Structural Developments in Ion-Implanted Sol-Gel Films and Resulting Glasses

离子注入溶胶-凝胶薄膜和所得玻璃的结构发展

基本信息

项目摘要

NON-TECHNICAL DESCRIPTION: Planar optical waveguides are the basis for devices used in optical signal processing and telecommunication. To fabricate such devices, small channels with particular light-guiding and light-amplifying properties are created on a glass plate, by changing its chemical composition along specific patterns near the surface. Adding elements that are most effective from optical and photonic points of view is curbed due to poor compatibility with the glass structure. This research is to develop a novel technology for the eventual manufacture of planar waveguides, based on ion beam implantation of the optically active elements into a precursor of the glass. A new manufacturing process is expected to improve the performance of planar waveguide devices manifold and help facilitate new technologies, such as optical computers and data storage. In carrying out this project, future engineers and scientists are trained in glass science and computational materials research. The findings of this work will enter the public domain and contribute to the body of information used in public and industry outreach activities.TECHNICAL DETAILS: The focus of the proposed investigation is the insertion of atomic and nano-sized particles into a glass matrix to achieve particular functions, such as light guiding or photoluminescence. Non-equilibrium processing routes, combining low-temperature sol-gel synthesis and ion implantation, will be explored to create porous and dense amorphous structures that can accommodate optically active embedded species at concentrations and spatial distributions that significantly improve the performance of planar optical waveguides compared to current capabilities. The fundamental aspects of how precursor chemistry, implantation doses, and processing schedules affect the structure and properties of the waveguide materials will be investigated through in-situ structural characterization using concurrent Brillouin and Raman light scattering measurements, complemented by MD simulations, Rutherford backscattering, secondary ion mass spectroscopy, and photoluminescence measurements. This research leverages the NSF-sponsored acquisition of a new ion implanter at the University of Michigan, which provides the ability to implant rare-earth elements at sufficiently high energies.
非技术描述:平面光波导是光信号处理和电信设备的基础。 为了制造此类设备,通过沿着表面附近的特定图案改变其化学成分,在玻璃板上创建具有特定光导和光放大特性的小通道。 由于与玻璃结构的兼容性差,添加从光学和光子角度来看最有效的元素受到限制。 这项研究旨在开发一种最终制造平面波导的新技术,该技术基于将光学活性元素离子束注入到玻璃前体中。 新的制造工艺有望提高平面波导器件的性能,并有助于促进光学计算机和数据存储等新技术的发展。 在实施该项目时,未来的工程师和科学家将接受玻璃科学和计算材料研究方面的培训。 这项工作的结果将进入公共领域,并为公共和行业外展活动中使用的信息体做出贡献。技术细节:拟议研究的重点是将原子和纳米尺寸的颗粒插入玻璃基质中,以实现特定功能,例如光导或光致发光。 将探索结合低温溶胶-凝胶合成和离子注入的非平衡加工路线,以创建多孔且致密的非晶结构,该结构可以在浓度和空间分布上容纳光学活性嵌入物质,从而显着提高平面光波导的性能。到目前的能力。 前体化学、注入剂量和加工方案如何影响波导材料的结构和性能的基本方面将通过使用并行布里渊和拉曼光散射测量的原位结构表征来研究,并辅以MD模拟、卢瑟福背散射、二次散射离子质谱和光致发光测量。 这项研究利用了美国国家科学基金会资助在密歇根大学购买的新型离子注入机,该注入机能够以足够高的能量注入稀土元素。

项目成果

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