(57)【要約】ホスト母材と、ホスト母材内に分散した複数のナノ粒子とを含む複合材料。複数のナノ粒子の各々は、ナノ粒子を封止しホスト母材内のナノ粒子の凝集を防止する、ハロゲン化した外部被覆層を含むことができる。また、本発明は、複合材料を形成するプロセスを含む。ナノ粒子材料に応じて、複合材料には、光デバイス、窓ガラス、ミラー、ミラーパネル、光学レンズ、光学レンズアレイ、光ディスプレイ、液晶ディスプレイ、陰極線管、光フィルター、光素子、より一般的に素子と呼ばれる全てのものを含むが制限することのない、様々な用途がある。
2005529984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホスト母材と、
ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料。
【請求項２】
前記ナノ粒子の大部分が少なくとも1層の被覆を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３】
前記ナノ粒子の大部分がハロゲン含有外部層を含む請求項2に記載の複合材料。
【請求項４】
前記ホスト母材が少なくとも1種のポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５】
前記複数のナノ粒子を、前記複合材が実質上等方性を示すように、前記ホスト母材内に分散する請求項1に記載の複合材料。
【請求項６】
前記ホスト母材が、ハロゲン化エラストマー、過ハロゲン化エラストマー、ハロゲン化プラスチック、及び過ハロゲン化プラスチックから選択される請求項1に記載の複合材料。
【請求項７】
前記ホスト母材が、以下の式：
【化１】
2005529984.tif 000009
(式中、R1、R2、R3、R4、R5は、同じであっても異なってもよく、各々が炭化水素ベースの直鎖または分岐鎖であって、少なくとも１個の炭素ベースの環を形成することが可能であり、飽和または不飽和であり、前記炭化水素ベース鎖の少なくとも１個の水素原子がハロゲン化されていてもよく、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アリール、ハロゲン化環状アルキル、ハロゲン化アルケニル、ハロゲン化アルキレンエーテル、ハロゲン化シロキサン、ハロゲン化エーテル、ハロゲン化ポリエーテル、ハロゲン化チオエーテル、ハロゲン化シリレン、ハロゲン化シラザンから選択され、
Y1およびY2は、同じであっても異なってもよく、H、F、Cl、Br原子から選択され、
Y3はH、F、Cl、Br原子、CF3、CH3から選択される)
から選択される少なくとも1個のハロゲン化モノマーを有するポリマー、コポリマーまたはターポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項８】
R1、R2、R3、R4、R5が少なくとも部分的にフッ素化されている請求項7に記載の複合材料。
【請求項９】
R1、R2、R3、R4、R5が完全にフッ素化されている請求項7に記載の複合材料。
【請求項１０】
R1、R2、R3、R4、R5の少なくとも1個が、飽和または不飽和炭化水素ベースの鎖であるC1〜C10の直鎖または分岐鎖から選択される請求項7に記載の複合材料。
【請求項１１】
前記ホスト母材が、以下のモノマー反応： 
HO-R-OH + NCO-R'-NCOまたは
HO-R-OH + Ary1-Ary2
(式中、R、R'は同じでも異なってもよく、ハロゲン化アルキレン、ハロゲン化シロキサン、ハロゲン化エーテル、ハロゲン化シリレン、ハロゲン化アリーレン、ハロゲン化ポリエーテル、及びハロゲン化環状アルキレンの1種から選択され、
Ary1、Ary2は同じでも異なってもよく、各々ハロゲン化アリールおよびハロゲン化アルキルアリールから選択される。) 
の少なくとも1種のポリマー縮合製品を含む請求項7に記載の複合材料。
【請求項１２】
前記ホスト母材が、ハロゲン化ポリカーボナート、ハロゲン化環状オレフィンポリマー、ハロゲン化環状オレフィンコポリマー、ハロゲン化多環式ポリマー、ハロゲン化ポリイミド、ハロゲン化ポリエーテルエーテルケトン、ハロゲン化エポキシ樹脂、及びハロゲン化ポリスルホンから選択される材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項１３】
前記のホスト母材が、2種またはそれ以上の異なるフルオロポリマー材料の組み合わせを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項１４】
前記ポリマーホスト母材が、ホスフィナート、ホスファート、カルボキシラート、シラン、シロキサン、及びスルフィドから選択される官能基を有するハロゲン化ポリマーをさらに含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項１５】
前記官能基が、POOH、POSH、PSSH、OH、SO3H、SO3R、SO4R、COOH、NH2、NHR、NR2、CONH2、NH-NH2(Rは、少なくとも１個の炭素ベースの環を形成することが可能であり、飽和または不飽和である、炭化水素ベースの直鎖または分岐鎖の、アルキレン、シロキサン、シラン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、及びシラザンを表す)から選択される請求項14に記載の複合材料。
【請求項１６】
前記ホスト母材を含む少なくとも1種の材料が、ビニル、アクリラート、メタクリラート、ビニル芳香族、ビニルエステル、アルファベータ不飽和酸エステル、不飽和カルボン酸エステル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、ジエンモノマーのホモポリマー若しくはコポリマーから選択される請求項1に記載の複合材料。
【請求項１７】
前記ホスト母材が水素含有フルオロエラストマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項１８】
前記ホスト母材が、架橋したハロゲン化ポリマーをさらに含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項１９】
前記ハロゲン化ポリマーがフッ素化ポリマーを含む請求項18に記載の複合材料。
【請求項２０】
前記ポリマーが過ハロゲン化ポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２１】
前記過ハロゲン化ポリマーが過フッ素化ポリマーを含む請求項20に記載の複合材料。
【請求項２２】
前記ポリマーが過ハロゲン化エラストマーを含む請求項20に記載の複合材料。
【請求項２３】
前記ホスト母材が水素含有ペルフルオロエラストマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２４】
前記ホスト母材が水素含有フルオロプラスチックを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２５】
前記ホスト母材が熱可塑性水素含有ペルフルオロプラスチックを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２６】
前記ホスト母材が、ハロゲン化、フッ素化、および過フッ素化ポリマーから選択される少なくとも1種の材料の混合物を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２７】
前記ホスト母材がポリ[2,2-ビストリフルオロメチル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２８】
前記ポリマーホスト母材がポリ[2,2-ビスペルフルオロアルキル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項２９】
前記ホスト母材がポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３０】
前記ポリマーホスト母材がポリ[2,2,4-トリフルオロ-5-トリフルオロメトキシ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３１】
前記ホスト母材がポリ(ペンタフルオロスチレン)を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３２】
前記ホスト母材がフッ素化ポリイミドを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３３】
前記ホスト母材がフッ素化ポリメチルメタクリラートを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３４】
前記ホスト母材がポリフルオロアクリラートを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３５】
前記ホスト母材がポリフルオロスチレンを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３６】
前記ホスト母材がフッ素化ポリカーボナートを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３７】
前記ホスト母材がペルフルオロ-多環式ポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３８】
前記ポリマーホスト母材がフッ素化環状オレフィンポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項３９】
前記ホスト母材が、環状オレフィンのフッ素化コポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４０】
前記複数のナノ粒子が、希土類金属、遷移金属、V族元素、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の元素を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４１】
前記複数のナノ粒子が、希土類金属、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の元素を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４２】
前記複数のナノ粒子が、遷移金属、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の元素を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４３】
前記複数のナノ粒子が、V族元素、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の成分を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４４】
前記複数のナノ粒子が、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の成分を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４５】
前記少なくとも1種の元素が、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハライド、ニトリド、ニトラート、スルフィド、ジルコナート、セレニド、スルホセレニド、オキシスルフィド、ホスフィナート、ヘキサフルオロホスフィナート、及びテトラフルオロボラートから選択される少なくとも1種の材料と結合する請求項40に記載の複合材料。
【請求項４６】
前記少なくとも1種の元素が、Cr3+およびCr4+から選択され、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハライド、ニトリド、ニトラート、スルフィド、ジルコナート、セレニド、スルホセレニド、オキシスルフィド、ホスフィナート、ヘキサフルオロホスフィナート、及びテトラフルオロボラートから選択される少なくとも1種の材料と結合する請求項40に記載の複合材料。
【請求項４７】
前記複数のナノ粒子が半導体材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項４８】
前記複数のナノ粒子が、Si、PbS、Ge、GaP、GaAs、InP、InAs、InSb、PbSe、及びPbTeから選択される半導体材料を含む請求項47に記載の複合材料。
【請求項４９】
前記複数のナノ粒子が、III族〜V族の元素から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５０】
前記複数のナノ粒子が、n-型のIII族〜V族の元素から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５１】
前記複数のナノ粒子が、貴金属、Cu、およびその合金から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５２】
前記複数のナノ粒子が、遷移金属元素、遷移金属錯体、遷移金属含有材料、遷移金属酸化物、遷移金属含有ポリマーから選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５３】
前記複数のナノ粒子が、約1〜約5の範囲の屈折率を有する少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５４】
前記複数のナノ粒子が、約1.5〜約4.5の範囲の屈折率を有する少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５５】
前記複数のナノ粒子が、染料ナノ粒子から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５６】
前記複数のナノ粒子が、Cr3+、Cr4+、Ca2GeO4から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５７】
前記複数のナノ粒子が、Si、PbS、Ge、GaP、GaAs、InP、InAs、InSb、PbSe、PbTe、ニオブ酸リチウム、非線形の光発色団、及び有機染料から選択される少なくとも1種の材料をさらに含む請求項40に記載の複合材料。
【請求項５８】
前記複数のナノ粒子が、POOH、POSH、PSSH、OH、SO3H、SO3R、SO4R、COOH、NH2、NHR、NR2、CONH2、及びNH-NH2(Rは、炭化水素ベースの直鎖または分岐鎖であって、少なくとも１個の炭素ベースの環を形成することが可能であり、飽和または不飽和であり、アルキレン、シロキサン、シラン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、及びシラザンから選択される)から選択される少なくとも1種の官能基を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項５９】
前記複数のナノ粒子が少なくとも1種のポリマーを含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項６０】
前記少なくとも1種のポリマーが、ビニル、アクリル、ビニル芳香族、ビニルエステル、アルファベータ不飽和酸エステル、不飽和カルボン酸エステル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、及びジエンモノマーのホモポリマー若しくはコポリマーから選択される請求項59に記載の複合材料。
【請求項６１】
前記複数のナノ粒子の大部分が約50nm未満の主要寸法を有する請求項1に記載の複合材料。
【請求項６２】
前記複数のナノ粒子が、第1の種類の活性材料を含む第1の群の粒子と、第1の種類とは異なる種類の活性材料を含む少なくとも1種の群とをさらに含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項６３】
前記ナノ粒子の大部分が、フッ素、塩素、及び臭素原子の少なくとも1種を含むハロゲン化外部被覆層を含む請求項1に記載の複合材料。
【請求項６４】
前記ハロゲン化外部被覆層が、ハロゲン化ポリホスファート、ハロゲン化ホスファート、ハロゲン化ホスフィナート、ハロゲン化ジチオホスフィナート、ハロゲン化ピロホスファート、ハロゲン化アルキルチタナート、ハロゲン化アルキルジルコナート、ハロゲン化シラン、ハロゲン化アルコール、ハロゲン化アミン、ハロゲン化カルボキシラート、ハロゲン化アミド、ハロゲン化スルファート、ハロゲン化エステル、ハロゲン化酸塩化物、ハロゲン化アセチルアセトナート、ハロゲン化チオール、及びハロゲン化アルキルシアニドから選択される少なくとも1種の材料から形成される請求項63に記載の複合材料。
【請求項６５】
前記ハロゲン化外部被覆層がフッ素化されている請求項64に記載の複合材料。
【請求項６６】
前記複数のナノ粒子が、ハロゲン化外部被覆層の下に配設された内部被覆層をさらに含み、内部被覆層が1種または複数の不動態層を含む請求項63に記載の複合材料。
【請求項６７】
前記ハロゲン化外部被覆層が、少なくとも1種の複数のナノ粒子のラジカル基と反応し中和する材料を含む請求項63に記載の複合材料。
【請求項６８】
前記ラジカル基がＯＨである請求項67に記載の複合材料。
【請求項６９】
前記ラジカル基がエステルを含む請求項67に記載の複合材料。
【請求項７０】
複数のナノ粒子の大部分をハロゲン化外部層で被覆すること、及び
複数の被覆したナノ粒子をホスト母材材料中に分散することを含む、複合材料を形成するプロセス。
【請求項７１】
前記ホスト母材材料が少なくとも1種のポリマーを含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７２】
前記ホスト母材材料が少なくとも1種のハロゲン含有ポリマーを含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７３】
複数のナノ粒子の各々をハロゲン化外部層で被覆する前に、複数のナノ粒子の大部分に1層または複数の不動態層を形成することをさらに含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７４】
前記ナノ粒子の大部分を被覆することが、
ハロゲン含有被覆材料を存在させて複数のナノ粒子を形成すること、及び
ナノ粒子の大部分に原位置でハロゲン化外部層を形成することをさらに含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７５】
前記ナノ粒子の大部分を被覆することが、ハロゲン含有被覆材料を含む溶液中にナノ粒子を分散することをさらに含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７６】
前記ナノ粒子の大部分を被覆することが、
ハロゲン化外部層を形成する成分を含む溶媒中にナノ粒子を置くこと、及び
化学置換反応を行って、複数のナノ粒子の大部分に既に存在する被覆をハロゲン化外部層で置換することをさらに含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７７】
前記分散することが、
ナノ粒子とホスト母材を溶媒に共溶解して溶液を形成すること、
溶液を基板上にスピンコーティングすること、及び
溶液から溶媒を蒸発させることを含む請求項70に記載のプロセス。
【請求項７８】
前記ホスト母材がモノマーホスト母材である請求項70に記載のプロセス。
【請求項７９】
ナノ粒子をホスト母材中に分散した後にモノマーを重合することをさらに含む請求項78に記載のプロセス。
【請求項８０】
入射光を伝送するコアと、
コアの周りに配設されたクラッド材料とを含む光導波管であって、前記光導波管のコアが、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内に分散された複数のナノ粒子とを含む、光導波管。
【請求項８１】
前記複数のナノ粒子が少なくとも1層のハロゲン化外部層を含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８２】
前記ホスト母材が、ハロゲン化エラストマー、過ハロゲン化エラストマー、ハロゲン化プラスチック、及び過ハロゲン化プラスチックから選択される少なくとも1種の材料を含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８３】
前記ホスト母材が、水素含有ペルフルオロエラストマー、水素含有フルオロプラスチック、熱可塑性ペルフルオロプラスチック、少なくとも2種の異なるフルオロポリマー材料の混合物、ポリ[2,2-ビストリフルオロメチル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ[2,2-ビスペルフルオロアルキル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]、ポリ[2,2,4-トリフルオロ-5-トリフルオロメトキシ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ(ペンタフルオロスチレン)、フッ素化ポリイミド、フッ素化ポリメチルメタクリラート、ポリフルオロアクリラート、ポリフルオロスチレン、フッ素化ポリカーボナート、ペルフルオロ-多環式ポリマー、フッ素化環状オレフィンポリマー、及び環状オレフィンのフッ素化コポリマーから選択される少なくとも1種の材料を含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８４】
前記複数のナノ粒子が、希土類金属、V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、及びBi3+から選択される少なくとも1種の材料を含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８５】
前記少なくとも1種の材料が、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハロゲニド、ニトリド、スルフィド、セレニド、スルホセレニド、オキシスルフィド、ホスフィナート、ヘキサフルオロホスフィナート、及びテトラフルオロボラートから選択される少なくとも1種の材料と結合する請求項80に記載の光導波管。
【請求項８６】
前記少なくとも1種の材料が、Cr3+およびCr4+から選択され、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハロゲニド、ニトリド、スルフィド、セレニド、スルホセレニド、オキシスルフィド、ホスフィナート、ヘキサフルオロホスフィナート、及びテトラフルオロボラートから選択される少なくとも1種の材料と結合する請求項80に記載の光導波管。
【請求項８７】
前記複数のナノ粒子がポリマーを含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８８】
前記ハロゲン化外部被覆層が、フッ素、塩素、及び臭素から選択される少なくとも1種のハロゲンを含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項８９】
前記ハロゲン化外部被覆層が、ハロゲン化ポリホスファート、ハロゲン化ホスファート、ハロゲン化ホスフィナート、ハロゲン化ジチオホスフィナート、ハロゲン化ピロホスファート、ハロゲン化アルキルチタナート、ハロゲン化アルキルジルコナート、ハロゲン化シラン、ハロゲン化アルコール、ハロゲン化アミン、ハロゲン化カルボキシラート、ハロゲン化アミド、ハロゲン化スルファート、ハロゲン化エステル、ハロゲン化酸塩化物、ハロゲン化アセチルアセトナート、ハロゲン化チオール、及びハロゲン化アルキルシアニドを含む群から選択される少なくとも1種の材料から形成される請求項80に記載の光導波管。
【請求項９０】
前記複数のナノ粒子が、ハロゲン化外部層の被覆層の下に配設された少なくとも1層の内部被覆をさらに含み、前記内部被覆が少なくとも1層の不動態層を含む請求項80に記載の光導波管。
【請求項９１】
前記複数のナノ粒子の大部分が、約50nm未満の主要寸法を有する請求項80に記載の光導波管。
【請求項９２】
素子の利得媒体を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とをさらに含む複合材料と、及び
前記ホスト母材を、希土類金属、Cr3+、Cr4+、Ni2+、V3+、Ti3+、Bi3+、Co2+、及びFe2+から選択される少なくとも1種の材料を含む粒子の有効量でドープすることを含むプロセス。
【請求項９３】
素子の電気光学特性を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成すること、及び
前記ホスト母材を、ニオブ酸リチウム、GaAs、非線形の光発色団、有機染料から選択される少なくとも1種の材料を含むナノ粒子でドープすることを含むプロセス。
【請求項９４】
前記少なくとも1種の有機染料が、ジチオフェンの誘導体、ジフェノキノイド、及びアントラキノジメタンから選択される請求項93に記載のプロセス。
【請求項９５】
素子の磁気光学特性を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成すること、及び
前記ナノ粒子に、YVO4、TbPO4、HoYbBiIG、(Cd、Mn、Hg)Te、MnAs、Y2.82Ce0.18Fe5O12、Bi-置換鉄ガーネット、イットリウム鉄ガーネット、テルビウムガリウムガーネット、ニオブ酸リチウム、並びにTb+3、Y+3、及びCe+3から選択される少なくとも１種のナノ粒子を含む常磁性希土類イオンから選択される少なくとも1種の材料を有効量加えることを含むプロセス。
【請求項９６】
前記ナノ粒子の濃度が、複合材料の約10容積%〜約95容積%の範囲である請求項95に記載のプロセス。
【請求項９７】
素子の磨耗抵抗特性を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成すること、及び
前記ホスト母材を少なくとも1種の硬質材料の有効量でドープすることを含むプロセス。
【請求項９８】
前記少なくとも1種の硬質材料が、SiO2、TiO2、及びYAGから選択される請求項97に記載のプロセス。
【請求項９９】
素子の光吸収特性を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成すること、及び
前記ナノ粒子を、光透明性の高い非晶質材料で被覆することを含むプロセス。
【請求項１００】
前記非晶質ポリマー材料が、被覆された無機、有機、およびポリマーナノ粒子から選択される少なくとも1種の材料を含み、希土類金属から選択される材料を含む少なくとも1種のナノ粒子をさらに含む請求項100に記載のプロセス。
【請求項１０１】
前記希土類金属が、Nd+3、Pr+3、及びHo+3から選択される請求項99に記載のプロセス。
【請求項１０２】
前記ナノ粒子が、約450nm、525nm、または575nmの波長で光吸収特性を示す請求項99に記載のプロセス。
【請求項１０３】
素子の熱安定特性を改善するプロセスであって、
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成すること、及び
前記ホスト母材を、負の熱膨張係数を有する材料から選択される少なくとも1種の材料を含むナノ粒子の有効量でドープすることを含むプロセス。
【請求項１０４】
前記負の熱膨張係数を有する少なくとも1種の材料が、Ni-Ti合金、ZrW2O8、ZrMo2O8、Y2(WO4)3、VをドープしたZrP2O7、ZrV2O7、(Zr2O)(PO4)2、Th4(PO4)4P2O7、及びAOMO4から選択され、式中、
AはNbおよびTaから選択され、
MはP、As、Vから選択される請求項103に記載のプロセス。
【請求項１０５】
前記負の熱膨張係数を有する少なくとも1種の材料が、式(I)の材料から選択され、
A1-y4+Ay1+Ay3+V2-xPxO7    (I)
式中、A4+はHf、Zr、ZraMb、およびHfaMbおよびその混合物から選択され、
a+b=1であり、
A1+はアルカリ土類金属から選択され、
A3+は希土類金属から選択され、
MはTi、Ce、Th、U、Mo、Pt、Pb、Sn、Ge、またはSiから選択され、
yは約0〜約0.4の範囲であり、
xは約0.6〜約1.4の範囲である請求項103に記載のプロセス。
【請求項１０６】
式(I)を有する前記少なくとも1種の材料が、(ZrO)2VP2O7、ZrVPO7、Zr0.8Li0.2Y0.2VPO7、Zr0.8Ce0.2VPO7、及びHfVPO7から選択される請求項105に記載のプロセス。
【請求項１０７】
ハロゲンポリマーホスト母材と、
前記ハロゲン化ポリマーホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む組成物。
【請求項１０８】
素子の化学抵抗性を改善するプロセスであって、
ハロゲン含有ポリマーホスト母材と、
前記ハロゲン含有ポリマーホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成することを含むプロセス。
【請求項１０９】
素子の水吸収性を減少するプロセスであって、
ハロゲン含有ポリマーホスト母材と、
前記ハロゲン含有ポリマーホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成することを含むプロセス。
【請求項１１０】
素子の生物適合性を改善するプロセスであって、
ハロゲン含有ポリマーホスト母材と、
前記ハロゲン含有ポリマーホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料から前記素子を形成することを含むプロセス。
【請求項１１１】
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子を含む集積光素子。
【請求項１１２】
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子を含み、
前記ナノ粒子が有効量の活性剤を含む薬剤送達デバイス。
【請求項１１３】
前記ナノ粒子の大部分が、有効量の生物適合性材料で被覆される請求項112に記載のデバイス。
【請求項１１４】
ホスト母材と、
前記ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマーナノ複合材などの複合材料に関する。本発明によるポリマーナノ複合材はホスト母材と、ホスト母材内の複数のナノ粒子を含む。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国特許法第119(e)条に基づき、2002年2月19日出願の米国仮出願第60/357,958号、および2002年12月2日出願の米国仮出願第60/430,043号の優先権を主張するものであり、いずれも参照により本明細書に組み込まれている。
【０００３】
複合材料は良く知られており、一般に各々その一連の特性または特質を提供する２種またはそれ以上の材料を含む。２種またはそれ以上の材料は互いに結合して各材料から導かれる特性を示す系を形成することができる。複合材の通常の形は、ホスト母材中に分散された第２材料を有する第１材料（ホスト母材）本体である。
【０００４】
複合材料の一種はホスト母材材料中に分散されたナノ粒子を含む。ナノ粒子はナノメートルの尺度で測定されるサイズを有する材料の粒子である。一般に、ナノ粒子はクラスター（場合によって僅かに数百個の原子である）よりも大きいが、バルク体積に対する表面積の比が比較的大きい。大部分のナノ粒子は約10nm〜約500nmのサイズを有するが、用語のナノ粒子はこの範囲を超えるサイズを有する粒子も含むことができる。例えば、約1nm程度のサイズおよび約1×103nm程度の粒子もやはりナノ粒子とみなすことができる。ナノ粒子は多くの種類の材料から作製することができる。これらの材料の例には、遷移金属、希土類金属、VA族元素、ポリマー、染料、半導体、アルカリ土類金属、アルカリ金属、IIIA族元素、IVA族元素が含まれる。
【０００５】
さらに、ナノ粒子そのものもナノ粒子の複合材と考えることができ、広範囲の材料、単一元素、元素の混合物、化学量論的または非化学量論的化合物を含むことができる。材料は、結晶質、非晶質、または混合物、またはそれらの構造の組み合わせとすることができる。
【０００６】
ホスト母材は非晶質有機ポリマーなどの不規則なガラス状母材を含むことができる。有機ポリマーは、典型的な炭化水素ポリマーおよびハロゲン化ポリマーを含むことができる。一般に、プラナー光導波管、光ファイバー、光フィルム、またはバルク光素子、例えば光学レンズもしくはプリズムなどの光素子では、光損失の総計を最小に保つことが望ましい。例えばプラナー光導波路の場合、損失の総計は0.5dB/cmに等しいかこれよりも小さく、0.2dB/cmよりも小さくなければならない。光材料として使用される透明度の高い光媒体にとって基本的な要求事項は、媒体が吸収および散乱損失が少ないか、無いことである。
【０００７】
通常、固有の吸収損失は、元来、電子、振動、または電子−振動の結合したモードである基本励起によるものである。さらに、光素子のデバイス動作波長は、特に標準的なシリカガラス光ファイバー若しくは導波管の低損失光ウィンドーに配置された850nm、1310、1550nmの通信波長の場合、これらの励起の基本波長またはオーバートーン波長とは大きな違いが維持されねばならない。さらに、これらの吸収性オーバートーンは炭化水素ポリマーを物理的または化学的に劣化させ、それによって光ファイバーまたは導波管中の信号減衰の追加、また時には恒久的な増加を招くことがある。
【０００８】
材料の散乱損失は、信号波が、通常は均質で均一な光媒体の急激な屈折率の変化に遭遇するときに発生する。これらの不連続性は、組成物の不均一性、結晶質性、ナノ多孔質構造、空隙、破断、歪み、欠陥、または埃や他の粒子などの異物に由来する可能性がある。
【０００９】
様々な光散乱損失の機構の中で、重要な要因は光材料の多孔質性である。例えば表面エネルギー、溶解性、ガラス転移温度、エントロピー等の様々な材料特質と、例えば温度、圧力、雰囲気等の加工条件の間の相互作用の結果、非晶質ペルフルオロポリマーなどの光材料は、通常の加工条件下で大量のナノ孔構造を呈する可能性がある。それらのナノ孔構造は光散乱損失を招くので、所定の低光損失デバイス性能の要求を満たすためには、ナノ孔構造を除去するか、またはより小さなサイズへ変換しなければならない。より小さなサイズの孔はナノ孔と呼ばれる。ナノ孔は、材料中のナノメートル尺度で測定されるサイズの孔である。一般に、ナノ孔は原子のサイズよりも大きいが、1000nmよりも小さい。大部分のナノ孔は約１nm〜約500nmのサイズを有するが、用語のナノ孔はこの範囲外のサイズを有する孔にも当てはめることができる。例えば、約0.5nmの小さなサイズから1×103の大きなサイズまでナノ孔と考えることができよう。
【００１０】
ナノ粒子を光学的に透明なホスト母材に導入することによって、ナノ粒子に起因する吸収と散乱損失が光損失に加わる可能性がある。ホスト母材からの損失を制御することに加えて、光損失を最小に保つためには、光用途のためのホスト母材に添加したナノ粒子からの吸収と散乱損失を制御することが重要である。
【００１１】
ホスト母材中に添加されたほぼ球状の個々のナノ粒子では、粒子の存在に由来する散乱損失α（単位長さ当たりのdB）は、粒子直径dと、ナノ粒子と導波管コアの屈折率の比m=npar/ncoreと、ホスト導波管コア中のナノ粒子の容積画分Vpとに依存する。ナノ粒子から誘導される散乱損失は、
【００１２】
【数１】
2005529984.tif 000003
（式中、λは導波管内に導かれた光の真空中の伝播波長である。）で算出することができる。
【００１３】
例として、m=2、Vp=10%、λ=1550nm、d=10nmのとき、散乱損失αの計算値は0.07dB/cmである。設定した損失仕様、したがってナノ粒子から誘導される導波管損失の設定値αを有する所定の導波管デバイスを作製するには、ナノ粒子直径dは以下の式の関係を満たさなければならない。
【００１４】
【数２】
2005529984.tif 000004
（式中、λは導波管内に導かれた光の真空中の伝播波長であり、m=npar/ncoreはナノ粒子と導波管コアの屈折率の比であり、Vpはホスト導波管コア中のナノ粒子の容積画分である。）
【００１５】
例えば、式２に従って、ナノ粒子の損失設定値α=0.5dB/cmで、m=2、Vp=10%、λ=1550nmのとき、ナノ粒子の直径dは19nmよりも小さくなければならない。一般に、ナノ粒子の直径は約50nmよりも小さくなければならず、20nmよりも小さいことがさらに好ましい。
【００１６】
ナノ粒子の損失の説明は、ナノ孔を屈折率1のナノ粒子と等価であるとみなすことによって、伝播損失へのナノ孔の寄与についても適用することができる。
【００１７】
ホスト母材材料中に分散されたナノ粒子を含む複合材料は光用途に使用されてきた。例えば、米国特許第5,777,433号('433特許)は、ホスト母材材料内に分散された複数のナノ粒子を含むパッケージ材料を含む発光ダイオード(LED)を開示している。ナノ粒子はホスト母材材料の屈折率を増加させて、パッケージ材料中に配設された比較的高い屈折率のLEDチップに対してより適合性のあるパッケージ材料を作り出す。ナノ粒子はパッケージ材料を通る光と相互作用しないので、パッケージ材料はLEDから放射される光に対して実質上透明性を保つ。
【００１８】
433特許に使用されるパッケージ材料は、ホスト母材材料内に分散されたナノ粒子から導かれるいくつかの利点を提供するが、'433特許の複合材料には問題が残る。例えば、'433特許の複合材料は、ホスト母材材料としてガラスまたはエポキシやプラスチックなどの通常の炭化水素ポリマーを含む。これらの材料はいくつかの用途には適しているが、多くの他の領域で複合材料の可能性が制限される。例えば、'433特許のホスト母材材料は通常高い吸収損失を示す。
【００１９】
さらに、'433特許の方法は、比較的大きなナノ孔またはナノ孔構造からの光散乱損失を考慮していない点で問題である。実際に、光散乱損失の様々な機構の中で、重要な要素は光材料の多孔質性である。例えば表面エネルギー、溶解性、ガラス転移温度、エントロピー等の様々な材料特質と、例えば温度、圧力、雰囲気等の加工条件の間の相互作用の結果、非晶質性ペルフルオロポリマーなどの光材料は、通常の加工条件下で大量のナノ孔構造を出現させることができる。それらのナノ孔構造は光散乱損失を招き得るので、所定の低光損失デバイス性能の要求を満たすためには、ナノ孔構造を除去するか、またはより小さなサイズへ変換しなければならない。孔と孔構造のサイズを制御することによって、光散乱損失を大きく低減することができる。'433特許の方法は個々の孔または孔構造の存在を認識せず、また、それらのサイズや構造の制御について教示していない。
【００２０】
さらに、ホスト母材材料内のナノ粒子の凝集に対処する'433特許の方法は、多くの複合材料系には不十分である。凝集はホスト母材材料内に分散されたナノ粒子を含む複合材料を作製する際に大きな問題となる。ナノ粒子のサイズが小さく、ホスト母材材料内に多量に分散することができるので、ナノ粒子の表面と周辺のホスト母材材料間の境界表面積が大きい。その結果、ナノ粒子/ホスト母材材料系は互いにナノ粒子を結合してより大きな粒子を形成することによって、この界面表面積および対応する表面エネルギーを最小化するように働く。このプロセスは凝集として知られている。ナノ粒子がホスト母材材料内で一旦凝集すると、凝集した粒子を個々のナノ粒子へ分離して戻すことは極めて難しい。
【００２１】
ホスト母材内でのナノ粒子の凝集は、望ましい特質に欠ける複合材料をもたらす。特に、ナノ粒子が互いに凝集すると、形成されたより大きな粒子はより小さなナノ粒子と同じような挙動を示さない場合がある。例えば、ナノ粒子は複合材料内の散乱光を防ぐのに十分小さいが、凝集した粒子は散乱を起すだけ十分大きい。結果として、それらの凝集が存在すると、ホスト母材材料は実質上透明性が低くなる。
【００２２】
凝集の対策のために、'433特許の複合材料は、凝集を防ぐ目的でナノ粒子上に配設した非凝集材被覆を含む。特に'433特許は凝集を抑制するための表面有機被覆を用いることを示唆している。しかし、これらの種類の被覆は、特に典型的な炭化水素ポリマー以外のホスト母材材料とともに使用するとき、不十分または非効率的である場合がある。
【００２３】
結果として、ひとつまたは複数の上述の問題または先行技術の欠点を克服する材料および複合材が必要とされる。
【特許文献１】米国仮出願第60/357,958号
【特許文献２】米国仮出願第60/430,043号
【特許文献３】米国特許第5,777,433号
【非特許文献１】1954年にWileyによって刊行された「X-Ray Diffraction Procedure」第9章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、先行技術に伴うひとつまたは複数の問題又は欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明はナノ複合材料に使用するためのホスト母材材料に関する。本発明はさらに、素地の、被覆された、素地のコアシェル、および被覆されたコアシェルナノ粒子に関する。
【００２６】
本発明はさらに、ポリマーナノ複合材などの複合材料に関する。本発明はさらに、複数のナノ粒子を含む複合材料に関する。また、本発明は、ホスト母材およびハロゲン化ホスト母材内の複数のナノ粒子を含む複合材料にも関する。ハロゲン化外部層がナノ粒子自身を被覆することができる。
【００２７】
本発明はさらに、ホスト母材と、ホスト母材内の複数のナノ粒子とを含む複合材料に関する。
【００２８】
一実施形態では、複数のナノ粒子の各々をハロゲン化外部層で被覆するステップと、複数の被覆したナノ粒子をホスト母材材料中に分散するステップとを含む複合材料を形成するプロセスがある。
【００２９】
他の実施形態では、入射光を伝送するコアと、コアの周りに配設されたクラッド材料とを含む光導波管がある。さらに他の実施形態では、光導波管のコアは、ホスト母材と、ホスト母材内に分散された複数のナノ粒子とを含み、複数のナノ粒子はハロゲン化外部被覆層を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下の説明において、その一部を形成する付随の図面を参照し、本発明を実施することのできる特定の例示的実施形態を例示する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施するのに十分な詳細さで説明されており、また、他の実施形態を用いることができ、本発明の範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを理解すべきである。
【実施例】
【００３１】
この開示の目的のために、母材中へのナノ粒子の分散体は複合材料と呼ぶ。ポリマー母材材料内に分散されたナノ粒子を含む複合材料は望ましい特性を提供することができる。それらは例えば、それを含む素子と材料の熱安定性、化学抵抗性、生物適合性を向上することができる。一実施形態では、ナノ粒子の小さなサイズは、母材材料の他の特性に大きな影響を与えることなく、ナノ粒子から導かれた特性を複合材料に付与することができる。例えば、ナノ粒子は、入射光がナノ粒子と相互作用しないように、一般に約1200nm〜約1700nmの範囲の入射光波長よりも小さくすることができる。言い換えれば、入射光はナノ粒子との相互作用によって散乱しない。したがって、適切なサイズのナノ粒子が透明なホスト母材内に分散されるとき、ホスト母材材料内のナノ粒子に入射する光の散乱が小さく、または無いので、ホスト母材材料は光学的な透明さを維持することができる。
【００３２】
図１は本発明の一実施形態による複合材料の概要図を提供する。一実施形態において、複合材料は不規則なガラス状ポリマーホスト母材10およびホスト母材10内に均一または不均一に分散された複数のナノ粒子11を含む。適切なホスト母材は、非晶質有機ポリマーを含むことができる。有機ポリマーは典型的な炭化水素ポリマーおよびハロゲン化ポリマーを含むことができる。一般に、プラナー光導波管、光ファイバー、光フィルム、またはバルク光素子、例えば光学レンズもしくはプリズムなどの光素子では、吸収および散乱損失からなる光損失の総計を最小に保つことが望ましい。
【００３３】
光散乱損失の様々な機構の中で、重要な要因は光材料の多孔質性である。例えば表面エネルギー、溶解性、ガラス転移温度、エントロピー等の様々な材料特性と、例えば温度、圧力、雰囲気等の加工条件の間の相互作用の結果、非晶質性ペルフルオロポリマーなどの光材料は、通常の加工条件下で大量のナノ孔構造を呈する可能性がある。それらのナノ孔構造は光散乱損失を招くので、所定の低光損失デバイス性能の要求を満たすためには、ナノ孔構造を除去するか、またはより小さなサイズへ変換しなければならない。孔と孔構造のサイズを制御することによって、光散乱損失を大きく低減することができる。ホスト母材中に均一に分散された、ほぼ球状の個々のナノ孔では、ナノ孔の存在に由来する散乱損失α（単位長さ当たりのdB）は、孔直径dと、孔とホスト材料の屈折率の比m=npor/nsurと、ホスト中の容積画分Vpとに依存する。ナノ孔によって誘導された散乱損失は、
【００３４】
【数３】
2005529984.tif 000005
（式中、λは導波管内に導かれた光の真空中の伝播波長である。）で算出することができる。
【００３５】
例として、m=1.3、Vp=10%、λ=1550nm、d=10nmのとき、散乱損失αの計算値は0.001dB/cmである。設定した損失仕様、したがってナノ粒子によって誘導された散乱損失の設定値αを有する所定の光素子を作製するには、ナノ孔直径dは以下の式の関係を満たさなければならない。
【００３６】
【数４】
2005529984.tif 000006
（式中、λは導波管内に導かれた光の真空中の伝播波長であり、m=npor/nsurはナノ孔とホスト材料の屈折率の比であり、Vpはホスト材料中のナノ孔の容積画分である。）
【００３７】
例えば、式２に従って、ナノ粒子の損失設定値α=0.5dB/cmで、m=1.3、Vp=10%、λ=1550nmのとき、ナノ孔の直径dは37nmよりも小さくなければならない。ある実施形態では、ナノ孔の直径は100nmよりも小さくなければならず、さらに50nmよりも小さくなければならない。
【００３８】
孔を屈折率1の球状粒子として取り扱うことによって、波長(λ)についての孔直径の関数として予測される散乱損失は、図12に示すように1310nmに等しい。フルオロポリマーフィルム(n=1.34)中のナノ孔の場合、平均直径が20nmで残留多孔質性が5容積%であると、λ=1310nmで散乱損失が1.4×10-4dB/cmになるであろう。それらの残留ナノ孔は散乱損失を大きくしない。しかし、多孔質性が高く、多孔質容積画分が25%まで高いフィルムでは、散乱損失は、孔直径が20nmを超えない限り、7×10-4dB/cmに以下に留まる。
【００３９】
ホスト母材材料内に分散されたナノ孔を含むナノ孔材料は光用途に使用することができる。例えば、均一な四角形または円形の導波管の断面を含む導波管構造では、導波管材料は、材料を通る信号伝播における光の減衰若しくは損失が小さいかまたは無いことが必要である。損失に依存する挙動の潜在的な原因は、導波管材料に存在する比較的延伸した孔または空隙構造などの材料の散乱中心である。
【００４０】
したがって、ナノ孔は、ホスト母材中に分離した個々の孔として、または、いくつかが材料サンプルの全体にわたって連続的に相互接続した網目状構造に延伸さえしている結合クラスターとして多数分散することができ、それによってナノ孔構造が形成される。
【００４１】
ホスト母材材料内のナノ孔のクラスター化によって、望ましい特性に欠ける多孔質材料になることがある。特に、ナノ孔が互いに融合すると、形成した大きなナノ孔構造は小さなナノ孔と同じような挙動を示さない。例えば、ナノ孔は母材材料内の散乱光を防ぐのに十分小さいが、溶融した孔は散乱を起すのに十分大きい場合がある。それらのナノ孔構造が存在すると、結果としてホスト材料の透明性は実質上低くなる。
【００４２】
したがって、例えば、可能性のある多くのホスト母材ポリマー材料の中で、ハロゲン化ポリマーは光の分野で使用される可能性のあることが示された。フルオロポリマーなどのハロゲン化ポリマーは、孔状構造に対して問題のあることは良く知られている。しかし、光の分野において、ハロゲン化ポリマーから作られた光学的物品に、特にナノメートル長さの尺度でそれらの孔構造が存在することは、特に、例えば薄膜およびファイバー製の光導波管中に最終的に光の散乱を招き、それによって光信号の大きな減衰を招く。したがって、光損失を低くするためには、ナノ孔および関連するナノ孔構造のサイズと分散を制御することが重要である。
【００４３】
一実施形態では、ホスト母材10はポリマー、コポリマー、ターポリマーをそれ自身または他の母材材料と混合して含むことができる。
【００４４】
他の実施形態では、ホスト母材10はハロゲン化エラストマー、過ハロゲン化エラストマー、ハロゲン化プラスチック、または過ハロゲン化プラスチックをそれ自身または本明細書に記載されている他の母材材料と混合して含むことができる。
【００４５】
さらに他の実施形態において、ホスト母材10は、以下の式で表される少なくとも１種のハロゲン化モノマーを有するポリマー、コポリマー、またはターポリマーを含むことができる。
【００４６】
【化１】
2005529984.tif 000007
式中、R1、R2、R3、R4、R5は、同じであっても異なってもよく、各々が炭化水素ベースの直鎖または分岐鎖であって、少なくとも１個の炭素ベースの環を形成することが可能であり、飽和または不飽和であり、前記炭化水素ベース鎖の少なくとも１個の水素原子がハロゲン化されていてもよく、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アリール、ハロゲン化環状アルキル、ハロゲン化アルケニル、ハロゲン化アルキレンエーテル、ハロゲン化シロキサン、ハロゲン化エーテル、ハロゲン化ポリエーテル、ハロゲン化チオエーテル、ハロゲン化シリレン、ハロゲン化シラザンから選択される。Y1およびY2は、同じであっても異なってもよく、各々H、F、Cl、Br原子から選択される。Y3はH、F、Cl、Br原子、CF3、CH3から選択される。)
【００４７】
別法として、ポリマーは以下に記載のモノマーから作られる縮合製品を含むことができる。
【００４８】
HO-R-OH + NCO-R'-NCOまたは
【００４９】
HO-R-OH + Ary1-Ary2
式中、R、R'は同じでも異なってもよく、各々ハロゲン化アルキレン、ハロゲン化シロキサン、ハロゲン化エーテル、ハロゲン化シリレン、ハロゲン化アリーレン、ハロゲン化ポリエーテル、ハロゲン化環状アルキレンから選択される。Ary1、Ary2は同じでも異なってもよく、各々ハロゲン化アリールおよびハロゲン化アルキルアリールから選択される。
【００５０】
本明細書で使用されるアリールは、飽和若しくは不飽和のハロゲン化アリール若しくはハロゲン化アルキルアリール基と定義される。
【００５１】
別法として、ホスト母材10はハロゲン化環状オレフィンポリマー、ハロゲン化環状オレフィンコポリマー、ハロゲン化多環式ポリマー、ハロゲン化ポリイミド、ハロゲン化ポリエーテルエーテルケトン、ハロゲン化エポキシ樹脂、ハロゲン化ポリスルホン、またはハロゲン化ポリカーボナートを含むことができる。
【００５２】
ある実施形態では、ホスト母材10、例えばフッ素化ポリマーホスト母材10は、広範囲の波長範囲で非常に小さな吸収損失を示すことができる。したがって、それらのフッ素化ポリマー材料は光用途に適しているであろう。
【００５３】
一実施形態において、ハロゲン化アリール、アルキル、アルキレン、アルキレンエーテル、アルコキシ、シロキサン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、シラザン基は少なくとも部分的にハロゲン化されており、すなわち基の中の少なくとも1個の水素がハロゲンで置換されていることを意味する。他の実施形態において、基の中の少なくとも1個の水素はフッ素で置換することができる。別法として、これらのアリール、アルキル、アルキレン、アルキレンエーテル、アルコキシ、シロキサン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、シラザン基は完全にハロゲン化することができ、すなわち基の各水素がハロゲンで置換されていることを意味する。例示的な実施形態では、アリール、アルキル、アルキレン、アルキレンエーテル、アルコキシ、シロキサン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、シラザン基は完全にフッ素化することができ、すなわち基の各水素がフッ素で置換されていることを意味する。さらに、アルキルおよびアルキレン基は1〜12個の炭素原子を含むことができる。
【００５４】
さらに、ホスト母材10は、フッ素化ポリマーなどの1種または複数のハロゲン化ポリマーを互いに混合した組み合わせを含むことができる。さらに、ホスト母材10は、POOH、POSH、PSSH、OH、SO3H、SO3R、SO4R、COOH、NH2、NHR、NR2、CONH2、NH-NH2(Rは任意のアリール、アルキル、アルキレン、シロキサン、シラン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、シラザンを含むことができる)、および他を含んで、ホスフィナート、ホスファート、カルボキシラート、シラン、シロキサン、スルフィドなどの官能基を含むハロゲン化ポリマーなどの他のポリマーを含むこともできる。さらに、ホスト母材10は、ビニル、アクリラート、メタクリラート、ビニル芳香族、ビニルエステル、アルファベータ不飽和酸エステル、不飽和カルボン酸エステル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、ジエンモノマーのホモポリマーまたはコポリマーを含むこともできる。さらに、ホスト母材は、水素含有フルオロエラストマー、水素含有ペルフルオロエラストマー、水素含有フルオロプラスチック、熱可塑性ペルフルオロプラスチック、少なくとも2種の異なるフルオロポリマー、または架橋ハロゲン化ポリマーを含むこともできる。
【００５５】
ホスト母材10の例には、ポリ[2,2-ビストリフルオロメチル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ[2,2-ビスペルフルオロアルキル-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]、ポリ[2,2,4-トリフルオロ-5-トリフルオロメトキシ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]、ポリ(ペンタフルオロスチレン)、フッ素化ポリイミド、フッ素化ポリメチルメタクリラート、ポリフルオロアクリラート、ポリフルオロスチレン、フッ素化ポリカーボナート、フッ素化ポリ(N-ビニルカルバゾール)、フッ素化アクリロニトリル-スチレンコポリマー、フッ素化Nafion(登録商標)、フッ素化ポリ(フェニレンビニレン)、ペルフルオロ-多環式ポリマー、フッ素化環状オレフィンのポリマー、又はフッ素化環状オレフィンのコポリマーが含まれる。
【００５６】
さらに、ホスト母材は光用途に十分透明な任意のポリマーを含むことができる。それらのポリマーの例には、ポリメチルメタクリラート、ポリスチレン、ポリカーボナート、ポリイミド、エポキシ樹脂、環状オレフィンコポリマー、環状オレフィンポリマー、アクリラートポリマー、PET、ポリフェニレンビニレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ(N-ビニルカルバゾール)、アクリロニトリル-スチレンコポリマー、またはポリ(フェニレンビニレン)が含まれる。
【００５７】
フッ素などのハロゲンをホスト母材10中に含むことによって、ホスト母材10の光特性および得られる複合材料は従来の複合材料よりも改善される。炭化水素ポリマーのC-H結合とは異なり、炭素-ハロゲン結合(C-Fなど)は、通信用途に使用される範囲外のより長い波長へ向けて振動オーバートーンを移動する。例えば、炭素-ハロゲン結合は、約0.8μm〜約0.9μmの範囲、および約1.2μm〜1.7μmの範囲の低い吸収レベルを有する振動オーバートーンを示す。水素がハロゲン化によって部分的〜完全に除かれるので、振動オーバートーンによる光の吸収は低減される。ポリマー中の水素の量を定量化するひとつのパラメーターは、特定のモノマーユニットについての水素当たりの分子量である。光用途に有用な高度にハロゲン化したポリマーでは、この比は100またはそれ以上とすることができる。この比は過ハロゲン化材料では無限大に近づく。
【００５８】
複合材料の一種はホスト母材材料内に分散されたナノ粒子を含む。ナノ粒子はナノメートルの尺度で測定されるサイズを有する材料の粒子である。一般に、ナノ粒子はクラスター（場合によって僅かに数百個の原子である）よりも大きいが、バルク体積に対する表面積の比が比較的大きい。大部分のナノ粒子は約10nm〜約500nmのサイズを有するが、用語のナノ粒子はこの範囲を超えるサイズを有する粒子も含むことができる。
【００５９】
例えば、約1nm程度のサイズおよび約1×103nm程度の粒子もやはりナノ粒子とみなすことができる。ナノ粒子を光学的に透明なホスト母材に導入することによって、ナノ粒子に起因する吸収と散乱損失が光損失に加わることがある。ホスト母材からの損失を制御することに加えて、光損失を最小に保つためには、光用途のためのホスト母材に添加したナノ粒子からの吸収と散乱損失を制御することが重要である。
【００６０】
図9、10、11はナノ粒子の存在に起因する散乱損失の例を提供する。988nmでの屈折率が約1.6725のナノ粒子と屈折率が約1.6483のホスト材料を含むナノ複合材は、約0.6dB/cmの損失を示す。他方、図10、11に示すように、ホストとナノ粒子間の屈折率の不一致の程度が大きいと、粒子サイズが50nmを超えるとき、高い散乱損失が予測される。粒子直径20nm未満の小さなナノ粒子が存在すると、ナノ粒子を多量に充填(4容積%)しても散乱損失が大きくならない。したがって、ナノ粒子の存在による光損失を低く維持するにはナノ粒子のサイズを20nm未満に保つことが必要である。
【００６１】
ナノ粒子は多くの種類の材料から作製することができる。これらの材料の例には、遷移金属、希土類金属、VA元素族、ポリマー、染料、半導体、アルカリ土類金属、アルカリ金属、IIIA元素族、IVA元素族が含まれる。ナノ粒子は広範囲の材料から作製することができる。これらの材料の中の例には、金属、ガラス、セラミック、耐火材料、誘電材料、カーボン若しくはグラファイト、プラスチックおよびエラストマーを含む天然および合成ポリマー、染料、イオン、合金、化合物、複合材、または遷移金属元素の錯体、希土類金属元素、VA族元素、半導体、アルカリ土類金属、アルカリ金属元素、IIIA族元素、IVA族元素、またはポリマーおよび染料が含まれる。
【００６２】
さらに、材料は結晶質、非晶質、またはそれらの構造の混合物もしくは組み合わせを含むことができる。ナノ粒子11は、素地のもの、被覆したもの、素地のコアシェル、被覆されたコアシェルとすることができる。さらに、ナノ粒子自身をナノ粒子母材と考えることができ、広範囲の材料、単一元素、元素の混合物、化学量論的若しくは非化学量論的化合物を含むことができる。材料は結晶質、非晶質、またはそれらの構造の混合物若しくは組み合わせとすることができる。
【００６３】
さらに、ナノ粒子自身をナノ粒子母材と考えることができ、広範囲の材料、単一元素、元素の混合物、化学量論的若しくは非化学量論的化合物を含むことができる。
【００６４】
複数のナノ粒子11は、ナノ粒子11を少なくとも部分的に被覆し、それらの凝集を抑制する外部被覆層12を含むことができる。適切な被覆材料は、ホスト母材に適合性のある末端基と、物理的吸着若しくは化学反応のいずれかによって粒子の表面に付着することのできる頭部基を含むことができる。本発明によるナノ粒子11は、効果的な量のドーパント材料を添加することができる。効果的な量とは望ましい結果を得るのに必要な量である。ドーピングしたガラス状媒体、単結晶、またはポリマーのナノ粒子は、ホスト母材コア材料10中に埋め込まれる。活性ナノ粒子は無作為的および均一に分散することができる。希土類をドープした、若しくは共ドープしたガラス、単結晶、有機染料、またはポリマーのナノ粒子はポリマーコア材料に埋め込まれる。ナノ粒子と周囲のポリマーコアホスト母材の間に、機械的、化学的、または熱的特性の不一致による界面剥離がある場合、ナノ粒子にコンプライアンス層を被覆してナノ粒子とホスト母材ポリマーコア材料間の界面特性を高めることができる。
【００６５】
図1に示したように、ナノ粒子は外部層12を含むことができる。本明細書に使用される用語の層は、外部表面に異なる特性を付与するのに十分な、内部コア（または他の内部層）の外部表面上の比較的薄い被覆である。層は、効果的な層とするために連続的または厚い必要はないが、ある実施形態では連続的かつ厚くすることができる。
【００６６】
ナノ粒子11は様々な異なる材料を含むことができ、いくつかの異なる方法を用いて作製することができる。本発明の一実施形態において、ナノ粒子は電気噴霧プロセスを用いて製造される。このプロセスでは、ナノ粒子の前躯体材料を含む溶液の非常に細かな液滴がキャピラリ管の末端から現れ、その末端は高い正または負の電位を保っている。高い電位とキャピラリ管の末端の小さな曲率半径は強い電場を形成し、現れた液体を微細な液滴の霧としてキャピラリの先端から離れさせる。キャリアガスは微細な液滴を捕捉し、次いで蒸発チャンバーの中を通過する。このチャンバー内で、液滴状の液体は蒸発し、液滴は急速にサイズを減少する。液体が完全に蒸発すると、ナノ粒子のエアゾールが形成される。これらの粒子を集めて粉を形成するか、または溶液中に分散することができる。ナノ粒子のサイズは変動し、加工パラメーターに依存する。
【００６７】
本発明の例示的な一実施形態では、ナノ粒子11は約50nm未満の主要寸法を有する。すなわち、ナノ粒子の最大寸法（例えば球状粒子の場合の直径）は約50nm未満であり、他の実施形態では約20nmである。
【００６８】
他のプロセスも本発明のナノ粒子11を作製するのに有用である。例えば、ナノ粒子は、レーザ研磨、レーザ駆動反応、火炎およびプラズマ加工、溶液相合成、ゾル−ゲル加工、噴霧熱分解、火炎熱分解、レーザ熱分解、火炎加水分解、機械化学的加工、超音波−電気化学反応、物理蒸着、化学蒸着、混合合金加工、分解−沈殿、液相沈澱、高エネルギーボール粉砕、熱水法、グリコサーマル法、真空蒸発、ポリマーテンプレートプロセス、マイクロ乳化プロセス、または適切な寸法と特性を有する粒子を得るのに適した他の方法によって作製することができる。ゾル−ゲルプロセスは、共溶媒の存在下で酸性または塩基性の水性溶液によって開始される、段階的加水分解および金属アルコキシドなどのアルコキシド縮合に基づいている。水、界面活性剤もしくは被覆剤との加水分解および縮合反応の程度を制御することによって、ナノメートル範囲の粒子寸法を有する最終製品が得られる。ゾル−ゲルプロセスは、ナノ尺度の金属、セラミック、ガラス、および半導体粒子を製造するのに使用することができる。様々な方法で作製されたナノ粒子のサイズは、透過電子顕微鏡(TEM)、原子間力顕微鏡(AFM)、あるいは表面分析を用いて求めることができる。結晶性材料では、結晶サイズの算出に、1954年にWileyによって刊行された「X-Ray Diffraction Procedure」第9章に記載された手順に従う線拡大に基づいて、X線粉体回折パターンを使用することもできる。
【００６９】
ナノ粒子の存在は複合材料の他の特性に影響を与えることができる。例えば、光用途では特定の望ましい屈折率によってナノ粒子材料を選択することができる。ある構造用途には、ナノ粒子11を形成するために使用される材料の種類は、その熱的特性または熱膨張係数によって選択することができる。さらに他の用途は、ナノ粒子11を形成するのに使用される材料の機械的、磁気的、電気的、熱光学的、磁気光学的、電気光学的、または音響光学的特性に依存する場合がある。
【００７０】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、いくつかの種類の材料を使用してナノ粒子11を形成することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を利得媒体にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は、光信号が活性材料に遭遇したとき、光信号の利得媒体として働く。活性材料は、遷移金属元素、希土類金属元素、アクチニド元素ウラニウム、VA族元素、半導体、イオンの形のIVA族元素、合金、化合物、複合材、錯体、発色団、染料またはポリマーを含むことができる。それらの活性材料の例には、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、V2+、V3+、Cr2+、Cr3+、Cr4+、Mn5+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Ti3+、U3+、Bi3+、並びに、Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、InP、InAs、InSn、PbSe、PbTeなどの半導体が含まれるが、制限されない。活性材料は0.17μm〜7.2μmの範囲の上記材料の組み合わせを含むこともできる。
【００７１】
ナノ粒子11のマトリックスを形成する材料は、イオン、合金、化合物、複合材、錯体、発色団、染料またはポリマーの形とすることができ、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、ホスフィナート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハロゲニド、ニトリド、セレニド、スルフィド、スルホセレニド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、ホスホナート、オキシスルフィドを含むことができる。
【００７２】
ある実施形態では、遷移金属イオン、例えば、V2+、V3+、Cr2+、Cr3+、Cr4+、Mn5+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Bi3+、Ti3+を、0.61μm〜3.5μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にナノ粒子に組み込むことができる。
【００７３】
さらに他の実施形態では、希土類イオン、例えば、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+を、0.17μm〜7.2μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にナノ粒子に組み込むことができる。
【００７４】
さらに他の実施形態では、金属イオン、例えばU3+およびBi3+を、約2.2μm〜2.8μmおよび約1.3μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にそれぞれナノ粒子に組み込むことができる。
【００７５】
ある実施形態では、例えば、Er3+およびYb3+を、約0.9μm〜1.1μmおよび約1.5μm〜1.6μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にナノ粒子に組み込むことができる。
【００７６】
ある実施形態では、例えば、Er3+およびCr4+を、約1.2μm〜1.4μmおよび約1.5μm〜1.6μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にナノ粒子に組み込むことができる。
【００７７】
ある実施形態では、Er3+を、約1.5μm〜約1.6μmおよびさらに約1.55μmの範囲の増幅用に、単独または他の活性イオンと一緒に結晶ナノ粒子中に共ドープする。他の実施形態では、Er3+などの活性イオンおよび他の活性イオンを含むいくつかの別のナノ粒子種をポリマーホストにドープすることができる。例えば、Yb3+を、ポンピングレーザ用の吸収断面積を増加させるために、Er3+を含むナノ粒子中に共ドープすることができる。さらに、同じ増感効果を得るため、活性Er3+ナノ粒子と分離してYb3+をポリマーホストにドープすることができる。
【００７８】
ある実施形態では、Cr4+を、約1.2μm〜約1.4μm、さらに約1.31μmの範囲の増幅用に、単独または他の活性イオンと一緒に結晶ナノ粒子中に共ドープする。他の実施形態では、Cr4+などの活性イオンおよび他の活性イオンを含むいくつかの別の種類のナノ粒子をポリマーホストにドープすることができる。例えば、Yb3+を、ポンピングレーザ用の吸収断面積を増加させるために、Cr4+を含むナノ粒子中に共ドープすることができる。さらに、同じ増感効果を得るため、活性Cr4+ナノ粒子と分離してYb3+をポリマーホストにドープすることができる。
【００７９】
ある実施形態では、ErおよびCr4+を、約1.2μm〜約1.4μmおよび1.5μm〜約1.6μm、さらに約1.3μm〜約1.55μmの範囲の増幅用に、単独または他の活性イオンと一緒に結晶ナノ粒子中に共ドープする。他の実施形態では、ErおよびCr4+などの活性イオンおよび他の活性イオンを含むいくつかの別のナノ粒子種をポリマーホストにドープすることができる。例えば、Ybを、ポンピングレーザ用の吸収断面積を増加させるために、ErまたはCr4+を含むナノ粒子中に共ドープすることができる。さらに、同じ増感効果を得るため、活性ErまたはCr4+ナノ粒子と分離してYbをポリマーホストにドープすることができる。
【００８０】
ある実施形態では、Pr3+、Dy3+、Nd3+、Bi3+を、約1.27μm〜約1.35μm、およびさらに1.3μm、さらに約1.31μmの範囲の利得媒体用に、単独または一緒にナノ粒子中に組み込むことができる。
【００８１】
他の実施形態では、Pr3+、Dy3+、Nd3+を、約1.27μm〜約1.35μm、およびさらに1.3μm、さらに約1.31μmの範囲の利得媒体用に、単独またはYb3+などの他の希土類元素と一緒にナノ粒子中に組み込むことができる。
【００８２】
ナノ粒子11の母材を形成する材料は、イオン、合金、化合物、または錯体の形とすることができ、オキシド、ホスファート、ハロホスファート、ホスフィナート、アルセナート、スルファート、ボラート、アルミナート、ガラート、シリカート、ゲルマナート、バナダート、ニオバート、タンタラート、タングスタート、モリブダート、アルカリハロゲナート、ハロゲニド、ニトリド、セレニド、スルフィド、スルホセレニド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、ホスホナート、オキシスルフィドを含むことができる。
【００８３】
ある実施形態では、半導体材料、例えば、Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、GaN、InP、InAs、InSb、PbSe、PbTe、InGaAs、および他の化学量論物質並びに組成物を、単独に、または一緒に、または適切なイオンでドープして、約0.4μm〜約1.6μmの範囲の利得媒体用に、ナノ粒子中に組み込むことができる。
【００８４】
金属カルコゲニド、金属塩、遷移金属、遷移金属錯体、遷移金属含有化合物、遷移金属酸化物などの金属含有材料、および、例えば、Rodamin-B、DCM、Nile赤、DR-19、DR-1、ポリマーなどの有機染料を使用することができる。利得媒体用に希土類または遷移金属でドープしたZnS、PbSもナノ粒子を形成するのに使用することができる。
【００８５】
また、本発明は光信号を増幅する方法も含む。本発明のある実施形態によれば、複合材料は光増幅用に利得媒体を含むことができる。例えば、他の希土類元素または遷移金属元素による広帯域増幅のため、約1.5μm〜約1.6μmの範囲の増幅用に、Er3+を、単独または他の希土類元素または遷移金属元素と一緒にナノ粒子中に組み込むことができる。全ての上記の利得媒体は光増幅に使用することができる。
【００８６】
また、本発明はレーザ光発振の方法も含む。例えば、他の希土類元素または遷移金属元素による広帯域動作のため、約1.06μm〜約1.3μmの範囲の発振用に、Nd3+を、単独または他の希土類元素または遷移金属元素と一緒にナノ粒子中に組み込むことができる。全ての上記の利得媒体はレーザ光発振に使用することができる。
【００８７】
本発明によってレーザを発振させることもできる。本明細書に使用されるレーザは、少なくとも部分的な反射表面(例えばミラー)を備え、少なくとも部分的に光利得媒体で充填した末端の窪みを含む。レーザ窪みには光共鳴構造が設けられ、多重反射によって電磁気場の強度が蓄積されるとレーザ活動が開始される。
【００８８】
光ファイバーは、図13aに示すように、本発明によって作製することのできる導波管の一種である。導波管は本発明による複合材料を含むことができる。本発明によって作製することのできる他の導波管の種類はプラナー導波管である。本発明によるプラナー導波管のコアは、例えば、実質上四角形の断面または便宜良く作製される他の任意の形状を有することができる。ポンピングレーザビームが導波管を通過するときに外部エネルギー（例えばIR波長で）を印加することができ、それによって利得媒体の励起可能な原子をポンピングまたは励起し、そこを通過する信号ビームの強度を高める。増幅器から現れる信号ビームは元の特性の大部分を保つことができるが、入力ビームより強度が高い。
【００８９】
本発明によって、1.55μm光増幅器、1.31μm光増幅器などの狭帯域の光増幅器および超広帯域増幅器を含んで、多くの種類の光増幅器を作製することができる。
【００９０】
本発明による超広帯域増幅器は約60ナノメートル超にわたることができる。一実施形態では、それらの増幅器は約400ナノメートル超にわたることができ、通常わずかに約30〜60ナノメートルにわたる、従来の市場の波長分割多重通信システムに使用される増幅器の帯域幅よりもはるかに広い。本発明による超広帯域増幅器を使用する光ネットワークは、例えば、従来のネットワークにおける16ほどのチャンネルの代りに、数百の異なるチャンネルを取り扱うことができ、それによって容量を大きく増加させ、光−層ネットワークの能力を高める。エルビウムをドープした導波管の場合、より良好なL帯域および広帯域増幅器を作製するために、核形成技術を使用して出力波長を広げ、移動することができる。
【００９１】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、いくつかの種類の材料を使用してナノ粒子11を形成することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な光媒体にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の屈折率を変化させる。活性材料は、金属、半導体、誘電絶縁体、および
イオン、合金、化合物、複合材、錯体、発色団、染料またはポリマーの様々な形および組み合わせから作られたナノ粒子11を含むことができる。
【００９２】
一実施形態では、複合材料の屈折率を調整し制御するために、例えば金属酸化物TiO2をナノ粒子中に組み込むことができる。
【００９３】
他の実施形態では、複合材料の屈折率を調整し制御するために、例えば屈折率が1のナノ孔をホスト母材中に組み込むことができる。
【００９４】
さらに他の実施形態では、複合材料の屈折率を調整し制御するために、例えば屈折率が約2〜5の半導体材料をナノ粒子中に組み込むことができる。これらの材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、InP、InAs、InSb、ZnS、PbS、PbSe、PbTe、InGaAs、および他の化学量論物質並びに組成物を、単独に、または一緒に、または適切なイオンでドープして含む。
【００９５】
さらに他の実施形態では、複合材料の屈折率を調整し制御するために、例えば屈折率が約1〜4の無機材料をナノ粒子中に組み込むことができる。これらの材料は、例えば、
TiO2、SiO2、B2O3、P2O5、GeO3、ZnO2、LiNbO3、BaTiO3、YAlO3、プルースタイト、ジルコナート、および他の関連材料並びに適切なイオンをドープしたそれらの対応物質を含む。
【００９６】
本発明のある実施形態では、ナノ粒子またはナノ孔11をホスト母材材料10に含ませることによって、光導波管用途に有用な複合材料を提供することができる。例えば、ナノ粒子11は特定の屈折率を有する導波管材料の作製を可能にする。このようにして屈折率を制御することによって、隣接する材料の屈折率の不一致に起因する光導波管の伝送損失を最小にすることができる。さらに、ナノ粒子11の小さなサイズのため、複合材料はホスト母材材料10の望ましい伝送特性の全てを保持することができる。本明細書に開示したナノ粒子を使用することによって、屈折率は約1〜約5に調整される。
【００９７】
本発明による導波管アセンブリーを製造する一方法は、最初に基板を調製することから開始される。基板の表面を洗浄して、基板表面に存在する可能性のある全ての接着剤の残渣を除去する。一般に、基板は鋳造または射出成形して比較的平滑な表面を提供するが、ペルフルオロポリマーの一般的な非接着特性のため、ペルフルオロポリマーをその上に堆積するのは困難な場合がある。洗浄の後、基板表面の下部クラッドへの接着を良好にするために基板を調製する。基板は、表面の粗化によって、または表面の化学的特性を変化させることによって、下部クラッド層を含むペルフルオロポリマーをより良好に保持するように調製することができる。粗化方法の一例はアルゴンを用いる反応性イオンエッチング(RIE)を行うことである。アルゴンは基板表面を物理的に変形させて、深さ約50〜100ナノメートルの望ましい粗さを形成する。基板表面の化学的特性を変化させることのできる方法の一例は、酸素を用いるRIEを行うことである。酸素は基板表面を含むポリマーと結合して、基板表面に化学反応を起こさせ、基板表面を酸化する。基板の酸化によって、下部クラッドを含むペルフルオロポリマーの分子が基板と結合することが可能になる。当業者であれば、基板の調製に他の方法を使用できることを認識するであろう。
【００９８】
次いで下部クラッドを基板上に堆積する。ポリ[2,2,4-トリフルオロ-5-トリフルオロメトキシ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]から作られた下部クラッドでは、固体のポリ[2,2,4-トリフルオロ-5-トリフルオロメトキシ-1,3-ジオキソール-コ-テトラフルオロエチレン]を、商標FC-75として販売されているペルフルオロ(2-ブチルテトラヒドロフラン)並びに商標FC-40として販売されているペルフルオロアルキルアミン溶媒中に溶解する。他の可能な溶媒は、商標H GALDEN(登録商標)シリーズHT170として販売されているものなどの過フッ素化ポリエーテル、または商標H GALDEN(登録商標)シリーズZT180およびZT130として販売されているものなどのヒドロフルオロポリエーテルである。他のポリマーから作られた下部クラッドでは、各ポリマーを適切な溶媒に溶解してポリマー溶液を形成する。次いで、既知のスピンコーティング技術を用いて、ポリマー溶液を基板上にスピンコーティングする。次いで、基板および下部クラッドを加熱して溶液から溶媒を蒸発させる。
【００９９】
一実施形態では、第1の層を基板に塗布し、焼成して溶媒を蒸発させ、アニールしてポリマーを高密度化し、第2の層を第1の層に塗布して高密度化し、第3の層を第2の層に塗布して高密度化するようにして、下部クラッドを複数の層にスピンコーティングする。例えば、すべての層を塗布した後、下部クラッドは8〜12マイクロメートルの範囲の高さを得る。3層の塗布を説明したが、当業者であれば3層以上またはそれ未満の層を使用できることを認識するであろう。
【０１００】
下部クラッドを乾燥し高密度化した後、例えば、上述の基板上に下部クラッドを堆積する同じ方法を用いて、ポリマーコアを下部クラッド上に堆積する。しかし、下部クラッド上に数層のコアの副層を堆積する代りに、例えば、下部クラッド上に1層のコア層だけを堆積する。一実施形態では、コアは溶媒に可溶であるが、溶媒が下部クラッドに浸透して下部クラッドを損なわないように、下部クラッドはその溶媒に可溶ではない。ポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]から作られたコアでは、固体のポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]を、商標CT-SOLV 180(登録商標)で販売されているペルフルオロトリアルキルアミンなどの溶媒、またはポリマーを容易に溶解してポリマー溶液を形成する任意の他の溶媒中に溶解する。代りに、ポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]は既に溶液として市場で得ることができる。コア材料を塗布し乾燥した後、低温焼成プロセスを用いてコア膜を高密度化する。コアを乾燥した後、コアと下部クラッドの厚さは、例えば、約12〜16ミクロンの範囲である。
【０１０１】
次に、コアをエッチングして望ましいコア形状を提供する。例えば、エッチングは当技術でよく知られているRIEで行う。しかし、当業者であれば、コアをエッチングする他の方法も使用できることを理解するであろう。図7は全体的に直線状のコアを開示しているが、当業者であれば参照によりその全体を本明細書に組み込んでいる、2001年6月8日出願の、一般に譲渡された米国特許出願第09/877,871号に開示された湾曲導波管形状などの他の形状も使用できることを理解するであろう。さらに、図7は全体的に四角形のコア断面を開示しているが、当業者であれば、コアの断面は他の形状とすることができることも理解するであろう。
【０１０２】
次に、上部クラッドを、コア、コア層、およびコアまたはコア層で被覆されていない下部クラッドの任意の残部上に堆積する。例えば、下部クラッドと同様に、第1の層をコアおよびコアで被覆されていない下部クラッド層の残部に塗布し、焼成して溶媒を蒸発し、アニールしてポリマーを高密度化し、第2の層を第1の層に塗布し、焼成および高密度化し、第3の層を第2の層に塗布し、焼成および高密度化するようにして、上部クラッドを層状にスピンコーティングする。一実施形態では、上部クラッドは溶媒に可溶であるが、溶媒がコアおよびコア層に浸透してコアまたはコア層を損なわないように、コアおよびコア層はその溶媒に可溶ではない。例えば、全ての層を塗布した後、全体の導波管は約15〜50マイクロメートルの範囲の高さを得る。3層の塗布を説明したが、当業者であれば、3層以上または未満の層を使用できることを認識するであろう。代わりに、上部クラッドは下部クラッドと異なる材料であるが、下部クラッドとほぼ同じ屈折率、例えば光硬化性フッ素化アクリラートまたは熱硬化性とすることができる。
【０１０３】
複数の層は必ずしも平坦である必要はないが、コアの周囲の外形は各継続する層ごとに曲率が小さくなることが必要である。最後の層は全体的に平坦な頂部層で示されるが、当業者であれば、最後の層の頂部表面は必ずしも平坦である必要がないことを認識するであろう。また、当業者であれば、スピンコーティングまたは鋳造プロセスのいずれでも、高度な平坦性または平面性を備える単層クラッドが得られることを認識するであろう。
【０１０４】
導波管を形成した後、例えばダイシングによって導波管を望ましいサイズと形状に切断する。望ましい形状は一般に長方形であるが、当業者であれば導波管は他の形状にも切断できることを認識するであろう。
【０１０５】
開示したナノ孔材料加工方法で作製することのできる光素子の他の例には、図13(a)から13(c)で示したような、光ファイバー、光学プリズム、光学レンズ、光反射防止被覆、および光バンドパス薄膜フィルターが含まれるが、制限されない。
【０１０６】
ある実施例では、図13(a)に示した光ファイバーは、ファイバープリフォームを作製し、プリフォームからファイバーを引き出し、高密度化および他の方法によってファイバーの内部にナノ孔構造を形成することによって作製する。別法として、本発明による光ファイバーは押し出し法によってナノ孔材料から作製することができる。光学プリズム、光学レンズ、光記憶ディスケット等などの、図13(b)および13(c)に示したバルクの光素子は、射出成形、鋳造、押し出し等によってナノ孔材料で作製することができる。光薄膜バンドパスフィルターおよび反射防止被覆は、押し出し、鋳造、スピンコーティング等によってナノ孔材料から作製することができる。
【０１０７】
当業者であれば、上記の実施形態に、その発明の広い概念から逸脱することなく、変更を加えることができることを認識するであろう。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に制限されず、付属の請求項によって定義された本発明の精神と範囲内の修正を包含することを意図することを理解すべきである。
【０１０８】
本発明のさらに他の態様によって、少なくとも部分的に反射表面に結合された形状を有する、上記のナノ粒子複合材料を含むマイクロ共鳴器が提供され、個々の周波数を有する電磁気放射は定在波モードを設定することができる。マイクロ共鳴器の作製方法も提供される。
【０１０９】
本発明によるマイクロ共鳴器は、例えば、マイクロリング、マイクロディスク、マイクロ球、マイクロ線とすることができる。本明細書に使用されるマイクロリング共鳴器は、閉ループ形状を有する任意の共鳴デバイスである。通常の閉ループ形状は対称円環体であるが、他の閉ループも使用できることが認識されよう。
【０１１０】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な電子媒体にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の電気伝導度を変化させる。活性材料は、金属、半導体、誘電絶縁体、超伝導体、および様々な有機および無機の形で、イオン、合金、化合物、複合材、錯体、発色団、染料またはポリマーの組み合わせから作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１１１】
また、本発明は、サイズ、形状、容積画分、およびポリマー材料をそのガラス転移温度以上にアニールすることを含む、孔の幾何学的フィーチャーの制御によって、ナノ孔ポリマー材料を作製する方法も開示する。さらに本発明は、光デバイスなどのデバイスを作製するために、得られるナノ孔ポリマー材料を使用することを開示する。
【０１１２】
一実施形態では、複合材料の電気伝導性を調整および制御するために、例えば金属Agをナノ粒子に組み込むことができる。
【０１１３】
他の実施形態では、複合材料の電気伝導性を調整および制御するために、例えば半導体Siをナノ粒子に組み込むことができる。
【０１１４】
さらに他の実施形態では、複合材料の電気伝導性を調整および制御するために、例えば誘電絶縁体SiO2をナノ粒子に組み込むことができる。
【０１１５】
さらに他の実施形態では、複合材料の電気伝導性を調整および制御するために、例えば超伝導体イットリウムバリウム銅酸化物(YBCO)をナノ粒子に組み込むことができる。
【０１１６】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な誘電性媒体にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の比誘電率を変化させる。活性材料は、NaCl、TiO2、SiO2、B2O3、Ge2O3、ZnO2、LiNbO3、BaTiO3などの誘電絶縁体、およびイオン、合金、化合物、複合材、錯体、発色団、染料またはPVDFなどのポリマーの様々な形および組み合わせから作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１１７】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な磁性材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の磁化率を変化させる。活性材料は、常磁性体、強磁性体、非強磁性体、フェリ磁性体、反磁性体材料から作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１１８】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な機械的材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の機械的特性を変化させる。活性材料は、ナノ粒子11および合金、化合物、結晶、複合材、錯体、発色団、染料またはポリマーの様々な形および組み合わせを含むことができる。
【０１１９】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な電気光学材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の電気光学係数を変化させる。活性材料は、LiNbO3、KNbO3、KTiOPO4、β-BaB2O4、KTiOAsO4、KH2PO4、KD2PO4、NH4H2PO4、2-メチル-4-ニトロアニリン(MNA)などの電気光学材料から作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１２０】
動利得等化(DGE)フィルターを本発明の電気光学材料によって作製することができる。DGEは、単ファイバーの全てのDWDMチャンネルが略同じ電力レベルを有する、すなわち、データエラー率の低減を助けるために使用することができる。不運にも、信号がファイバー光ネットワークを通過すると、光増幅器および様々な環境要因を含んで、ネットワーク中の様々な光素子に起因して電力レベルは等しくなくなる。
【０１２１】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な磁気光学材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の磁気光学係数を変化させる。活性材料は、YVO4、TbPO4、HoYbBiIG、(Cd、Mn、Hg)Te、MnAs、Y2.82Ce0.18Fe5O12、Bi-置換鉄ガーネット、イットリウム鉄ガーネット、テルビウムガリウムガーネット、ニオブ酸リチウム、およびTb+3、Y+3、Ce+3から選択される少なくとも１種のナノ粒子を含む常磁性希土類イオンなど、磁気光学材料から作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１２２】
さらに他の実施形態では、上記の磁気光学材料は、通常重要な磁気光学特性、いわゆるファラデー効果を有する光絶縁体に使用することができ、光は伝送線の伝播方向に向かうことが可能であるが、逆の伝播方向へは遮断される。光絶縁体は、逆方向に反射した光ビームの不安定な影響を制御し対処するために、伝送線における重要な素子である。さらに、それらの絶縁体は通常薄膜またはファイバーとは逆にバルクの無機単結晶の形で実施される。
【０１２３】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、ナノ粒子11を形成するためにいくつかの種類の材料を使用することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な音響光学材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の音響光学特性を変化させる。活性材料は、GaAs、GaP、TiO2、SiO2、LiNbO3、Y3Al5O12(YAG)などの音響光学材料から作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１２４】
さらに他の実施形態では、上記の音響光学材料は、通常重要な音響光学特性を有する光学変調器に使用することができ、光は音響光学材料に音波を印加することによって変調される。音響光学変調は、光変調に加えて、ビーム反射器、信号処理器、調整可能なフィルター、スペクトル分析器を含んで、多数のデバイス用途に使用される。
【０１２５】
動利得等化(DGE)フィルターは、本発明の音響光学材料によって作製することができる。DGEは、単ファイバーの全てのDWDMチャンネルがほぼ同じ電力レベルを有する、すなわち、データエラー率の低減を助けるために使用することができる。不運にも、信号がファイバー光ネットワークを通過すると、光増幅器および様々な環境要因を含んで、ネットワーク中の様々な光素子に起因して電力レベルは等しくなくなる。
【０１２６】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、いくつかの種類の材料を使用してナノ粒子11を形成することができる。一実施形態では、ナノ粒子11は複合材を新規な熱光学材料にすることのできる１種または複数の活性材料を含むことができる。活性材料は複合材料の熱光学係数を変化させる。活性材料は、ガラス状SiO2などの無機光媒体、およびポリメチルメタクリラート(PMMA)ポリマーなどの有機光媒体を含んで、熱光学材料から作られたナノ粒子11を含むことができる。
【０１２７】
さらに他の実施形態では、上記の熱光学材料は、通常重要な熱光学特性を有する光導波管スイッチに使用することができ、熱信号を熱光学材料に印加することによって、光はひとつの導波管から他の導波管へ切り換えられる。熱光学スイッチは、光スイッチに加えて、アドドロップマルチプレクサ、可変光減衰器(VOA)、調整可能なフィルター、スペクトル分析器を含んで、多数のデバイス用途に使用される。
【０１２８】
動利得等化(DGE)フィルターは、本発明の熱光学材料で作製することができる。DGEは、単ファイバーの全てのDWDMチャンネルがほぼ同じ電力レベルを有する、すなわち、データエラー率の低減を助けるために使用することができる。不運にも、信号がファイバー光ネットワークを通過すると、光増幅器および様々な環境要因を含んで、ネットワーク中の様々な光素子に起因して電力レベルは等しくなくなる。
【０１２９】
一実施形態では、ナノ粒子はハロゲン化ポリマーなどのポリマーで被覆される。ある実施形態では、被覆されたナノ粒子は１種または複数の活性材料を含む。
【０１３０】
利得媒体の元素に加えて、さらに他の材料がナノ粒子11を形成するのに有用である。例えば、ナノ粒子自身、無機結晶を含むことができる。本発明の例示的実施形態では、無機結晶ナノ粒子はニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リン化インジウム、ヒ化ガリウム、および他の電気光学無機材料を含む。さらに、これらの無機結晶は利得媒体の元素と結合することができる。これらの結晶ベースのナノ粒子は電気光学、熱光学、音響光学用途に使用することができる。
【０１３１】
利得媒体の元素に加えて、他の材料もナノ粒子11を形成するのに有用である。例えば、ナノ粒子自身、無機材料を含むことができる。本発明の例示的実施形態では、無機ナノ粒子はジルコン酸チタン酸鉛ランタン(PLZT)などのセラミックおよび他の電気光学無機材料を含む。さらに、これらの無機材料は利得媒体の元素と結合することができる。これらの無機材料ベースのナノ粒子は電気光学、熱光学、音響光学用途に使用することができる。
【０１３２】
多くの半導体材料は約2〜約5の屈折率を有するので、これらの材料は、導波管やマイクロ共鳴器など、光用途のナノ複合材料の屈折率を調整するのに使用することができる。したがって、半導体材料はナノ粒子11を形成するのに使用することもできる。これらの材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、InP、InAs、InSb、ZnS、PbS、PbSe、PbTeおよび他の半導体材料、並びに希土類若しくは遷移金属イオンをドープしたそれらの対応物質を含む。さらに無機塩、酸化物または化合物など他の材料も、導波管やマイクロ共鳴器など、光用途のナノ複合材料の屈折率を調整するのに使用することができる。例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、プルースタイト、アルミン酸イットリウム、ルチル、およびジルコン酸塩や他の関連材料、並びに希土類若しくは遷移金属イオンをドープしたそれらの対応物質を含む。
【０１３３】
ナノ粒子の、それらを含む複合材の特性に与える影響に応じて、さらに他の種類の材料を使用してナノ粒子11を形成することができる。
【０１３４】
金属カルコゲニド(例えば、Bi2Te3、Bi2Te3)、金属塩、遷移金属、遷移金属錯体、遷移金属含有化合物、遷移金属酸化物などの金属含有化合物、および、例えば、Rodamin-B、DCM、Nile赤、DR-19、DR-1などの染料、およびポリマーを使用することができる。光増幅用に希土類若しくは遷移金属イオンをドープしたZnSまたはPbSもナノ粒子を形成するのに使用することができる。
【０１３５】
一実施形態では、ナノ粒子は、ハロゲン化長鎖アルキル基、ハロゲン化長鎖エーテル基、ハロゲン化ポリマーなどの長鎖アルキル基、長鎖エーテル基、またはポリマーで被覆される。
【０１３６】
光導波管用途では、本明細書に記載されるナノ粒子の主要寸法は使用する光の波長よりも小さい。したがって、ナノ粒子11に入射する光はナノ粒子と相互作用せず、またはナノ粒子から散乱しない。結果として、ホスト母材材料10内に分散したナノ粒子11の存在による、ホスト母材を透過する光への影響は少なく、または無い。ナノ粒子11が存在しても、ホスト母材10の低吸収損失を保つことができる。
【０１３７】
図2は、本発明によるナノ粒子を用いて形成したプラナー光導波管30の断面を示している。クラッド38は被覆されたナノ粒子36を含むホスト母材34を含むコア32を取り囲む。一実施形態では、クラッド38は、コア32よりも屈折率が小さい。この実施形態では、コア32に添加されたナノ粒子がコア32を含む材料の屈折率を高める。
【０１３８】
この実施形態では、入力光λIは一末端で導波管30に注入される。入力光λIはコア32を通って伝播するときコア32の内部に閉じ込められる。ナノ粒子の小さなサイズのため、入力光λIは、光の電力損失を招く散乱なしに伝播することができる。したがって、ナノ粒子36と相互作用する入力光λIは39で図示したように光信号を増幅する。
【０１３９】
本発明による他の実施形態は光集積増幅デバイスを含む。
【０１４０】
他の実施形態では、一方向波長分割多重(WDM)カプラー46が導波管チップ47に配置され、信号光λs48とポンピング光λp49を結合する。ポンピング光λp49は、コアのドープされたナノ粒子に含まれる活性材料を刺激し、信号光λs48を増幅する。
【０１４１】
コア中のナノ粒子が1種または複数の活性材料を含むとき、信号光の波長は約0.8μm〜約0.9μmの範囲の広帯域信号であり、さらに約1.2μm〜約1.7μmが増幅される。
【０１４２】
コア中のナノ粒子が、Dy、Nd、Prから選択される少なくとも1種の材料を含むとき、
約1.27μm〜約1.36μmの範囲、さらに約1.30μm〜約1.32μmの範囲の信号光の波長が増幅される。
【０１４３】
コア中のナノ粒子が、少なくとも1つのErを含有する材料を含むとき、約1.5μm〜約1.6μmの範囲、さらに約1.57μm〜約1.61μmの範囲、さらに約1.55μmの信号光の波長が増幅される。さらに他の実施形態では、コア中のナノ粒子は1種または複数の活性材料を含むことができる。コアおよび/またはクラッドの屈折率はナノ粒子を含ませることによって望ましい値に調節することができる。
【０１４４】
一般に、適切な組成物のナノ粒子を含む複合材の屈折率は、選択した異なる値に調節することができる。例えば、本明細書に開示したナノ粒子をホスト母材に加えることによって、複合材の屈折率は1〜5に調整される。結果として、ナノ複合材料は、本発明による導波管などの様々な光用途に使用するのに適している。ナノ粒子の屈折率は当技術の通常の技術者に良く知られた技術を用いて求めることができる。例えば、屈折計、偏光解析器、または屈折率マッチング液体を用いて、粒子の屈折率を膜または粉のいずれでも求めることができる。ナノ粒子粉サンプルの測定には、屈折率マッチング液体を使用して材料の屈折率を求めることができる。一般に、屈折率マッチング液体または浸漬油の液滴をガラススライド上に置く。次いで、少量の粉サンプルを液滴に混合することができる。次いで透過光学顕微鏡を用いて、スライドを観察することができる。顕微鏡はナトリウムD線フィルターを備えており、588nmの波長で屈折率が測定される。屈折率マッチング液体と粉体の間の境界は液体とサンプルの屈折率が一致しないときに見ることができる。継続してより高い屈折率を有する浸漬油を用いて、境界が見えなくなるまで同じ手順を繰り返す。この点で、浸漬油の屈折率は粉体のそれと一致する。
【０１４５】
一実施形態では、屈折率ηmatrixを有するハロゲン化ポリマーホスト母材、および屈折率ηparticleを有するハロゲン化ポリマーホスト母材内に分散された複数のナノ粒子が存在する。この実施形態では、ハロゲン化ポリマーホスト母材と複数のナノ粒子は、屈折率ηcompを有する複合材を形成し、ηmatrixはηparticleに等しくない。さらに、ハロゲン化ポリマーホスト母材内のナノ粒子は、ηmatrixと異なる値ηcompとするのに十分な量である。
【０１４６】
他の実施形態では、ナノ複合材は高い屈折率と低吸収損失、例えば、約1.2μm〜約1.7μmの範囲で約2.5×10-4dB/cm未満となるように作製することができる。既に述べたように、フッ素化ポリマーを含んで、ハロゲン化ポリマーは、非常に小さな吸収損失を示す(表1参照)。
【０１４７】
【表１】
2005529984.tif 000008
【０１４８】
したがって、これらのハロゲン化ポリマーは、本発明による光導波管および他の用途で光を伝送するのに特に適している場合がある。それらの用途では、ナノ粒子11は入射光の波長よりも小さい。したがって、ナノ粒子11に入射する光はナノ粒子と相互作用せず、またはナノ粒子から散乱しない。結果として、ホスト母材材料10内に分散したナノ粒子11の存在は、ナノ粒子自身がバルク状で光学的に透明でなく、または半透明でさえなくても、複合材の光学的透明度に影響が少ないか、無い。したがって、ナノ粒子11が存在しても、ホスト母材10の吸収損失を低く保つことができる。
【０１４９】
対照的に、ホスト母材材料10内のナノ粒子11の存在は、単独のホスト母材材料に比べて大きく異なる特性に寄与することができる。例えば、既に述べたように、ナノ粒子11は、約1〜約5の屈折率を有することのできる様々な半導体材料から作ることができる。ナノ粒子11をホスト母材材料10中に分散すると、得られる複合材料は、ホスト母材材料10の屈折率(通常約2未満)とナノ粒子材料の屈折率の間のいずれかの値を有するであろう。得られる複合材料の全体的な屈折率は、ホスト母材材料10内のナノ粒子11の濃度と構成に依存するであろう。例えば、ホスト母材材料10中のナノ粒子11の濃度が増加すれば、全体の屈折率はナノ粒子11の屈折率近くへ移動することができる。ηcompの値は、ηmatrixの値と約0.2%〜約330%の範囲で異なることができる。例示的実施形態では、ηparticle:ηmatrixの比は少なくとも3:2である。他の例示的実施形態では、ηparticle:ηmatrixの比は少なくとも2:1である。
【０１５０】
本明細書に述べるナノ粒子含有複合材は、例えば、光デバイス、窓ガラス、ミラー、ミラーパネル、光学レンズ、光学レンズアレイ、光ディスプレイ、液晶ディスプレイ、陰極線管、光学フィルター、光素子、より一般的に素子と呼ばれる全てのものを含むが制限することのない様々な用途に利用することができる。
【０１５１】
また、本明細書に述べるナノ粒子含有複合材は、例えば、単モードまたは多重モードを含んで、段階屈折率または勾配屈折率とすることのできる光ファイバー、導波管、膜、増幅器、レーザ、合波器、分波器、断路器、インターリーバー(interleaver)、二重合波器(dumultiplexer)、カプラー、光分割器、フィルター、高感度光センサー、電気光学および熱光学スイッチ、光学マイクロリング共鳴器、発光ダイオード、光子バンドギャップデバイスに使用することができる。他の使用は、光反射防止被覆、多層被覆から作られたファブリペローフィルター、勾配屈折率光学レンズ、バルクレンズ、プリズム、波板、ミラー、回折格子、光案内子を含む。他の実施形態では、複合材を含有するナノ粒子(“ナノ複合材”)はポリマーナノ複合材から作られたCD-ROMおよびDVDに使用することができる。さらに、ナノ複合材は、構内通信ネットワークまたは車両若しくは航空機内のポリマーナノ複合材光ファイバーで作られた通信ネットワーク、およびレーザや広帯域光増幅器を含む様々な用途の素子に使用することができる。
【０１５２】
図4Aは本発明の一実施形態による光導波管50を図示している。光導波管50は、全体的に平坦な基板51と、入射光を伝送するコア材料54と、基板51上に配設された、コア54を取り囲んでコア材料54内の入射光の総内部反射を促進するクラッド材料52とを含む。光導波管のコア54は、例えば図1に示したナノ複合材から形成することができる。
【０１５３】
クラッド51および52は、各々ペルフルオロポリマーなどの光ポリマーを独立に含むことができる。導波管コア54は、ナノ複合材料、例えば、ドープしたガラス、単結晶を含むことができ、または約1nm〜約100nmの範囲の寸法を有するポリマー粒子がポリマー導波管コアに埋め込まれる。
【０１５４】
それらの実施形態では、コア54はホスト母材とホスト母材内に分散された複数のナノ粒子を含むことができる。コア54中に存在する複数のナノ粒子の大部分は、ハロゲン化外部被覆層をさらに含むことができる。ある実施形態のクラッド材料はハロゲン化ポリマーホスト母材を含むことができる。ある実施形態では、クラッド材料は、コアとクラッドの相対特性を予め定めた値に調節できるように、ホスト母材中に分散されたナノ粒子をさらに含むことができる。
【０１５５】
さらに、本発明の一実施形態では、コア54のホスト母材材料および/またはクラッド層52はフッ素を含む。光導波管50中のナノ粒子は、約1〜約5の範囲の屈折率を有することができる。特定の屈折率値を有する特定の材料を選択することによって、光導波管50のコア54および/またはクラッド層52の屈折率は予め定めた望ましい値、または予め定めた異なる値に調節することができる。
【０１５６】
ホスト母材の熱光学特性は、異なる熱膨張係数を含むナノ粒子を有効量含ませることによって向上させることができる。多くの材料は加熱されると膨張し、冷やされると収縮する。熱膨張係数(CTE)は単位温度当たりの長さの変化(膨張または収縮のため)の割合である。例えば、加熱されたときに伸びる材料は正のCTEを有すると言われる。逆に、加熱されたときに収縮する材料は負のCTEを示す。
【０１５７】
複合材を含む材料のCTE間の不一致は、複合材料に劣化の影響を与える。ナノ粒子およびポリマー材料の両方ともCTEを有する。熱膨張および収縮は、ナノ粒子を含む、CTEの一致しない複合材料を劣化させる。例えば、各々異なるCTEを有する2種の異なるポリマーなどの2種の材料が互いに隣接するとき、異なる膨張率のため材料の間に応力が発生し得る。
【０１５８】
異なるCTEを有する材料を含むナノ粒子は、ナノ粒子を含む複合材のCTEを調節するのに使用することができる。ある実施形態では、負のCTEを有する材料を含むナノ粒子は、正のCTEを有する材料を含むナノ粒子と組み合わせて、ナノ粒子を含む複合材のCTEを調節するのに使用することができる。
【０１５９】
ナノ粒子11は、正または負の熱膨張係数を有する材料を含むことができる。負のCTEを有するナノ粒子が正のCTEを有する母材材料および/またはナノ粒子と組み合わせられるとき、得られる複合材料は、負のCTE材料のCTEと正のCTE材料のCTEの間のCTEを有するであろう。負のCTE材料はナノ粒子の尺度に寸法を合わせる必要はない。それはナノ粒子の尺度よりも大きなサイズにすることができる。したがって、一実施形態では、異なる相対CTEを有するホスト母材および/またはナノ粒子の材料を選択することによって、およびホスト母材中のこれらの材料の量を変化させることによって、複合材のCTEを制御することができる。
【０１６０】
ナノ複合材を含む材料の量と種類は、ナノ複合材が様々な熱環境を循環させられたときに、膨張または収縮が小さいか、無い(言い換えれば、実質上ゼロのCTE)ように選択することができる。代りに、ホスト母材材料およびナノ粒子は、特定の正または負のCTEを有する複合材を提供するように選択することができる。
【０１６１】
負のCTEを有する材料の中で、例には、Ni-Ti合金、ZrW2O8、ZrMo2O8、Y2(WO4)3、VをドープしたZrP2O7、ZrV2O7、(Zr2O)(PO4)2、Th4(PO4)4P2O7、AOMO4が含まれ、A=Nb、またはTaであり、M=P、As、またはVである。これらの材料から形成されたナノ粒子11は、負のCTEを示し、したがって、温度が上昇するとそれらの寸法は縮む。負のCTEを示す材料の一例示的実施例は、以下の式(I)、
A1-y4+Ay1+Ay3+V2-xPxO7    (I)
に対応する材料であり、
式中、A4+はHf、Zr、ZraMb、またはHfaMbおよびその混合物から選択され、
a+b=であり、
A1+はアルカリ土類金属から選択され、
A3+は希土類金属から選択され、
MはTi、Ce、Th、U、Mo、Pt、Pb、Sn、Ge、またはSiから選択され、
yは約0〜約0.4の範囲であり、
xは約0.6〜約1.4の範囲である。
【０１６２】
式(I)にあてはまる材料の中で、例には、(ZrO)2VP2O7、ZrVPO7、Zr0.8Li0.2Y0.2VPO7、Zr0.8Ce0.2VPO7、HfVPO7が含まれる。
【０１６３】
複合材料のCTEを制御する一実施形態では、ナノ粒子の量を複合材料の約10%〜約95容量%の範囲に変えることができる。こられの粒子は負のCTEを有するように選択した粒子を含むことができる。他の実施形態では、1種または複数の粒子を負のCTEを有するように選択し、残りの粒子は正のCTEを有するように選択することができる。さらに他の実施形態では、負のCTE材料は、ナノ粒子サイズよりも大きく、複合材料の約5%〜約99容量%の範囲の粒子を含む。
【０１６４】
図3Bに示すように、光導波管50はクラッド52の頂部に配設された付加層(superstrate)56を光学的に含むことができる。環境温度変化に対する光導波管50の波長応答変化を最小にするために、基板51、クラッド52、コア54、および付加層56の少なくともひとつのCTEはナノ粒子を含ませることによって制御することができる。具体的には、基板51、クラッド52、コア54、および付加層56の少なくともひとつはホスト母材とホスト母材内に分散した複数のナノ粒子を含む。特定のCTEを有する特定のナノ粒子と、特定のナノ粒子の効果的な量を選択することによって、光導波管50の基板51、クラッド52、コア54、および付加層56の全体のCTEを望ましい値に調節することができる。複数のナノ粒子はハロゲン化外部被覆層を含むことができる。さらに、本発明の一実施形態では、基板51、クラッド52、コア54、および付加層56の少なくともひとつのホスト母材材料はフッ素を含む。
【０１６５】
図4は本発明の他の実施形態による光導波管60を示している。光導波管60はクラッド62で囲まれたコア64を有する光ファイバーを含む。コアはホスト母材とホスト母材内に分散された複数のナノ粒子を含む。一実施形態ではコア64はナノ粒子を含む。この実施形態のクラッド材料はホスト母材を含む。ある実施形態では、クラッド材料はホスト母材に分散されたナノ粒子を含むこともできる。さらに、本発明の一実施形態では、コア64および/またはクラッド層62のホスト母材材料はフッ素を含む。光導波管60中の複数のナノ粒子は約1〜約5の屈折率を有することができる。特定の屈折率値を有する特定の材料を選択することによって、光導波管60のコア64の全体の屈折率は、予め定めた望ましい値または予め定めた異なる値に調節することができる。
【０１６６】
上記の材料に加えて、さらに他の材料もナノ粒子11として有用である。例えば、ナノ粒子自身ポリマーを含むことができる。本発明の例示的実施形態では、ポリマーナノ粒子は、希土類イオンなどのイオンと結合することのできる官能基を含むポリマーを含む。それらのポリマーは、ビニル、アクリル、ビニル芳香族、ビニルエステル、アルファベータ不飽和エステル、不飽和カルボン酸エステル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、ジエンモノマーのホモポリマー若しくはコポリマーを含む。これらのポリマーの活性基は、POOH、POSH、PSSH、OH、SO3H、SO3R、SO4R、COOH、NH2、NHR、NR2、CONH2、NH-NH2他の任意のものを含むことができ、式中、Rは、少なくとも1個の炭素ベースの環を形成することが可能であり、飽和および不飽和である、炭化水素ベースの直鎖若しくは分岐鎖の、アリール、アルキル、アルキレン、シロキサン、シラン、エーテル、ポリエーテル、チオエーテル、シリレン、シラザンから選択することができる。
【０１６７】
ナノ粒子として使用するポリマーは、ポリマー主鎖に希土類イオンを含む主鎖ポリマー、または上記の官能基を含む側鎖若しくは架橋ポリマーを代りに含むことができる。ポリマーは、やはりホスト母材ポリマーと混和性のない、高度にハロゲン化したものとすることができる。例えば、塩化エルビウムをペルフルオロジオクチルホスフィン酸と反応させて調製した無機ポリマーのナノ粒子は、高度に結晶化し、ポリ[2,3-(ペルフルオロアルケニル)ペルフルオロテトラヒドロフラン]に混和性がない。これらのナノ粒子をフッ素化ポリマーホスト母材と混合することによってナノ複合材が得られる。さらに、ナノ粒子は、有機染料分子、これらの染料分子のイオンの形、またはこれらの染料分子を主鎖若しくは側鎖または架橋ポリマー中に含むポリマーを含むことができる。ナノ粒子がハロゲン化されないポリマーを含むとき、それらは本明細書に述べたハロゲン化被覆で任意選択的に被覆することができる。
【０１６８】
本発明の増幅器を含む複合材料は異なる種類のナノ粒子を含むことができる。例えば、図5は本発明の例示的実施形態を示しており、ナノ粒子11、12、71のいくつかの群がハロゲン化母材10内に存在する。ナノ粒子11、12、71の各群は外部層(例えば粒子21上の層12)で囲まれた、異なる材料を含む。
【０１６９】
いくつかの異なるナノ粒子から作られたナノ複合材は異なるナノ粒子から導かれる特性を提供することができる。例えば、ナノ粒子11、12、71はある範囲の異なる光学的、構造的または他の特性を提供することができる。それらの構成は、例えば本発明による広帯域光増幅器および他の光デバイスを形成するのに有用である。当業者であれば、本発明は、ホスト母材材料内に分散された、特定数の異なるナノ粒子の種類に制限されないことを認識するであろう。むしろ、任意数の異なるナノ粒子の種類が様々な用途に利用できる。例えば、複数の種類のナノ粒子で作られた導波管コアを有する、Er若しくはEr/Ybをドープしたナノ複合材導波管増幅器を本発明によって作製することができる。他の実施形態では、Erをドープしたケイ酸ゲルマニウムアルミニウムガラス、Erをドープしたリン酸塩ガラス、およびErをドープした無機単結晶を本発明によって作製することができる。ある実施形態では、Er、ツリウム、ジスプロシウム、ネオジミウム等などの複数の希土類イオンをドープした、複数種のナノ粒子を単一導波管コア中に含み、各希土類イオン種で増幅器の利得帯域内の副帯域を増幅して、より広帯域の増幅を達成することも可能である。
【０１７０】
末端の用途に応じて本発明によるナノ粒子は素地であることができ、または少なくとも1層の外部層を含むことができる。図1に示したように、ナノ粒子は外部層12を含むことができる。層12はいくつかの重要な機能を提供することができる。それはナノ粒子11を湿気または潜在的な有害物質から保護するのに使用することができる。さらに、層12は凝集を防ぐこともできる。凝集は母材材料内に分散したナノ粒子を含む複合材料を作製するときに問題である。
【０１７１】
一実施形態では、所与のホスト母材材料と適合性のある材料の層12を選択することによって、層12はナノ粒子の表面とホスト母材10の間の界面エネルギーを取り除くことができる。結果として、複合材料中のナノ粒子は、被覆しないナノ粒子とホスト母材材料10の間に存在するであろう境界面/表面エネルギーを最小にするための凝集傾向がない。したがって、層12は、ナノ粒子を凝集させずに、ホスト母材材料10中へのナノ粒子11の分散を可能にする。
【０１７２】
外部層12をハロゲン化するとき、層はフッ素、塩素、臭素から選択される少なくとも1種のハロゲンを含むことができる。本発明の一例示的実施例では、ハロゲン化外部層12は、例えば、ハロゲン化ポリホスファート、ハロゲン化ホスファート、ハロゲン化ホスフィナート、ハロゲン化チオホスフィナート、ハロゲン化ジチオホスフィナート、ハロゲン化ピロホスファート、ハロゲン化アルキルチタナート、ハロゲン化アルキルジルコナート、ハロゲン化シラン、ハロゲン化アルコール、ハロゲン化アミン、ハロゲン化カルボキシラート、ハロゲン化アミド、ハロゲン化サルファート、ハロゲン化エステル、ハロゲン化酸塩化物、ハロゲン化アセチルアセトナート、ハロゲン化ジスルフィド、ハロゲン化チオール、ハロゲン化アルキルシアニドを含むことができる。これらの材料のフッ素類似物を使用することができるが、フッ素以外のハロゲン並びに水素を組み込んでいるこれらの材料の類似物も外部層12に使用することができる。
【０１７３】
ナノ粒子11の保護と凝集の抑制に加えて、層12はナノ粒子11の表面と相互作用を行うように設計することができる。例えば、ハロゲン化外部層12は、ナノ粒子11の表面に見出すことのできる望ましくないラジカル基、例えばOHまたはエステルと反応して中和する、上記の層などの材料の1種を含むことができる。このようにして、層12は望ましくないラジカルがホスト母材10と反応するのを防止することができる。蛍光ナノ粒子の場合、被覆82は蛍光の消光を防止することもできる。
【０１７４】
ナノ粒子11上の被覆は、図1に示したハロゲン化外部被覆層12などの単層に制限されない。ナノ粒子は複数の層で被覆することができる。
【０１７５】
図6はホスト母材10内に縣濁した1個のナノ粒子を描いている。示したように、内部層84はナノ粒子80とハロゲン化外部層82の間に配設されている。ある状況では、特定のナノ粒子材料80と特定のハロゲン化外部層84との相互作用は未知である。これらの状況では、ナノ粒子80は、不動態層を形成する既知の方法によって、ナノ粒子材料とハロゲン化外部被覆層材料の1種または両方と相互作用する材料を含む内部被覆層84を被覆することができる。それらの内部被覆層は、例えば、ハロゲン化外部被覆層82がナノ粒子80から剥離するのを防止することができる。内部被覆層84は図6に単層として示されているが、内部被覆層84は類似のまたは異なる材料の複数の層を含むことができる。
【０１７６】
図7は本発明の一例示的実施形態による複合材料を形成するプロセスステップを示すフロー図である。図1に示したナノ粒子11は、ステップ101の間に形成される。形成されると、ナノ粒子11は、ステップ103で、外部被覆層12で被覆される。任意選択的に、ステップ102で、図7に示したように内部被覆層84(または不動態層)をナノ粒子80の上に形成することができる。外部層82を形成する前に、1層叉は複数の不動態層を含むことのできる内部被覆層84を、外部被覆層82の形成に類似した方法を用いて形成することができる。
【０１７７】
ナノ粒子はいくつかの方法で被覆することができる。例えば、ナノ粒子は原位置に、または言い換えれば、形成プロセスの間に被覆することができる。ナノ粒子は被覆材料の存在下で形成(例えば電気噴霧)することができる。このようにして、ナノ粒子11が乾燥してエアゾールを形成すると、それらは既に望ましいホスト母材の層12を含むことができる。
【０１７８】
一実施形態では、層12はナノ粒子を被覆材料と直接接触させることによって形成することができる。例えば、ナノ粒子はハロゲン化被覆材料を含む溶液中に分散することができる。ある実施形態では、ナノ粒子は形成プロセスで残った被覆を含むことができる。これらの場合、ナノ粒子は外部被覆層を形成するための成分を含む溶媒中に置くことができる。溶媒中に置かれると、化学的な置換反応を行って、複数のナノ粒子11の上に既に存在する被覆を外部被覆層12で置換することができる。一実施形態では、ナノ粒子は気相反応、例えばヘキサメチルジシラザンの気相反応で被覆を被覆することができる。
【０１７９】
他の実施形態では、ナノ粒子はそれらをホスト母材と溶媒中に共溶解(溶液を形成する)し、溶液を基板上にスピンコートし、溶液から溶媒を蒸発させることによって分散することができる。
【０１８０】
他の実施形態では、ナノ粒子をモノマー母材中に分散し、分散の後にモノマーをポリマー化することができる。例えば、金属酸化物ナノ粒子を超音波の下で液体モノマー中に分散することができる。得られる混合物を次いで脱気し、アゾ、過酸、過酸化物などの熱開始剤または光開始剤のいずれか、または酸化還元タイプの開始剤と混合する。次いで混合物を加熱して重合を誘起させ、ポリマーナノ複合材を形成する。さらに、予備重合させた混合物を基板上にスピンコーティングし、続いて熱または光誘起による重合を行ってナノ複合材の薄膜を形成することができる。
【０１８１】
さらに他の実施形態では、被覆はハロゲン化モノマーの形とすることができる。モノマーが粒子の表面に吸収されると、それらは重合または架橋することができる。さらに、ポリマーの形の被覆は、ハロゲン化モノマーを存在させて粒子をプラズマに曝すことによって、粒子表面のプラズマ誘起重合で被覆されたナノ粒子を形成することができる。上記の被覆技術が網羅的なリストであることは意図していない。実際に、当技術の通常の技術者に知られた他の被覆技術も使用することができる。
【０１８２】
ナノ粒子が形成され、任意選択的に被覆されると、それらはステップ104でホスト母材中に分散して、ホスト母材内の均一なナノ粒子の分散を得ることができ、高せん断混合機または超音波を使用することができる。それらの高せん断混合機は、例えば、ホモジェナイザーまたはジェット混合機を含むことができる。
【０１８３】
ナノ粒子をホスト母材中に分散する他の方法は、ナノ粒子をポリマーと一緒に適切な溶媒中に共溶解し、溶液を基板上にスピンコーティングし、次いで溶媒を蒸発してポリマーナノ複合材の膜を形成することである。
【０１８４】
ナノ粒子をホスト母材中に分散するさらに他の方法は、ナノ粒子をモノマー中に分散し、次いでモノマーを重合してナノ複合材を形成することである。モノマーはアクリラート、メタクリラート、スチレン、ビニルカルバゾール、ハロゲン化メタクリラート、ハロゲン化アクリラート、ハロゲン化スチレン、ハロゲン化置換スチレン、トリフルオロビニルエーテルモノマー、架橋剤を有するエポキシモノマー、無水/ジアミンを含む群から選択することができるが、当業者であれば他のモノマーも同様に使用できることを認識するであろう。上記の分散技術が網羅的なリストであることは意図していない。実際に、当技術の通常の技術者に知られた他の分散技術も使用することができる。
【０１８５】
本発明の一実施形態では、ホスト母材は様々な種類のナノ粒子を含むことができる。例えば、ある実施形態では、ホスト母材は正および/または負のCTEを有する複合粒子および/またはナノ粒子を含むことができる。他の実施形態では、ナノ粒子が1種類の屈折率を含む場合、単一種類または様々な種類のナノ粒子を含ませることによって、ホスト母材の屈折率を調節することができる。また、ホスト母材は活性材料を含むナノ粒子を含むことができる。さらに、ある実施形態では、ホスト母材は硫化物を含むナノ粒子を含むことができる。また、本発明の実施形態は、正および/または負のCTEを含む粒子、および/または様々な屈折率を含む様々なナノ粒子、および/または活性材料、および/または硫化物を含む複数の母材を含むことができる。ある実施形態では、ナノ粒子は被覆を含むが、他の実施形態では、ナノ粒子は被覆を持たない。図8は、50nm未満の粒子サイズを有する例示的ナノ粒子のAFM像を示している。さらに、ある実施形態では、複数の母材はハロゲン化され、またはハロゲン化されない。このように、異なる組み合わせが明らかに考えられる。
【０１８６】
本発明の一実施形態では、ホスト母材は様々な種類のナノ粒子を含むことができる。例えば、ある実施形態では、ホスト母材は正および/または負のCTEを有する粒子、および/またはナノ粒子を含むことができる。他の実施形態では、ナノ粒子が1種類の屈折率を含む場合、単一種類または様々な種類のナノ粒子を含ませることによって、ホスト母材の屈折率を調節することができる。また、ホスト母材は活性材料を含むナノ粒子を含むことができる。さらに、ある実施形態では、ホスト母材は硫化物を含むナノ粒子を含むことができる。また、本発明の実施形態は、正および/または負のCTEを含む粒子、および/またはナノ粒子、および/または様々な屈折率を含む様々なナノ粒子、および/または活性材料、および/または硫化物を含む複数の母材を含むことができる。ある実施形態では、ナノ粒子が被覆を含むが、他の実施形態では、ナノ粒子は被覆を持たない。さらに、ある実施形態では、複数の母材はハロゲン化され、またはハロゲン化されない。このように、異なる組み合わせが明らかに考えられる。
【０１８７】
他の実施形態では、ホスト母材および様々な官能性のナノ粒子を含むポリマーナノ複合材は、さらに磨耗抵抗特性の向上を提供することができる。フルオロポリマーがSiO2、TiO2、YAG等の硬質無機材料でドープされるとき、ポリマーの磨耗特性は無機成分の存在によって高められる。これらの種類のポリマー複合材は、従来の炭化水素をベースにする複合材に比べて、熱および化学的安定性、向上した耐候性、および低い水吸収などの追加の利点を提供する。ポリ(メチルメタクリラート)などの典型的な炭化水素母材では、水の吸収は60℃の水浸漬試験で0.3%である。他方、同じ試験条件下で、過フッ素化ポリマーの水吸収は0.01%未満である。
【０１８８】
さらに他の実施形態では、ホスト母材および様々な官能性のナノ粒子を含むポリマーナノ複合材は、さらに反射防止被覆の向上を提供することができる。本発明の材料は、一般に、3色の領域で高い透明性を示し、同時に1種または複数の被覆された無機、有機、またはポリマーナノ粒子を組み込むためのホスト母材として働く非晶質ポリマー材料を、光セルの3つの主要な最大値、いわゆる450nm、525nm、575nmの波長領域に選択された希土類イオンを組み込んでいる1種または複数の粒子と共に含む、設計された光ポリマーナノ複合材である。
【０１８９】
希土類金属の例には、ランタニド系の元素Z=58、Z=71およびそれらの対応するイオンと、Er、Dy、Nd、Pr、Yb、およびホルミウムが含まれる。したがって、例えば、数種または全てが適切な光吸収特性を有する適切なナノ粒子を、ホスト母材ポリマー組成物中にポリマーの約0.1〜約100重量部の範囲で導入することができる。光ポリマーナノ複合材の光吸収性能は、ナノ複合材料に組み込まれた各希土類イオンの濃度と相対比率を調節することによって制御することができる。したがって、本発明の材料は、調節された希土類イオンに由来する比較的低い色度のため、着色の少ない、または着色の無い外観を呈しながら、優れた防眩性と透明特性を有する。
【０１９０】
ナノ粒子を添加したフルオロポリマーや、フルオロカーボン被覆で被覆したナノ粒子などの本発明の複合材料は、向上した熱安定性、化学的安定性、低い水吸収性、および生物適合性などの利点を提供する。これらの特性は、(1)ナノ粒子がZnO、SnO2、WO3、TiO2、Fe2O3、BiFeO3、MgAl2O4、SrTiO3、Sr1-yCayFeO3-xを含むときガス検知、(2)ナノ粒子がCoPt、FePt、酸化鉄などの金属粒子を含むとき磁気記録、(3)ナノ粒子がフッ素被覆Au粒子を含むとき薬剤送達などの用途における改善を提供することができよう。
【図面の簡単な説明】
【０１９１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による複合材料の一例を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態による導波管の断面を示す概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明による一実施形態を示す導波管の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明による一実施形態を示す導波管の概略図である。
【図４】図４は、本発明の他の導波管の実施形態を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の他の実施形態によるナノ粒子を含む複合材料を示す概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の他の実施形態によるナノ粒子を示す概略図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の他の実施形態によるナノ粒子を示す概略図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による複合材料を形成するプロセスを示すフロー図である。
【図８】図８は、ナノ粒子の原子間力顕微鏡(AFM)像を示す図である。
【図９】図９は、２種の異なる波長におけるナノ粒子のサイズの関数としての光損失を示す図である。
【図１０】図１０は、２種の異なる波長におけるナノ粒子のサイズの関数としての光損失を示す図である。
【図１１】図１１は、２種の異なる波長におけるナノ粒子のサイズの関数としての光損失を示す図である。
【図１２】図１２は、フッ素化ポリマーの孔直径について、異なる残留多孔質性画分の散乱損失を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態によるポリマーナノ粒子を含む光学物品を示す図である。
【符号の説明】
【０１９２】
10  ホスト母材
11  ナノ粒子
12  外部層
30  プラナー光導波管
32  コア
34  ホスト母材
36  ナノ粒子
38  クラッド
46  一方向波長分割多重(WDM)カプラー
47  導波管チップ
48  信号光λs
49  ポンピング光λp
50  光導波管
51  基板
52  クラッド
54  コア
56  付加層
60  光導波管
62  クラッド
64  コア
11、12、71  ナノ粒子
80  ナノ粒子
82  ハロゲン化外部層
84  内部層
84  ハロゲン化外部層
84  内部被覆層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
2005529984.tif 000016
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2005529984.tif 000023
【図１３】
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2005529984.tif 000025
2005529984.tif 000026
【国際調査報告】
2005529984.tif 000027
2005529984.tif 000028
2005529984.tif 000029
2005529984.tif 000030