Способ легирования материала и легированный материал

Способ легирования материала и легированный материал

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к легированию материала.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

С легированием материалов связано много проблем, особенно когда количество легирующей добавки (допанта) существенно мало по сравнению с количеством материала матрицы. Если количество добавки меньше 1%, менее 0,1% или даже менее 1 м.д. (ррm) от количества материала матрицы, обычными способами достичь гомогенного легирования невозможно. С другой стороны, проблемы с гомогенным легированием могут возникать, даже если количество материала для легирования составляет 1-10% или даже 10% от количества материала матрицы. Проблемы далее могут быть из-за того, что гомогенное легирование занимает неоправданно долгое время. Негомогенное легирование вызывает проблемы при применении материала, потому что свойства материала могут сильно и бесконтрольно различаться в разных частях компонента, сделанного из такого материала.

Легирование, например, можно применять при изготовлении материалов с улучшенными физическими свойствами. Также легирование можно применять при создании совершенно новых свойств материала. Примеры таких свойств - это электропроводность, диэлектрические свойства, прочность, вязкость и растворимость. Известно также, что во многих применениях контролируемое распределение допанта в матрице материала дополнительно улучшает эти свойства. Это особенно резко выражено, когда малые количества необходимо легировать очень точно и когда используют одновременно несколько добавок. Вследствие этого, в области технологии материалов существует значительная потребность в получении нового, простого и выгодного метода легирования материалов контролируемым способом. Контролируемое распределение относится к гомогенному распределению, например, но также может относиться к любому желаемому распределению добавки в материале.

Во многих применениях материалу придают новые свойства путем нанесения на материал покрытия с легирующей добавкой. Покрытие может давать как химическую, так и физическую долговечность. Покрытие, однако, вызывает некоторые проблемы, связанные со способностью покрытого материала и легирующей добавки связываться между собой. Покрытие не приводит к получению нового состава, покрытие и подложка остаются самостоятельными слоями. Кроме того, коэффициент упругости обычно отличается от коэффициента упругости материала основы. Коэффициент упругости, например, керамических покрытий часто выше, чем коэффициент упругости материала основы. Деформация, образующаяся под нагрузкой, приводит к более высокому напряжению в слабом (непрочном) покрытии по сравнению с материалом основы. Можно сказать, что покрытие несет нагрузку. Это затем легко приводит к разрушению и ломке покрытия. Путем легирования покрытия как части поверхности материала можно создать материал, в котором сочетаются свойства покрытия и материала основы, и при этом не происходит разрушения, описанного выше.

Легирование также можно выполнять перед плавкой или спеканием материала основы. Примером этого является производство твердых металлов путем смешения металлов и карбидов в порошковой форме. Смешение обычно выполняют путем измельчения компонентов в мельнице. Порошковую смесь затем дополнительно подвергают прессованию для придания ей формы и спеканию с получением конечной формы. Легирование, выполненное таким порошковым металлургическим способом, можно также применять в производстве строительной керамики, сверхпроводников и других соответствующих продуктов. Однако существует проблема в том, что материал загрязняется в мельнице дробью и/или жидкостью, используемыми для измельчения. Кроме того, трудно равномерно легировать малые количества допанта, и измельчение в мельнице может разрушить структуру материала.

Особая область легирования материала - это производство оптического волокна, включающее в себя: 1) формирование заготовки из пористого стекла, в процессе которого определяют, какие свойства оптического волокна выбрать из заготовки в зависимости от параметров процесса, 2) удаление загрязнений из заготовки пористого стекла, 3) спекание заготовки из пористого стекла с получением заготовки из твердого стекла и/или частично твердого стекла и, наконец, 4) вытягивание заготовки из стекла в оптическое волокно. При желании можно также добавить стекло на полученное спеканием стекло для получения более крупной заготовки волокна.

Легирование материалов из стекла и полимеров, металлов, керамических материалов и их композиционных материалов различными допантами можно выполнить, например, путем плавления материала и добавления допанта в расплав. Проблема в этом случае заключается в том, что расплавы этих материалов зачастую очень вязкие, что означает, что гомогенное смешивание допантов требует высокой эффективности смешивания. Высокая эффективность смешивания вызывает высокие режущие силы, что может привести к деформации материала, особенно при использовании полимерных материалов. Первоначальные свойства материала при этом необратимо изменяются и конечным результатом может быть, например, низкая механическая прочность. Смешивание также приводит к загрязнению.

Легированные материалы из пористого стекла применяют, например, при изготовлении оптических волноводов, таких как оптические волокна и оптические плоские волноводы. Понятие «оптический волновод» относится к элементу, используемому для переноса оптической энергии. При изготовлении оптических волокон используют заготовки из волокон. Существует несколько методов изготовления волоконных заготовок, такие как метод CVD (метод химического парофазного осаждения), метод OVD (метод внешнего парофазного осаждения), метод VAD (метод осевого парофазного осаждения), метод MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), метод PCVD (метод активированного плазмой химического парофазного осаждения), метод DND (метод прямого осаждения наночастиц) и золь-гель метод.

Методы CVD, OVD, VAD и MCVD основаны на использовании исходных материалов, имеющих высокое давление паровой фазы при комнатной температуре на этапе осаждения. В вышеупомянутых методах исходные жидкие материалы выпаривают в несущий газ, который может быть также одним из газов в реакции. Пары исходных материалов, полученные из различных источников жидкостей и газов, смешивают в настолько точной пропорции, насколько возможно, и переносят в зону реакции, где исходные материалы в виде паров реагируют с кислородным соединением или соединением, содержащим кислород, с образованием оксидов. Образованные частицы оксидов осаждаются благодаря агломерации и спеканию вместе и в конечном итоге собираются на поверхности, на которой формируется слой пористого стекла из полученных частиц стекла. Этот слой пористого стекла далее может быть спечен в твердое стекло. Исходными материалами, используемыми в вышеуказанных методах, являются, например, основной исходный материал кварцевого стекла, тетрахлорид кремния SiCl₄, исходный материал GeO₂, который увеличивает коэффициент преломления, тетрахлорид германия GеСl₄, и исходный материал для P₂O₅, который уменьшает вязкость стекла и облегчает спекание, фосфорокситрихлорид РОСl₃.

Проблема методов CVD, OVD, VAD и MCVD, описанных выше, заключается в том, что они не могут быть легко использованы для изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными металлами. Редкоземельные металлы не образуют соединений с высоким давлением паровой фазы при комнатной температуре. Вот почему был разработан метод, названный методом легирования в растворах, для изготовления оптических волокон, легированных редкоземельными металлами (RE волокна), в котором нелегированную заготовку волокна, полученную из материалов основы, всего лишь погружают в раствор, содержащий допанты перед ее спеканием.

Другой известный способ заключается в применении горячего источника, в котором твердый исходный материал нагревают, чтобы получить достаточное давление пара. Проблема здесь, однако, заключается в том, чтобы легирование паров нагретого исходного материала в пары других исходных материалов происходило до зоны реакции без преждевременного взаимодействия этих исходных материалов. Кроме того, пропорции смешивания исходных материалов необходимо поддерживать исключительно точными в течение процесса осаждения на всей площади поверхности, чтобы образующаяся пленка была однородной по своим свойствам.

Также известен способ изготовления заготовок оптического волокна золь-гель методом. В золь-гель методе исходными материалами являются обычно алкоксиды или алкоксидные соли металлов. Исходный материал гидролизуют в растворителе, в котором исходный материал полимеризуется, образуя золь. Поскольку растворитель выпаривают из золя, он загустевает с получением твердого материала. Наконец, когда гель нагревают при высокой температуре, удаляются остатки растворителя и других органических веществ, и гель кристаллизуется в свою конечную форму. Чистота, достигаемая в этом способе, обычно недостаточна для оптических волокон.

Вообще говоря, допант можно легировать на поверхность частиц твердого материала или пористого материала, используя различные методы легирования в растворах, в которых материал погружают в раствор, содержащий допант. При этом получают довольно равномерный слой допанта на поверхности материала. Однако таким способом невозможно получить достаточно гомогенное и точное распределение допанта на поверхности материала. Свойства волокна, изготовленного с применением способов легирования в растворах, различаются в отдельных заготовках волокна и между заготовками волокна, что означает, что воспроизводимость таких способов низка. Это происходит из-за того, что изготовление зависит от нескольких различных факторов, таких как глубина проникновения жидкости в поверхность, прикрепление соли на поверхности пористого материала, проникание газа в материал, реакции солей, легирование и т.д. Управлять всеми этими реакциями трудно или даже невозможно. Низкая воспроизводимость дает неблагоприятный эффект на выходе, что означает, что затраты на изготовление также возрастают.

Метод, называемый метом прямого осаждения наночастиц (DND), был разработан для изготовления легированных оптических волокон и для окраски стекла. По сравнению с методом легирования в растворе этот метод имеет преимущество, состоящее в том, что можно подавать жидкие сырьевые материалы в реактор, применяемый в данном методе, посредством чего легируют частицы стекла в пламенном реакторе. Таким путем легированные частицы стекла образуют заготовку из стекла, чье качество даже выше, чем качество заготовок, полученных легированием в растворе. Сбор наночастиц, однако, затруднен, из-за того, что частицы следуют по течению газовых потоков. Также невозможно легировать пористые заготовки, осажденные другими способами изготовления заготовок.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа, в котором можно решить вышеупомянутые проблемы и/или уменьшить их нежелательные эффекты. В частности, задачей изобретения является разработка нового, простого и выгодного способа легирования материалов. Кроме того, задачей изобретения является разработка способа с хорошей воспроизводимостью, позволяющего получить легированный материал, качество которого является одинаковым, независимо от партии изготовления. Дополнительной задачей изобретения является разработка легированного материала, обладающего свойствами настолько постоянного качества и точно контролируемыми, насколько возможно. Задача данного изобретения решена с помощью способа, имеющего признаки отличительной части пункта 1 формулы изобретения, который характеризуется нанесением по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки на поверхность легируемого материала и/или на поверхность части или частей этого материала с помощью метода послойного атомного осаждения (ALD). Задача настоящего изобретения, кроме того, решена с помощью легированного материала, который отличается тем, что на поверхность легированного материала и/или на поверхности его части или частей наносят слой легирующей добавки или часть слоя легирующей добавки с помощью метода ALD. Задача данного изобретения также решена с помощью устройства, которое отличается тем, что устройство включает средства для осуществления метода ALD, обеспечивающего получение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки или части слоя легирующей добавки, осажденного на поверхность легируемого материала и/или на поверхность его части или частей методом ALD.

Предпочтительные примеры осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Преимуществом данного изобретения является то, что легирующие слои можно наносить на все поверхности материала матрицы, даже на внутренние поверхности пор таким образом, что толщину легирующего слоя можно точно контролировать и, при необходимости, делать по существу одинаковой на всей поверхности материала матрицы. Кроме того, преимуществом данного изобретения является то, что легирование можно выполнять контролируемым образом, с хорошей экономией материала и даже, при необходимости, с высокими концентрациями.

Изобретение основано на идее, что метод ALD (метод послойного атомного осаждения) используют в данном способе, чтобы сделать возможным гомогенное легирование допанта на поверхности материала матрицы и/или поверхности его части или частей. Метод ALD основан на осаждении, контролируемом по поверхности, в котором исходные материалы по очереди направляют к поверхности материала матрицы в различное время и отдельно друг от друга. Исходный материал доставляют на поверхность в количестве, достаточном, чтобы израсходовать доступные точки связи на поверхности. После каждого импульса исходного материала материал матрицы промывают инертным газом так, чтобы удалить излишки паров исходного материала и предотвратить осаждение в газовой фазе. На поверхности тогда остается химически адсорбированный монослой продукта реакции одного исходного материала. Этот слой реагирует со следующим исходным материалом и образует специфический частичный монослой желаемого материала. После достаточно полной реакции любой излишек этого второго исходного материала вымывают инертным газом, и таким образом реакция основана на циклических реакциях насыщения на поверхности, т.е. поверхность контролирует осаждение. Кроме того, поверхность химически связана с матрицей (хемосорбция). На практике это означает, что пленка осаждается одинаково на всех поверхностях, даже на внутренних поверхностях пор. В легировании это означает в высшей степени равномерное распределение. Толщину слоя желаемого материала можно точно задать путем повторения цикла при необходимости. Однако необходимо заметить, что цикл может остаться незавершенным, например, при использовании половины цикла, когда проходит только половина цикла и только половина осаженного слоя легируется в материал. Частью цикла может быть часть любого одного цикла. В легировании это означает в высшей степени точный «цифровой» контроль содержания легирующей добавки. Изменяя исходные материалы в течение процесса, возможно создавать различные перекрывающиеся пленки и/или пленочные структуры, легированные различными способами. Соответственно, возможно, например, использовать только первый импульс исходного материала, чтобы получить достаточное легирование. В этой патентной заявке понятие «метод ALD» включает любой традиционный метод ALD и/или его применение и/или модификацию, известные специалистам в данной области. Легирующий слой, изготовленный этим методом, или его часть также называется осажденным слоем легирующей добавки.

Технически метод ALD, известный также как метод ALCVD, можно считать принадлежащим к методам CVD (химического парофазного осаждения). Так, в нем используют, например, повышенную температуру, контроль давления, газовые источники, жидкие источники, твердые источники и газовые омыватели. Те же технологии применяют также, например, в устройствах для изготовления заготовок методом MCVD, но в методах ALD и MCVD они используются различными способами. Наиболее существенное отличие по сравнению с традиционными методами CVD состоит в том, что в этих традиционных методах исходные материалы смешивают прежде, чем они достигнут реакционных зон, в которых затем они реагируют друг с другом. Гомогенность смеси и ее равномерное распределение на различных сторонах поверхности, предназначенной для осаждения, является критичной для структуры и толщины получаемой пленки. Это можно сравнить с окраской распылением и проблемами равномерности распределения, с этим связанные. В отличие от традиционного метода CVD в методе ALD осаждение основано на последовательных химических реакциях, регулируемых поверхностью, в этом случае толщину пленки регулируют с помощью осаждения правильного количества осаждаемых легирующих слоев. Общее преимущество метода ALD по сравнению с традиционным методом CVD можно сопоставить с преимуществами цифровой технологии по сравнению с аналоговой технологией. Кроме того, метод ALD делает возможным применять чрезвычайно реакционноспособные исходные материалы, что невозможно в традиционном методе. Примером исходного материала такого типа является ТМА (триметилен алюминий) и вода в качестве исходных материалов в методе ALD. Эти исходные материалы интенсивно реагируют друг с другом уже при комнатной температуре, что означает, что их применение в традиционном методе CVD было бы невозможно. Преимущество применения ТМА состоит в том, что он дает высококачественную пленку Аl₂О₃ с хорошей производительностью, и исходные материалы необязательно нагревать, что необходимо делать даже в вакуумных реакторах, если применять альтернативный алюминиевый исходный материал, такой как хлорид алюминия (типично 160°С).

Применение этого метода не ограничено только применением полного цикла реакции, но его также можно применять в случаях, когда подача только второго исходного материала является достаточной, чтобы получить подходящую композицию добавок. Хемосорбированный слой затем используют для дальнейшей обработки.

С помощью метода, описанного выше, можно получить легированный материал настоящего изобретения, на поверхности или на части поверхности которого осажден легирующий слой с помощью метода послойного атомного осаждения. Свойства такого материала, легированного методом ALD, можно очень точно задать с помощью исходных материалов и параметров управления, применяемых в методе. Кроме того, можно получить легированные материалы со свойствами, значительно лучшими в своих областях применения, чем те, что получают обычными методами.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к применению способа, описанного выше, для легирования материала из стекла, который может представлять собой, например, пористое оптическое волокно, заготовку волокна, плоский волновод, или какой-либо другой материал или заготовку из стекла, которые применяют для изготовления перечисленных изделий вышеуказанным способом. Легирующие слои можно затем нанести на все поверхности материала из пористого стекла, т.е. даже внутри пор, таким образом, что на всех поверхностях материала из пористого стекла образуется желаемый легирующий слой, и получают легированный материал из стекла согласно изобретению.

Легирующей добавкой может быть одно или более чем одно вещество, выбранное из веществ, включающих редкоземельные металлы, такие как эрбий, иттербий, неодим и церий, вещества из группы бора, такие как бор и алюминий, вещества из группы углерода, такие как германий, олово и кремний, вещества из группы азота, такие как фосфор, вещества из группы фтора, такие как фтор, и/или любое другое вещество, пригодное для легирования материала из пористого стекла. Вещество может быть простым или в форме соединения.

Такой материал из пористого стекла, предназначенный для легирования, например заготовку из стекла, можно изготовить любым традиционным методом, таким как метод CVD (метод химического парофазного осаждения), метод OVD (метод внешнего парофазного осаждения), метод VAD (метод осевого парофазного осаждения), метод MCVD (метод модифицированного химического парофазного осаждения), метод PCVD (метод активированного плазмой химического парофазного осаждения), метод DND (метод прямого осаждения наночастиц) и золь-гель метод, или любой другой подобный метод. С помощью этих методов, например, нелегированный материал из пористого стекла, осажденный из чистых исходных материалов, можно сохранить, и затем при необходимости легировать согласно настоящему изобретению и дополнительно переработать традиционным путем в оптическое волокно, например.

При получении материала из пористого стекла важно быть уверенным, что материал из пористого стекла содержит реакционноспособные группы на поверхности материала из пористого стекла и/или на поверхности его части или частей. Реакционноспособными могут быть ОН группы, OR группы (алкоксигруппы), SH группы, NH_1-4 группы, и/или любые другие группы, реагирующие с традиционными допантами, и к которым допанты могут присоединяться. В одном из применений, реакционноспособными являются гидроксильные группы, с которыми допанты реагируют во время осаждения легирующего слоя.

Путем контроля количества реакционноспособных групп на поверхности материала из пористого стекла можно контролировать количество допанта на поверхности материала из пористого стекла.

Гидроксильные группы образуются в материале из стекла в присутствии водорода, посредством чего образуются как Si-H, так и Si-OH группы. Реакционноспособные группы, такие как гидроксильные, можно добавить на поверхность материала из пористого стекла при обработке материала из стекла водородом, особенно газом и/или жидкостью, содержащей водород и/или водородное соединение, при высокой температуре. Реакционноспособные группы можно также добавить при обработке материала из стекла облучением, например, электромагнитными или γ-лучами, после и/или до этого обработав его водородом, особенно газом и/или жидкостью, содержащей водород и/или водородсодержащим соединением. Облученную область можно также обработать любым другим реагентом для образования реакционноспособных групп на поверхности материала из пористого стекла и/или на поверхности его части или частей.

При легировании материала из пористого стекла методом ALD, реакционноспособные группы, например гидроксильные группы, эффективно удаляют из материала из пористого стекла, такого как заготовка из стекла, как только допант прореагировал с реакционноспособной группой. При необходимости, легированный материал из пористого стекла можно очистить после легирования путем удаления любых возможно оставшихся реакционноспособных групп и других возможных примесей. Примером этого является уменьшение содержания ОН групп в заготовке из оптического волокна. Это уменьшает затухание сигнала, вызванное водным пиком из-за наличия ОН групп.

В одном из применений, материалом из пористого стекла является кварцевое стекло, т.е. оксид кремния (SiO₂). Материалом из стекла может также быть любой стеклообразующий оксид, такой как В₂О₃, GeO₂ и Р₄O₁₀. Материалом из пористого стекла может также быть фосфорное стекло, фтористое стекло, сульфидное стекло, и/или любой другой традиционный материал из стекла.

В одном из применений, материал из пористого стекла частично или полностью легирован одним или более чем одним веществом, включающим германий, фосфор, фторид, карбид бора, олово, титан, и/или любое другое подобное вещество.

Требуемую удельную площадь поверхности на материале из пористого стекла получают путем контроля размера частиц при изготовлении материала из пористого стекла. Если поток масса/объем для осаждения является высоким, например от 1 до 100 г/мин, частицы стекла становятся большими, например субмикронного или микронного размера, перед присоединением к собирающей поверхности. Поры между частицами тогда имеют размеры в диапазоне микронов. Если поток масса/объем меньше, на собирающую поверхность можно осадить частицы размером от 1 до 100 нм, и размеры пор между ними уменьшаются. Размер частиц можно также контролировать любым другим подходящим способом путем регулирования параметров процесса в процессе нанесения покрытия на материал из пористого стекла. В одном из применений удельная площадь поверхности материала из пористого стекла составляет предпочтительно >1 м²/г, более предпочтительно >10 м²/г и наиболее предпочтительно >100 м²/г.

Когда на материал из пористого стекла наносят покрытие согласно настоящему изобретению, далее его можно обработать обычным путем, чтобы получить желаемый конечный продукт, такой как оптический волновод. После легирования материала из стекла его можно спекать в сплошной, непористый материал из стекла, при этом допанты диффундируют внутрь материал из стекла. Материал из стекла, спеченный в твердое стекло, далее можно переработать, например, вытянув в оптическое волокно.

Вышеописанным способом получают легированные волноводы, оптические волокна и заготовки волокон согласно настоящему изобретению, или материалы из стекла, применяемые в их изготовлении, или в качестве альтернативы любой легированный материал из стекла.

В одном из применений легирования, можно существенно улучшить метод MCVD таким образом, что легированные оптические волокна можно изготовить с помощью способа настоящего изобретения. Этот способ применения изобретения можно также применить, чтобы улучшить уже существующую технологию MCVD и, следовательно, получить новые продукты для производства оптического волокна с использованием метода MCVD экономичным способом. С помощью способа изобретения легирование материала из пористого стекла желаемой добавкой производится очень точно, с равномерным распределением и лучшей воспроизводимостью, чем известные методы. Согласно этому применению перед нанесением по меньшей мере одного слоя с легирующей добавкой на поверхность заготовки из пористого стекла, предназначенной для легирования, и/или на поверхность его части или частей с помощью метода ALD, по меньшей мере один слой материала из пористого стекла наносят методом MCVD на внутреннюю поверхность полой заготовки из стекла, такой как стеклянная трубка, в том же самом устройстве, по существу, таким образом, чтобы по меньшей мере одна часть полой заготовки из стекла служила реактором в методе ALD. Другими словами, в данном применении по меньшей мере один слой материала из пористого стекла создают методом MCVD на внутренней поверхности полой заготовки из стекла, после чего на поверхность заготовки из стекла или ее часть наносят слой легирующей добавки методом ALD таким образом, что заготовка из полого стекла служит реактором в методе ALD. Как стадии метода MCVD, так и стадии метода ALD выполняют по существу в том же самом устройстве, которым может быть модифицированное устройство для метода MCVD, например.

Данное изобретение предлагает преимущество, заключающееся в том, что в данном способе можно использовать материал из пористого стекла, изготовленный несколькими известными альтернативными методами. Материал из пористого стекла можно сделать для хранения для применения в изготовлении оптических волокон или другого конечного продукта при необходимости. С помощью способа изобретения легирование материала из пористого стекла желаемой добавкой делают очень точно, с равномерным распределением и лучшей воспроизводимостью, чем известные методы. Изобретение имеет дополнительное преимущество в том, что с помощью метода ALD, применяемого для нанесения покрытия на материал из пористого стекла, легирующую добавку можно нанести в точно заданном количестве и толщину слоя с допантом можно изменять контролируемым образом, даже до порядка частично атомного слоя, в различных материалах из стекла.

Данное изобретение предлагает дополнительное преимущество в том, что способ позволяет осадить олово, что было невозможно ранее.

Еще одно дополнительное преимущество изобретения состоит в том, что этот точный и регулируемый способ дает экономически выгодный способ, который обеспечивает изготовление точно заданного типа материала из пористого стекла без какой-либо потери материала.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к способу легирования материала, включающему нанесение по меньшей мере одного слоя легирующей добавки на поверхность материала и/или на поверхность его части или частей методом послойного атомного осаждения, и дополнительную обработку материала, покрытого легирующей добавкой, таким образом, что первоначальную структуру легирующего слоя изменяют с получением новых свойств легированного материала.

Ранее метод ALD применяли для изготовления активных поверхностей (например, катализаторов) и тонких пленок (например, электролюминесцентных дисплеев). В этих методах пленку наносят на поверхность материала и ожидают, что пленка будет обладать требуемыми свойствами. Таким образом, допант придает материалу требуемые химические свойства поверхности или требуемые физические свойства пленки, нанесенной на поверхность материала. Структуру тонкой пленки или комбинации пленок, нанесенной на поверхность материала с помощью способа настоящего изобретения, изменяют и/или по меньшей мере частично разрушают при дальнейшей обработке, в результате чего компоненты пленки вместе с веществом основы образуют материал нового состава. Свойства этого легированного материала при дальнейшей обработке изменяются благодаря диффузии, смешиванию или реакции допантов/агентов. Изменение свойств легированного материала может проявляться, например, в изменении коэффициента преломления, поглощающей способности, электропроводности и/или теплопроводности, цвета, или механической или химической стойкости. С помощью этого способа также можно удалять нежелательные соединения, такие как ОН группы.

При дополнительной обработке допант может диффундировать в материал и в результате получится очень гомогенный легированный материал. С другой стороны, в другом варианте осуществления изобретения, допант растворяется частично или полностью в материале, подлежащем легированию, или смешивается частично или полностью с материалом, подлежащим легированию, при дополнительной обработке. Легирование в материале, подлежащем легированию, может быть завершено, но благодаря диффузии, например, легирование может быть успешно выполнено на соответствующую глубину материала основы, такую как от 1 до 10 мкм для покрытий и фотопроводников на поверхности кремниевой подложки. Также возможно, что при дополнительной обработке допант остается частью структуры промежуточной фазы материала, подлежащего легированию. Слой с желаемой легирующей добавкой тогда наносят на поверхность частиц материала, подлежащего легированию, после чего, при дополнительной обработке, частицы материала спекают в однородную структуру, посредством чего структура в виде частиц частично остается, и между частицами образуется связующая промежуточная фаза по меньшей мере из одного частично осажденного слоя легирующей добавки. Такая промежуточная фаза может также содержать другие вспомогательные вещества, относящиеся к спеканию, которые необязательно вводить в материал с помощью метода ALD. Пленка, нанесенная методом ALD, также может быть этой добавкой для спекания.

В одном из вариантов осуществления изобретения допант реагирует с материалом, подлежащим легированию, при дополнительной обработке и образует материал нового состава, который становится частью созданной структуры. С другой стороны, подлежащий легированию материал может являться композиционным материалом или композицией, не вполне гомогенной по своему химическому составу. В таком случае допант, нанесенный методом ALD, при дополнительной обработке может прореагировать и образовать различные соединения в различных точках материала, подлежащего легированию. Соответственно, добавка, нанесенная методом ALD, может образовать композиционную фазу, в этом случае вещество основы не получает добавку целиком, а часть композиции образует другой тип вещества.

Дополнительной обработкой могут быть механическая или химическая обработка, облучение или нагревание. К дополнительной обработке, например, относится спекание или расплав и перекристаллизация материала, в этом случае отдельные частицы пористого материала становятся сплошной структурой. При обработке нагреванием материал, однако, необязательно расплавлять, но нагреть достаточно, чтобы слой легирующей добавки пролегировал или продиффундировал по меньшей мере частично в материал/материалы, подлежащие легированию, и/или прореагировал с тем или иным веществом. Одним из примеров такой ситуации является использование допанта как флюидизатора или промежуточного реагента при присоединении одного материала к другому, например при паяном соединении, биосовмещении, разделении в виде функциональных групп на поверхностях и т.п.

С помощью способа изобретения также можно нанести слой легирующей добавки на особую область поверхности материала. Таким способом слой допанта формируют только на заранее определенных точках материала. Заранее определенные легированные образцы/области можно получить на материале способом, в котором материал предварительно обрабатывают, например, путем облучения, для получения заранее определенных образцов/областей и обрабатывают материал таким способом, чтобы реакционноспособные группы были образованы или удалены с этих предварительно обработанных образцов/областей. После такой предварительной обработки слой легирующей добавки можно нанести методом ALD, полученный продукт затем можно дополнительно обработать, чтобы получить желаемые свойства материала.

Чтобы получить достаточную степень легирования, необязательно выполнять полный цикл ALD способом по изобретению. Другими словами, вместо полного цикла подают только первый исходный материал и после этого выполняют промывание. Подачу второго исходного материала и его промывание пропускают. Это возможно, если во время первого рабочего цикла достаточное количество вещества, содержащего допант, связывается с реакционноспособными группами, в этом случае образуются новые реакционноспособные группы для следующего рабочего цикла и нанесение новых слоев не требуется. В определенных применениях это полезно, т.к. диффузия, которая имеет место при легировании, является более сильной с ионами, чем с оксидами, например. Кроме того, это также дает возможность использования различной химии при формировании промежуточных фаз. Также уменьшается время обработки, что весьма существенно, особенно для пористых материалов, в которых диффузия газов занимает относительно долгое время.

В одном из вариантов осуществления способа легируемым материалом является пористый материал или материал в виде частиц, и его удельная поверхность составляет более 1 м²/г, предпочтительно более 10 м²/г и наиболее предпочтительно более 100 м²/г. Легируемым материалом может быть также однородный сплошной или аморфный материал. В другом варианте осуществления изобретения легируемый материал находится на поверхности подложки. В таком случае легируемый материал может быть нанесен на поверхность подложки и/или поверхность части или частей подложки с помощью метода послойного атомного осаждения.

В данном способе изобретения материалом, подлежащим легированию, может быть, например, стекло, керамика, полимер, металл или изготовленный из них композиционный материал. Этот тип материала может включать реакционноспособные группы, к которым присоединяются легирующие добавки. Реакционноспособные группы пр