第2节

离子束注入与玻璃表面处理

在玻璃表面镀上涂层有点类似于人们在脸上化妆。在化妆时，我们需要为皮肤打底，帮助面部肌肤与颜色结合，技巧越高超，呈现出的效果越好。然而，如果是精细的图案，颜色会向一侧混合，效果无法持久，或者因触摸或与液体接触而消失。

文身也能使皮肤着色。用针将染料深入皮肤表层之下，这是一种能量驱动的着色剂注射，它的优点是效果相对持久。优质的染料可以提供良好的色彩对比度，由于针十分细小，因此颜色可以被牢牢固定，不会横向移动。显然，用针将染料注入玻璃表面是不可能的，但事实上，这与前文提到的用于金属表面增韧的离子束注入技术有相似之处。

离子注入是半导体生产中最基本的步骤，它可以将所有重要的带电掺杂剂添加到硅（或其他半导体）中。其原理非常简单。将相关元素组成离子束并将其加速到高能状态，通过掩模精确瞄准以确定路线。穿透力取决于离子的质量、目标材料的类型以及为离子提供能量的电压。高能离子的注入必然会对目标材料的局部原子结构造成损害和破坏。在多数情况下，这种损害和破坏是可以接受的，甚至是故意为之，但在其他情况下，必须使用一些热处理，从而消除对主体晶格的不必要破坏。

如果这种方法可用于金属和半导体，那么我们也不必对其在玻璃中的应用感到惊讶，它可以为玻璃表面着色或为玻璃赋予其他性质。对玻璃来说，这方面的例子似乎并不多。离子束注入技术没有被更广泛应用于玻璃表面处理，一个明显的原因在于，玻璃大体上是一种非常便宜的材料，往往要大面积使用。采用昂贵的离子束设备来修饰大面积的玻璃表面，所增加的价值未必能够抵消由此所产生的成本。相比之下，对半导体进行离子注入，这是半导体生产的核心，不仅因为微小组件的附加价值极高，还因为我们尚未找到其他制造方法。

镜子与太阳眼镜

按理想情况来说，汽车后视镜要优先反射蓝光。这对夜间驾驶非常有利，因为在弱光环境下，眼睛对蓝光的敏感度较低，这样我们就不会因从汽车后视镜中看到的明亮前照灯的绿光、黄光和红光而目眩。汽车后视镜玻璃通常由昂贵的多层沉积技术制成。这类镜子制造商的一位代理曾拜访我，问我能否提供其他方法。我立即建议在制作镜面时，采用离子束注入的方法注入银纳米粒子。我只是碰巧知道这样的粒子有强烈的共同反应（被称为等离子体共振），在大小合适的情况下呈蓝色。我们只需选择粒子的尺寸和注入能量来控制粒子到达表面以下的深度，由此便可控制反射光谱。这种方法规避了现有多层沉积技术的复杂性和高成本。这位代理为我提供了一份相当不错的合同，合作过程很顺利，还衍生出其他想法、专利和出版物。

与筹措研究资金的一般方式相比，这种方式非常有趣。在一般的资金筹措过程中，研究者需要花费数天时间来撰写一份出色的、尚未获得资金支持的研究计划书。现在我急切地等待有更多揣着资金和问题的困惑访客上门。

这种方法并不局限于制作蓝光镜，即使对于银，如果改变粒子尺寸，较大的纳米粒子也会在更长的波长上出现反射率峰值（图6.2）。

图6.2 玻璃中不同尺寸银纳米粒子的反射率

注：标有“夜晚”的曲线所对应的粒子是汽车后视镜的理想选择。

借助更多技术，人们还可以通过改变银纳米粒子的尺寸，将同一个注入层转换成针对不同波长的反射镜。图6.2探讨了其可行性，将相同数量的银离子注入玻璃表层，但允许它聚集形成不同尺寸的粒子。后续处理可能会改变反射曲线。在本例中，蓝光镜与绿光镜之间的差异不在于银离子的数量或分布的深度，而在于银离子的合并方式。要制造蓝光镜，我们需要使银离子聚集成较小的金属纳米粒子。相比之下，如果它们聚集在一起形成较大的粒子，这些较大的单元产生电子共振，使其对绿光的反射率最大。控制热处理过程可以使银离子移动，聚集成较大的单元。当材料冷却时，这些粒子被冻结在原位。这类似于烹饪中发生的现象。但蓝光镜需要尺寸较小的银纳米粒子，因此我们可以对纳米粒子高温加热，使其溶解并分散到玻璃结构中。这个过程在烤炉中就能实现，但重点在于随后的快速冷却，使银纳米粒子固定在分散后的新位置上（这与刀刃的原理完全相同）。这对导热性良好的金属来说很容易，但玻璃是热的不良导体，很难实现整体快速冷却，此外，热冲击还会导致玻璃破裂。

为了解决这个问题，我们要采取一种复杂的热处理方法，需要用到高功率脉冲激光束。利用一束脉冲持续时间仅为几纳秒（10-9秒）的激光，让银纳米粒子直接吸收能量，粒子熔融，且只有其周围极小部分的玻璃被加热。分散后的粒子扩散至被加热的玻璃中，随后因相邻区域的玻璃温度较低，热量迅速消失，这些分散后的小尺寸纳米粒子便停止扩散。通过控制脉冲速率和激光功率，我们可以调整纳米粒子最终的尺寸。

利用激光可以制作更加富有想象力的图案，包括彩色反射图案或内置在镜子中的图像。总的来说，我们需要利用现代高科技才能在一种简单的玻璃材料中取得想要的结果。

对该方法进行调整，还能得到一种更加简单的方法，即通过金属离子注入形成纳米粒子，反射整个可见光谱上的所有波段，从而制造镜面太阳镜。通过注入不同的离子，可以实现全波段反射镜。从太阳镜的前面看，它们是极好的反光镜。但在最初的尝试中，我们发现，如果光从后方射来，会在镜面层的内侧发生强烈反射。解决方案是在镜面下更深处注入第二层杂质，如图6.3所示。额外的这个杂质层可用来吸收大部分光。该方法的原理是，来自前方的入射光只被吸收一次。相比之下，来自后方的入射光会被镜面层反射回来，因此将被吸收两次。这样问题就解决了（电视屏幕也采用了类似的方法来减少室内反射光，但需要先调高画面的亮度）。为了简单起见，图6.3只选择了光的透射和吸收两个要素，以显示添加能够吸收一半光的杂质层后的效果。

图6.3 镜面太阳镜的设计

注：镜面层注入金属离子，并使用不同的离子吸收透射光。请注意，从观察侧进入玻璃的杂散光也会被反射，但由于它要两次通过吸光层（吸收50%的光），因此可以被充分抑制。电视屏幕也采用了同样的原理，以尽量减少室内光线反射。

在制作镜面太阳镜时，离子束注入技术有一个优势，即最大限度地消除颜色失真（其失真程度远远小于常用的棕色或有色太阳镜的失真程度）。我们制作了渐变色太阳镜（镜片上面颜色深，下面颜色浅）和双色渐变太阳镜，能够削弱阳光刺激，也能减少来自雪地或海面的光反射。这并不是一个新想法，我曾见过因纽特人使用的木制狭缝眼镜，其设计也出于同样的目的。再举一个例子，我曾使用有色玻璃制作眼镜，它的透射响应与眼睛的透射响应一致。这些材料都可用于制作优质的镜面太阳镜，不会造成明显的颜色失真。

通过向玻璃注入离子，利用离子束造成损伤，可降低玻璃网络的密度。这样做看起来很奇怪，因为大多数人会试图避免这种损伤。但我们所制造的表层深度大于可见光波长，并且由于缺陷，越向深处密度越小。因此越靠近表面，折射率越低，这样的折射率渐变层也会干扰正常的表面反射。结果，玻璃表面对所有可见光的反射率都极低。反射率接近0.2%，而不是通常情况下的5%。我们的方法非常高效且成本低廉。缺点是玻璃的机械强度会降低，因此这种玻璃不适用于需要被摩擦、清洁或以其他方式磨损的窗户或设备。对无须进行这些处理的光学组件来说，它是一种高效、低成本且有效的方案，可以替代昂贵且复杂的多层沉积技术，来降低对各种光的反射率。

光电学中的离子束注入

还有其他许多高科技领域也要使用透明材料，离子束提供的独特控制能力可以降低成本，特别是在光电器件的生产中。对许多光学材料来说，这是制造光波导和激光的唯一方法。我与同伴没有遵循传统经验，而是通过向玻璃注入离子束，成功调整了玻璃表面，并制造了许多光电元件。详情可参见下一章。