅顆粒的尺寸、折射密度、介電常數(shù)、表面粗糙度等的變化，這會對排列的顆粒的規(guī)則性造成不利影響。具體地講，當(dāng)需要具有大面積或大體積的晶體時，由這樣的蒸發(fā)引起的小變化很有可能導(dǎo)致缺陷。專利技術(shù)的公開
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種通過抑制單分散的氧化物顆粒尤其是單分散二氧化硅顆粒根據(jù)外部環(huán)境變化(溫度、濕度等)而發(fā)生顆粒特性(顆粒尺寸、密度、形態(tài)、折射率、介電常數(shù)、表面粗糙度等)的變化來制備排列過程中產(chǎn)生的缺陷被最少化的氧化物顆粒的方法，以及具有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性且顆粒排列過程中產(chǎn)生的缺陷(例如，裂紋)被最少 化的單分散氧化物顆粒。為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種處理球形氧化物顆粒的方法，所述方法包括使氧化物顆粒經(jīng)歷室溫以上的熱處理。在本專利技術(shù)的一個實施例中，在室溫以上，具體地在至少100°C，更具體地在至少200°c，更具體地在至少400°C，或最具體地在至少550°C，并且通常在1000°C或以下，具體地在900°C或以下，更具體地在800°C或以下，或最具體地在750°C或以下，執(zhí)行所述熱處理。在本專利技術(shù)的另一實施例中，保持上述熱處理，直到球形氧化物顆粒的重量不發(fā)生明顯減少為止。在本專利技術(shù)的期望的實施例中，所述球形氧化物顆粒具有單分散分布，具體地，所述球形氧化物顆粒是具有單分散分布的二氧化硅顆粒。本專利技術(shù)還涉及通過上面描述的方法處理的球形氧化物顆粒。通過這樣的處理，通過蒸發(fā)或分解來去除留在氧化物顆粒中的水分、溶劑、副產(chǎn)物等。如此獲得的球形氧化物顆粒展現(xiàn)出下述特性中的至少一個(I)在至少550°C的熱處理之后，重量減少12重量％或更少、具體地10重量％或更少或最具體地9重量％或更少。(2)在至少550°C的熱處理之后，比表面積增大9%或更小、具體地8%或更小或最具體地7%或更小。(3)在至少550°C的熱處理之后，尺寸減小(基于平均直徑的變化)I. 5%或更小、具體地I. 3%或更小或最具體地I. 2%或更小。(4)當(dāng)使用FT-IR光譜在粉末狀態(tài)下進(jìn)行測量時，與在llOOcnT1下的透射率相比，在960CHT1下的透射率增大9 %或更小、具體地8 %或更小、最具體地7 %或更小。(5)在至少550°C的熱處理之后，當(dāng)使用小角X射線散射(SAXS)在粉末狀態(tài)下進(jìn)行測量時，Q在O. Ixm1至ΖηπΓ1范圍內(nèi)的區(qū)域的斜率比熱處理之前的斜率大8%或更小、具體地7 %或更小或最具體地6 %或更小。本專利技術(shù)還涉及上面描述的球形氧化物顆粒的用途，具體地，包括規(guī)則排列的球形氧化物顆粒的光器件，例如，光子晶體和涂布劑。在本專利技術(shù)的期望的實施例中，利用熱來處理通過溶膠-凝膠方法合成的單分散二氧化硅顆粒，從而通過蒸發(fā)或分解來去除留在顆粒表面上或顆粒內(nèi)部的水分和有機物，并預(yù)先引起可能在高溫下發(fā)生的顆粒內(nèi)部和顆粒表面上的結(jié)構(gòu)改變。這樣，即使在顆粒排列過程中或當(dāng)排列的顆粒暴露于干燥氣氛或高溫環(huán)境時，也不發(fā)生物理變化(在尺寸和形態(tài)方面)，從而允許大面積的穩(wěn)定排列，而不產(chǎn)生缺陷。附圖說明圖I示出了在示例I中制備的二氧化硅粉末(a)和未處理的二氧化硅粉末(b)的熱重分析的結(jié)果。圖2示出了在示例I中熱處理過的二氧化硅粉末(a)和未處理的粉末(b)的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖3示出了二氧化硅粉末的FT-IR光譜(a)表示在示例I中熱處理過的二氧化娃粉末，而(b)表不未處理的粉末。 圖4示出了在透射電子顯微鏡(TEM)下觀察到的二氧化硅顆粒的照片(a)和(b)表示在示例I中熱處理過的二氧化硅粉末，而(C)和(d)表示未處理的粉末。圖5中的(a)示出了二氧化硅粉末的小角X射線散射光譜分析虛線表示在示例I中熱處理過的二氧化硅粉末，而實線表示未處理的粉末。圖5中的(b)示出了分別在60°C、150°c、250°c、350°c、450°c、55(rc、70(rc、80(rc、90(rc 和 1000°C 下熱處理過的粉末的小角X射線散射光譜分析。圖6是在1000°C下熱處理過的二氧化硅的TEM照片。圖7示出了在硅片基底上排列的熱處理過的二氧化硅顆粒的SEM照片((a)和(b)是在1，000的放大倍率下觀察的；而(C)和(d)是在5，000的放大倍率下觀察的)。圖8示出了在硅片基底上排列的未處理的二氧化硅本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.04.30 KR 10-2010-00404201.一種用于處理球形氧化物顆粒的方法，所述方法包括 使球形氧化物顆粒經(jīng)歷室溫以上的熱處理，其中，球形氧化物顆粒滿足下述特征中的至少一個 (1)在至少550°c的熱處理之后，重量減少12重量％或更少； (2)在至少550°C的熱處理之后，比表面積增大9%或更小； (3)在至少550°C的熱處理之后，基于平均直徑的變化，尺寸減小2%或更小； (4)當(dāng)使用FT-IR光譜在粉末狀態(tài)下進(jìn)行測量時，與在llOOcnT1下的透射率相比，在960CHT1下的透射率增大9%或更小、具體地8%或更小、最具體地7%或更小；以及 (5)在至少550°C的熱處理之...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：樸鐘九，趙素惠，崔碧波，樸洙永，
申請(專利權(quán))人：韓國科學(xué)技術(shù)研究院，
類型：
國別省市：