具有电磁功能的新型玻璃

发布时间：90年04月25日

西沢纮一编译张维连

历来，人们都熟知玻璃是不导电的绝缘材料。然而，若能使它既有透光功能，又有导电功能的话，它就能具有极高的附加价值了。最近以屏蔽电磁噪音为目的的开发中，重点集中在开发具有电磁功能的玻璃上。

表1列出了具有电磁功能的新型玻璃及其用途。从这个表中可以看出，将玻璃的透明性与电、磁、声波等性能组合在一起而具有了新的功能的实例是很多的。

本文以新型玻璃具有的电磁功能为中心，介绍它的现状与未来。

导电玻璃

使玻璃具有导电性是玻璃研究者多年以来的梦想，导电玻璃可以分为玻璃本身有导电性能和在表面敷有一层透明导电膜的玻璃两类，也可按导电机制是离子导电还是电子导电来区分。表2汇总了它的导电原理，具有代表性的电子导电玻璃可举出硫族化合物玻璃和非晶硅。此外，已进入实用化阶段的透明导电膜有ITO膜（InO₂-SnO₂系列）和TO膜（SnO₂系列）等。作为具有离子导电性能的玻璃的例子有超离子导电玻璃。作为固体电池用的电介质，希望它具有优良的可加工性和耐热性能，目前刚开始向实用化方向迈进。

电子彩色材料对平面显像器是非常有用的材料，它是利用离子或电子两种方式来导电的一种材料。

下面就有关导电玻璃的几个例子作一简单地介绍。

1. 硫族化合物玻璃

这类化合物中具有的半导体性能（光存贮器件及光开关器件），是60年代后半期发现的。典型的例子是硒系列的玻璃。一般状态时，电阻率很高。由于它对可见光显示出光导电性能，作为干印术，最初用在人们所熟悉的电子传真用的感光膜上。到1970年，开发出了硒 – 砷 - 碲系列的玻璃后，它可作为存贮式摄像管的光电膜使用，这可以说是TV摄像管高性能化的开端。

这些硫族元素化合物玻璃其主要成分是硒、硫、碲，其导电率分布在10^-3 ~ 10^-18 s/cm这一广泛范围。这类玻璃的主要特征有：

（1）组成的自由度大（性质变化范围宽）；

（2）可以得到大面积的均质薄膜；

（3）耐水性、耐湿性能好（空气中）。

其缺点，一是这些材料一般都有毒；二是红外光透过性好，不能透过可见光；三是熔化时必须隔绝空气；四是软化点低、耐热性能差等等。现在这类玻璃的应用很广，电子产品中广泛使用它们。

最近开发了通过添加Bi而显n型（一般为P型）导电的硫族元素化合物玻璃，暗示了控制2价电子的可能性，这是一个值得重视的现象。目前，硫族元素化合物玻璃的研究是非常活跃的。作为光电材料，其前景是非常光明的。

2. 超离子导电玻璃

作为能显示出超离子导电现象的材料，已知的有银、锂、钠、铜、氟素等，其中银和锂是最有前途的。得到的银离子导电玻璃的导电能力是在10^-2 s/cm以上，而锂离子导电玻璃目前已达到10^-3s/cm的水平。从应用角度来看，是制造小型长寿命固体电池，表3是目前正在研究的小型长寿命固体电池的结构。

3. 透明导电膜

作为透明导电膜，要求它具有导电能力强，透射性、耐久性、电极可加工性能好。典型的透明导电膜有SnO₂膜（TO膜）和以锡为涂层的氧化钢（ITO）膜，由于这种ITO膜自由电子的等离子体振动而在红外波长范围显示出高反射特性，所以可作为热线反射等选择性透光膜使用。

用在大型液晶显像器元件中的透明导电膜，要求越来越严格。现在要求其面积电阻在5Ω/口以下，而透射率要在85%以上，因此其电阻率需要在1×10^-2Ω · cm以下。目前正在广泛地进行研究如何能实现这一指标。如果仅为了使面积电阻降低，加大膜厚就可以解决了，但这样一来不仅使成本变高而且透射率也会下降了，因此，目前是把膜厚在1，000 ~ 1，500 ?左右，5Ω/口的透明导电膜作为攻关的目标。

磁性玻璃

一般来说，硅酸盐玻璃和硼硅酸盐是反磁体，若以稀土元素离子或过渡金属离子作为涂层则变成了常磁体。具有这两者性质的磁性玻璃的应用中，几乎可以说都是利用了法拉弟效应。所谓法拉弟效应，就是当把透明感应体放在磁场中时，如果入射与磁场平行的光，光的偏光面发生转动的现象，利用这种性质，开发出了光单向导波管、磁敏元件等。

法拉弟效应在反磁性玻璃和常磁性玻璃二者中出现时，一般是前者的β常数（表示法拉弟旋转角度大小的常数）小，与温度的依赖关系也小，而后者则正好相反。

反磁性玻璃的典型实例，人们比较熟悉的有含铅的SF系列光学玻璃，含Te⁺¹，Bi⁺³，Sb⁺³，Te⁺⁴等的硫族化合物玻璃。

常磁性玻璃的实例有含Ce⁺³，Tb⁺³等稀土元素离子的玻璃，β常数大，作为光单向导波管在激光核聚变装置中是不可缺少的材料。

另外，将钡铁氧体的微晶沉淀在玻璃中，然后溶解除去残存的玻璃相，试制垂直磁化记录用的钡铁氧体晶体膜的研究也正进行。

磁性玻璃主要用于单向波导管，也考虑将其用于敏感元件、记录膜以及利用其吸收电波的特性等有关领域。

延迟线玻璃

延迟线玻璃是一种将电信号变换成超声波使之在玻璃中传播（玻璃中的音速比真空中电磁波传播速度慢10^-4 ~ 10^-5左右），利用其时间的滞后作用，使电信号变慢（数+μS ~ mS）的元件。这是VTR，电视机中不可缺少的元件，目前已开发出了使用玻璃的小型高性能延迟元件，并已进入实用化。其代表例有SiO₂-Pb系列玻璃，它具有超声波音速低而足衰减小、温度系数小等特点。延迟时间单位以H表示，1H=64 μS，彩电要求延迟量1H，即64+0.005 μS（4.43 MHz），若从玻璃的音速计算则需要10多厘米长。目前进行了缩短这个长度的试验，想在玻璃内部使声波反射，以图实现小型化，最近，除研究音速慢的硫族元素化合物玻璃以外，也在开发新的途径，特别是对利用其它原理的CCD等元件也进行了探讨，可能要成为新型玻璃的强烈的竞争对手。

衬底玻璃

透明性和平滑表面是玻璃的最大因此显像器和存贮器的衬底都希望用玻璃。历来人们都认为玻璃是易碎物，不如塑料和金属坚固。但若对它加以化学强化，在实用上保证其足够的强度是完全没问题的。

最近的话题则是开发新型玻璃来代替磁盘和光盘衬底用的铝或塑料。表4列出了玻璃衬底的特征。