JPH07270837A - 超微粒子分散薄膜およびその作製法 - Google Patents

超微粒子分散薄膜およびその作製法

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JPH07270837A
JPH07270837A JP8584594A JP8584594A JPH07270837A JP H07270837 A JPH07270837 A JP H07270837A JP 8584594 A JP8584594 A JP 8584594A JP 8584594 A JP8584594 A JP 8584594A JP H07270837 A JPH07270837 A JP H07270837A
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ultrafine
thin film
dispersed
particle
metal
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Tadao Katsuragawa
忠雄 桂川
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、従来技術の問題点を解決し
た超微粒子がマトリックス中に分散された超微粒子分散
薄膜からなる非線形光学材料の提供にある。 【構成】 超微粒子がマトリックス中に分散された超微
粒子分散薄膜において、マトリックスがアモルファスS
iO2であり、分散された超微粒子が金属酸化物の超微
粒子であることを特徴とする超微粒子分散薄膜。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、三次元の閉じ込め効果によって
電子や励起子が、0次元的振舞いを示すいわゆる量子サ
イズ効果を示す非線形光学材料である超微粒子分散薄膜
に関するものである。本発明の薄膜は、光双安定素子、
光ゲート光スイッチ、波長変換素子などに用いられる。
ここで簡単に量子サイズ効果と非線形光学効果について
説明する。非線形効果とは、物質に光を照射すると、そ
の物質の吸収係数や屈折率など、光学特性が光の強度に
応じて変化する現象であり、これを利用することによっ
て光による光の制御が可能になり、入力に光のみを使う
全光型の論理素子を実現できる。また、量子サイズ効果
とは、可視光領域で透明なガラス中に埋め込まれた半導
体超微粒子の電子と正孔はガラスのつくる深いポテンシ
ャルによって三次元的に閉じ込められるが、電子を波動
のように考えるならば、小さい箱の中では波動様式は特
定のものに制限されてしまうので、電子状態は離散的に
なり振動子強度や非線形感受率が増大する現象を指す。
【0002】
【従来技術】微粒子分散体の量子サイズ効果は最近(約
10年前から)になって見出され、注目されている現象
である。この効果は、一般的には絶縁物、例えばガラス
中に数百Å以下の半導体超微粒子を分散させることによ
り得られる。薄膜として作製され、研究され始めたのは
3、4年前からである。このような量子サイズ効果につ
いては、例えば「半導体微粒子分散ガラスの量子サイズ
効果と光学非線形性」中村新男、光学第19巻第1号
(1990年1月)p.p.10〜16、「半導体、金
属超微粒子の光学非線形性」中村勝男、応用物理第59
巻第6号(1990)p.p.738〜745、伏見隆
夫、「最新特許にみる非線形光エレクトロニクス」、工
業調査会、「Quantum Size Effect
of Semiconductor Microcr
ystallites Do ped in SiO2
−Glass Thin Films Prepare
dby Rf−Sputtering」Keiji T
sunemotoら、Japanese J.of A
pplied Physics,Vol.28,No.
10,Oct.’89 pp 1928−1933,
「Japanese Journal of Appl
ied Physics, 28巻、10号(1928
−1933頁)」および「光学、第19巻、第1号(1
990年1月)10〜16頁」等に具体的に説明されて
いる。
【0003】特に最近の傾向としては半導体超微粒子分
散系材料だけでなく、金属や金属酸化物超微粒子も強い
非線形性を示すことがわかってきている。金属酸化物超
微粒子を分散させた非線形光学材料としては特開平3−
44031号がある。しかしながら、3次の非線形光学
特性X(3)は半径RのときR-3に比例するので、前記の
粒子の半径Rは小さい方が好ましいが、前記発明の方法
においては、小さい場合においても200Å程度であ
り、これ以下に半径は小さくできないので、非線形光学
特性の点で問題があった。
【0004】本発明者も半導体や金属超微粒子を薄膜状
マトリックス中に分散させた量子サイズ効果を示す非線
形光学材料やその製法について数多くの特許出願を行な
っている(例えば特願平3−348916号、特願平3
−348917号、特願平3−69064号、特願平4
−61131号、特願平4−84481号等)。前記の
ような半導体や金属超微粒子を薄膜状マトリックス中に
分散させた非線形光学材料は、マトリックス材質が強磁
性金属の酸化物や窒化物であったために、膜としての透
明性が劣っていた。すなわち、該非線形光学材料は、非
線形光学材料として使用する場合には、分散させる超微
粒子の量が多いことが好ましいが、膜厚は厚くなり透明
性はあるものの不十分であった。また、このような超微
粒子含有薄膜を形成するためには、従来から公知の薄膜
形成法、例えば、スパッタ法、イオンビームスパッタ
法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、CVD法、
MBE法などを採用することができる。しかしながら、
膜中の原子に対するエネルギーのコントロールは基板温
度、加速電圧、ガス圧等によって行なうため、マクロ的
であり、このため膜中の超微粒子径は大きな分布をもつ
ことになる。そして、このような粒子径の大きな分布は
透明性を下げる要因であり、非線形材料としての特性を
悪くする原因であることが判明した。さらに従来のスパ
ッタ法や、イオンビームスパッタ法のようなPVD法、
CVD法では膜のマトリックス中に金属粒子以外に、該
金属、例えばFe、Co、Niの酸化物が生成するが、
該酸化物の結晶性は良くなく、X線回折法で調べると、
ピークは小さくブロードでアモルファス状態に近いもの
であった。
【0005】
【目的】本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決
した超微粒子がマトリックス中に分散された超微粒子分
散薄膜からなる非線形光学材料の提供にある。
【0006】
【構成】本発明者は、超微粒子がマトリックス中に分散
された超微粒子がマトリックス中に分散された超微粒子
分散薄膜において、金属原子およびSi原子の拡散を利
用することにより、前記従来技術の超微粒子分散薄膜の
問題点を解消することができた。すなわち、金属層を酸
素雰囲気中で加熱すると表面に酸化膜ができることは良
く知られているが、この金属層と酸素の反応は、該金属
層の厚みが数1000Å以下であり、該金属層の内側に
SiO2膜を設けて加熱すると、Siは金属層中を拡散
し金属表面にアモルファスSiO2が生成する場合があ
る。また、加熱温度が該金属の融点よりは高くないが、
融点に近い温度となると、前記SiO2中に金属酸化物
が混入する場合がある。このSiO2中に混入した金属
酸化物は粒子状であり、かつ前記加熱条件を適当にコン
トロールすることにより粒径のコントロールされた球状
粒子となる。しかもこの場合の球状粒子は、TEMで観
察すると1つ1つ分離しており、かつ粒子径はそろって
おり、またこの平均粒子径の制御は、酸化雰囲気の程度
(O2ガスのみまたはO2+N2またはO2+H2等)や加
熱温度を変更することによって行なうことができる。加
熱時間は金属種にもよるが2時間以内で充分である。
【0007】したがって、本発明の超微粒子分散薄膜
は、慣用の手段でシリコン層と金属層との積層膜を作製
し、該積層膜を酸化雰囲気中で熱処理を前記のように適
当にコントロールして行うことによって作製することが
できる。また、前記シリコン層と金属層は不透明である
ので、該シリコン層と金属層の実質的に全部が、透明な
超微粒子分散薄膜に変換されるまで酸化処理、好ましく
は熱酸化処理される。前記熱酸化処理前のシリコン層と
金属層の厚みは500〜5000Å、好ましくは500
〜2000Åの範囲である。また、熱酸化処理は、より
強い酸化条件を得るという理由から水素と酸素の混合物
を使用するのが好ましい。シリコン層と金属層との積層
膜を作製する慣用の手段としては、例えばスパッタ法が
あげられる。また、該積層膜のシリコン層と金属層の膜
厚は、目的とする超微粒子分散薄膜のアモルファスSi
2と金属酸化物超微粒子の量比を考慮して適宜決定さ
れる。さらに、本発明においては、シリコン層と金属層
との積層膜の代りに、シリコンと金属の混合物を使用
し、該混合層を前記のようにして酸化処理を行っても、
超微粒子分散薄膜を作製することができる。前記シリコ
ンと金属の混合層は、例えば蒸着法やスパッタ法のよう
な方法で作製することができる。該混合物のシリコンと
金属の混合比は、前記積層膜の場合と同様に、目的とす
る超微粒子分散薄膜のアモルファスSiO2と金属酸化
物超微粒子の量比を考慮して適宜決定することができ
る。本発明の超微粒子分散薄膜のマトリックス中に分散
される金属の種類は特に限定されないが、酸化物が生成
されやすいのでバナジウム、モリブデン、鉄、コバル
ト、亜鉛等の遷移金属が好ましい。また、超微粒子の平
均粒径は、三次の非線形光学特性が平均粒径が小さい
程、大きいという理由から、好ましくは100Å以下の
ものである。
【0008】
【実施例】
実施例1 石英基板上にCVD法(基板温度620℃)を用いてポ
リシリコン膜を2500Å、スパッタ法を用いてV(バ
ナジウム)を500Åの膜厚で作製した。ついで、真空
中で700℃の温度に加熱した炉の中で1時間加熱処理
した後、更にO2/H2のガス流量比が1/1の酸化雰囲
気中で5分間加熱処理を行った。この時の加熱処理温度
は600℃、700℃、800℃とした。この後膜の断
面をTEM観察すると石英基板上にアモルファスSiO
2をマトリックスとする新たな酸化層ができていた。こ
の層中には微粒子が分散されており、X線回折で調べた
ところ、V25であることがわかった。このV25の平
均粒子径は加熱処理温度によって異なり600℃のとき
24Å、700℃のとき41Å、800℃のとき60Å
であった。ついで、三種類の各膜に光を入射させて分光
特性を測定したところ、粒径が小さくなる程、吸収ピー
クの位置が短波長側へシフトし、いわゆるブルーシフト
が観察された。
【0009】実施例2 上記実施例1と同様にしてMo(モリブデン)をVの代
わりに用いた。加熱温度のみ800℃、1000℃、1
200℃とした。TEM観察で同様にマトリックスアモ
ルファスSiO2中の微粒子が確認された。微粒子はX
線回折によるとMoO3であった。平均粒子径は800
℃のとき47Å、1000℃のとき63Å、1200℃
のとき79Åであった。分光特性測定に於て同様にブル
ーシフトが観察された。
【0010】
【効果】本発明は100Å以下の平均粒子径のそろった
超微粒子であるために3次の非線形光学効果が大きく、
またマトリックスの透明性が良好なために実用の際に厚
くすることができ、従って非線形光学効果をより大きく
することができる。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超微粒子がマトリックス中に分散された
    超微粒子分散薄膜において、マトリックスがアモルファ
    スSiO2であり、分散された超微粒子が金属酸化物の
    超微粒子であることを特徴とする超微粒子分散薄膜。
  2. 【請求項2】 超微粒子が平均粒径100Å以下のもの
    である請求項1記載の超微粒子分散薄膜。
  3. 【請求項3】 慣用の手段でシリコン層と金属層との積
    層膜を作製し、該積層膜を酸化雰囲気中で、熱処理する
    ことを特徴とする請求項1または2記載の超微粒子分散
    薄膜の作製法。
  4. 【請求項4】 慣用の手段でシリコンと金属の混合層を
    作製し、該混合層を酸化雰囲気中で、熱処理することを
    特徴とする請求項1または2記載の超微粒子分散薄膜の
    作製法。
JP8584594A 1994-03-31 1994-03-31 超微粒子分散薄膜およびその作製法 Pending JPH07270837A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5993701A (en) * 1996-11-27 1999-11-30 Industrial Science & Technology Third-order nonlinear optical material and method for production thereof

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5993701A (en) * 1996-11-27 1999-11-30 Industrial Science & Technology Third-order nonlinear optical material and method for production thereof

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