突破性技術(shù)：激光燒結(jié)實現(xiàn)1毫米級無裂紋摻鉺二氧化硅薄膜

Lexsyg光譜儀精確驗證光學(xué)性能

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.03.035

在硅基光學(xué)器件領(lǐng)域，如何制備高厚度、無裂紋且具備優(yōu)異發(fā)光性能的薄膜一直是技術(shù)難題。克萊姆森大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊通過CO?激光燒結(jié)技術(shù)成功制備出厚度超過1毫米的無裂紋摻鉺二氧化硅薄膜，為微型化閃爍體和光學(xué)波導(dǎo)器件提供了全新解決方案。研究中，lexsyg research作為重要檢測設(shè)備，精確揭示了材料的發(fā)光特性與閃爍性能。

技術(shù)突破：從溶膠配方到激光燒結(jié)的全流程創(chuàng)新

1、溶膠-凝膠前驅(qū)體優(yōu)化

原料創(chuàng)新：采用四乙氧基硅烷（TEOS）與六甲基二硅氧烷（HMDS）混合體系，通過調(diào)控HMDS比例（硅摩爾占比25%），將凝膠時間延長至24小時，避免相分離。

稀土摻雜：引入0.5%的鉺離子（Er³?）和1%的鋁離子（Al³?），提升發(fā)光效率并抑制濃度淬滅，同時通過Pluronic F127聚合物調(diào)節(jié)溶膠流變性，減少干燥應(yīng)力。

2、CO?激光燒結(jié)工藝

設(shè)備配置：采用10.6 μm波長CO?激光（功率7 W，掃描速度1 mm/s），聚焦光斑直徑1 mm，通過局部快速加熱實現(xiàn)薄膜致密化。

厚度突破：單層薄膜厚度從傳統(tǒng)爐火燒結(jié)的500 nm提升至1毫米以上，且無裂紋產(chǎn)生，關(guān)鍵歸因于局部熱應(yīng)力松弛機制（有限元模型驗證，圖1）。

圖1. (A)二氧化硅:鉺在379nm激發(fā)下的PL光譜;(B)在550nm監(jiān)測二氧化硅:鉺的PL光譜；(C)二氧化硅在379nm激發(fā)下的PL光譜；(D)二氧化硅:鉺的RL光譜；和(E)二氧化硅的RL光譜。

性能驗證：lexsyg揭示材料發(fā)光特性

1、光致發(fā)光（PL）與放射發(fā)光（RL）測試

lexsyg重要作用：通過lexsyg research光譜儀對X射線激發(fā)下的薄膜進(jìn)行測試，結(jié)果顯示：摻鉺薄膜在550 nm處呈現(xiàn)強烈的Er³?特征峰（4S3/2→4I15/2躍遷），與光電倍增管檢測波段高度匹配。

發(fā)現(xiàn)：RL譜中觀察到467 nm峰（2P3/2→4I11/2躍遷），證實材料在輻射探測中的高靈敏度。

圖2.在以1 mm/s的速度進(jìn)行7w激光掃描之后，由AFM測量的薄膜厚度:(A)大約914 nm的原始厚度，和(B)大約3080 nm的原始厚度。

2、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與致密化

SEM/AFM分析：激光燒結(jié)后薄膜致密度接近熔融石英基底，收縮率穩(wěn)定在67%，與爐火燒結(jié)效果相當(dāng)。

應(yīng)力控制機制：有限元模擬表明，激光燒結(jié)通過 “軟區(qū)應(yīng)力釋放”抑制裂紋，而傳統(tǒng)燒結(jié)因整體受熱導(dǎo)致應(yīng)力累積。

結(jié)論與行業(yè)應(yīng)用前景

本研究通過溶膠-凝膠結(jié)合CO?激光燒結(jié)技術(shù)，突破傳統(tǒng)工藝的厚度限制，成功制備出1毫米級無裂紋摻鉺二氧化硅薄膜。lexsyg的高靈敏度光譜分析能力為材料性能驗證提供了可靠數(shù)據(jù)支持，凸顯其在光學(xué)材料研發(fā)中的不可替代性。該技術(shù)有望應(yīng)用于：

1、高能物理探測：如粒子加速器中的微型化閃爍體探測器；

2、醫(yī)學(xué)成像：X射線/γ射線成像設(shè)備的靈敏層材料。