突破性技術：激光燒結實現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性能

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

在硅基光學器件領域，如何制備高厚度、無裂紋且具備優異發光性能的薄膜一直是技術難題。克萊姆森大學聯合研究團隊通過CO?激光燒結技術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波導器件提供了全新解決方案。研究中，lexsyg research作為重要檢測設備，精確揭示了材料的發光特性與閃爍性能。

技術突破：從溶膠配方到激光燒結的全流程創新

1、溶膠-凝膠前驅體優化

原料創新：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?），提升發光效率并抑制濃度淬滅，同時通過Pluronic F127聚合物調節溶膠流變性，減少干燥應力。

2、CO?激光燒結工藝

設備配置：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薄膜致密化。

厚度突破：單層薄膜厚度從傳統爐火燒結的500 nm提升至1毫米以上，且無裂紋產生，關鍵歸因于局部熱應力松弛機制（有限元模型驗證，圖1）。

圖1. (A)二氧化硅:鉺在379nm激發下的PL光譜;(B)在550nm監測二氧化硅:鉺的PL光譜；(C)二氧化硅在379nm激發下的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揭示材料發光特性

1、光致發光（PL）與放射發光（RL）測試

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

發現：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、結構穩定性與致密化

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

應力控制機制：有限元模擬表明，激光燒結通過 “軟區應力釋放”抑制裂紋，而傳統燒結因整體受熱導致應力累積。

結論與行業應用前景

本研究通過溶膠-凝膠結合CO?激光燒結技術，突破傳統工藝的厚度限制，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據支持，凸顯其在光學材料研發中的不可替代性。該技術有望應用于：

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、醫學成像：X射線/γ射線成像設備的靈敏層材料。