含金刚石状体的材料的光学应用制造技术

公开了基于含金刚石状体材料的新型光学器件。可以由金刚石状体制造的材料包括金刚石状体形核的ＣＶＤ薄膜，含金刚石状体ＣＶＤ薄膜，分子晶体，和聚合物材料。这里公开的由含金刚石状体材料制造的器件包括固态染料激光器，半导体激光器，发光二极管，光电探测器，光敏电阻，光电晶体管，光生伏打电池，太阳能电池，抗反射涂层，透镜，镜面，压力窗，光波导，以及粒子和辐射探测器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术的实施方案大体上针对于含金刚石状体材料的光学应用。特别地，这些器件可以包括固态染料激光器，半导体激光器，发光二极管，光电探测器，光敏电阻，光电晶体管，光生伏打电池，太阳能电池，抗反射涂层，透镜，镜面，压力窗，光波导，以及粒子和辐射探测器。现有技术含碳材料提供了多种光学和光电子上的潜在应用。元素碳具有电子结构1s22s22p2，其中外壳层2s和2p电子能够依照两种不同模式(scheme)发生杂化。所谓的sp3杂化包括以四面体方式排列的四个相同σ键。所谓的sp2杂化包括三个三角形(并且呈平面形)的σ键和一个占据取向垂直于σ键平面的键的π轨道的未杂化p电子。晶体形态的“极端”状态是金刚石和石墨。在金刚石中，碳原子以四面体结构并以sp3杂化键合。石墨包括sp2杂化原子的平面“片层”，其中该片层通过垂直方向的π键发生弱的相互作用。碳也可以以其它的形态存在，包括称为“类金刚石碳”(DLC)的无定形形态，和分别称为“富勒烯”和“纳米管”的高度对称的球状和棒状结构。金刚石是一种特殊的材料因为它在许多不同种类的性能上最高(或最低，取决于人们的看法)。它不但是已知的最硬的材料，而且室温下的所有材料中它具有最高的热导率。它显示出非常好的从红外线到紫外线的透光性，并且它在所有的透明材料中具有最高的折射率，而且由于它具有非常宽的能带间隙因此它是一种非常好的电绝缘体。它还显示出高的电击穿强度，和非常高的电子和空穴迁移率。一种未在文献中广泛论述的碳的形式是“金刚石状体(diamondoid)”。金刚石状体是桥环环烷烃，其中包括金刚烷，二金刚烷(diamantane)，三金刚烷，和金刚烷(三环癸烷)的四聚物，五聚物，六聚物，七聚物，八聚物，九聚物，十聚物等，金刚烷具有化学计量式C10H16，其中不同的金刚烷单元以面稠合(face-fused)形成更大的结构。这些金刚烷单元基本上是金刚石状体的子单元。该化合物具有“金刚石状体”拓扑结构，因为它们的碳原子排列可以叠合在一部分FCC(面心立方)的金刚石晶格上。根据本专利技术的实施方案，可以向金刚石晶格中插入供电子杂原子和吸电子杂原子，由此(分别)产生n型和p型材料。该杂原子基本上是“掺入”金刚石晶格的杂质原子，因此避免了现有技术方法的许多缺点。专利技术概述本专利技术的实施方案针对包括含金刚石状体材料的光学器件。一种这样的器件是固态染料激光器，该激光器包括含金刚石状体的激光介质，用于将能量传递到激光介质的光泵浦系统，和用于处理由激光介质发射的光的光谐振腔。该固态染料激光器含有激光介质，该介质可包括含金刚石状体的主体包含材料和该主体材料中的至少一个色心或光学活性掺杂物或者其两者。该色心包含与至少一个空穴或孔相邻的杂金刚石状体中的至少一个氮杂原子。该掺杂物可以是稀土元素或过渡金属，锕系元素，镧系元素或它们的组合。该掺杂物可以选自如下钛，钒，铬，铁，钴，镍，锌，锆，铌，镉，铪，钽，钨，铼，锇，铱，铂，金，汞，铈，镨，钕，钷，钐，铕，钆，铽，镝，钬，铒，铥，镱，铀，和它们的组合。本专利技术的实施方案还包括具有发光p-n结的半导体激光器，该发光p-n包含位于n型材料相邻位置的p型含金刚石状体材料以便形成光发射p-n结，或者该发光p-n结包含位于p型材料相邻位置的n型含金刚石状体材料以便形成光发射p-n结。该半导体激光器可以另外包含向p-n结的施加正向偏压的装置以便从该p-n结引起激光的发射。本专利技术的实施方案还包括发光二极管，该发光二极管包含具有能带间隙的含金刚石状体材料，和产生电场的装置以便引起至少一次电子跃迁以便光从该二极管发出。该电子跃迁可以跨过该能带间隙发生。可以对该发光二极管进行进一步的配置以便在没有该能带间隙中的电子状态参与的情况下发生电子跃迁。本专利技术的实施方案还包括光电探测器，该光电探测器包含具有能带间隙的含金刚石状体材料，和处理由至少一次电子跃迁引起的电流的装置，该跃迁是由于光被材料的吸收产生的。该电子跃迁可以跨过该能带间隙发生。可以对该光电探测器进行进一步的配置以便在没有该能带间隙中的电子状态参与的情况下发生电子跃迁。另外的实施方案包括选自光敏电阻，光电晶体管，光生伏打电池，和太阳能电池的含金刚石状体的光学器件。还可以考虑用作含金刚石状体光学器件的是透镜，镜面，压力窗，和光波导。依照本专利技术的实施方案的抗反射涂层包含至少一对交替排列的高折射率含金刚石状体层和低折射率层。这里公开的每一种光学器件至少部分上是由选自CVD沉积膜，分子晶体，和聚合膜的含金刚石状体材料制成。该材料包含至少一种选自金刚烷，二金刚烷，和三金刚烷，和它们的杂金刚石状体(heterdiamondoid)衍生物的金刚石状体。另一个实施方案中，该材料包含至少一种选自四金刚烷，五金刚烷，六金刚烷，七金刚烷，八金刚烷，九金刚烷，十金刚烷，和十一金刚烷，和它们的杂金刚石状体衍生物的金刚石状体。附图简述附图说明图1是本专利技术实施方案的概述，显示了从石油中离析金刚石状体，合成含金刚石状体和杂金刚石状体的材料，和由该含金刚石状体和杂金刚石状体材料制造光学和光电子器件的步骤；图2显示了从石油中离析金刚石状体的典型工艺流程；图3说明了金刚石状体与金刚石晶格的关系，并列举了许多存在化学计量式的金刚石状体；图4说明了典型的杂金刚石状体，并指出可以用杂原子取代的碳位置的类型；图5A-B说明了合成加工杂金刚石状体的典型途径；图6说明了可以使用化学气相沉积(CVD)技术在其中制造含非掺杂金刚石状体材料，或n型和p型杂金刚石状体材料的典型处理反应器；图7A-C说明了可以使用杂金刚石状体将掺杂的杂质原子引入生长中的金刚石薄膜的典型工艺；图8A-C描述了可以由金刚石状体制成的典型聚合材料；图8D是由n型或p型杂金刚石状体合成聚合物的典型反应模式；图9A-N显示了作为聚合物时可导电的典型连接基团，并且可以使用该基团连接杂金刚石状体产生n型和p型材料；图10说明了由通过聚苯胺低聚体连接的杂金刚石状体制成的典型n型或p型材料；图11是说明典型的金刚石状体，五金刚烷是如何堆垛形成分子晶体的立体图；图12显示了各杂金刚石状体如何在分子水平上偶联形成n型或p型器件；图13A，B分别是直接带隙半导体，和间接带隙半导体的能量相对动量的曲线图；图13C是具有纳米晶粒或量子水平形态的间接带隙半导体的能量相对动量的曲线图；图14A是用来描述金刚石中的氮杂原子的术语的定义框图(引自M.H.Nazare和A.J.Neves编辑的Properties，Growth and Applications ofDiamond(Inspec，London，2001)，第130-133页I.Kiflawi等人的“Theoryof aggregation of nitrogen in diamond，”)；图14B显示了金刚石中可引起激光色心的氮杂原子和空穴的不同构造(引自M.H.Nazare和A.J.Neves编辑的Properties，Growth andApplications of Diamond(Inspec，London，2001)，第127-129页R.Jones等人的“Theory of aggregation of nitrogen in diamond，”)本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括含金刚石状体的材料的光学器件。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：JE达尔，RM卡尔森，刘升高，
申请(专利权)人：切夫里昂美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]