多功能半导体复合玻璃光纤

发布时间：2020-05-07 06:27

【摘要】：复合玻璃光纤,是将多种材料或结构复合进光纤中,使光纤实现如光学、电学、热学、机械性能、声学性能等不同的功能。然而,大多数针对复合玻璃光纤的研究仅利用了其单一性能,这无疑限制了复合玻璃光纤在更广泛、更高效领域的应用。本文选择了具有多种优良性能的硫系半导体纤芯的复合玻璃光纤为研究对象,研究复合玻璃光纤的多功能化。即以半导体材料(GeSe、Cu-Se、Ag-Se)及具有新型快速相变性能的材料(Sb)作为纤芯,玻璃为包层构成复合材料光纤,结合本课题组在复合玻璃光纤领域长期积累的光纤制备技术,期望在单一的复合玻璃光纤中得到多种优良的性能。研究内容和主要研究成果如下:(1)研制了连续的GeSe纤芯硼硅酸盐玻璃包层多功能复合玻璃光纤:采用纤芯熔融法制备了光纤,光纤外径为300-700μm,纤芯直径为30-70μm。XRD和拉曼光谱表明光纤纤芯为正交GeSe晶相;EPMA和XPS分析表明纤芯中存在少量无定形态GeO_2,来源于光纤高温拉制过程中玻璃包层中的氧扩散到纤芯中,与纤芯中Ge结合而形成;光电流测试表明,晶态GeSe纤芯复合玻璃光纤808 nm激光的照射下,电导率是其在黑暗条件下的2.04倍;GeSe纤芯复合玻璃光纤在300 K的Seebeck系数为566.03μV/K(与块体的GeSe相当),它的电导率为55.56 S/m,比文献中所报道的未掺杂GeSe块体高出了3-4个数量级,GeSe纤芯复合玻璃光纤的功率因子PF=0.18μW?K~(-2)?cm~(-1),这个值要远远大于未掺杂的GeSe块体,表明GeSe纤芯复合玻璃光纤具有优良热电性能;压力传感测试的结果表明,GeSe纤芯复合玻璃光纤在受力为0.5 N的条件下,电导率变化了10.45%。以上结果表明,GeSe纤芯硼硅酸盐玻璃包层复合玻璃光纤有望在光电探测、热电转换和压力传感等多领域得到应用。(2)研制了两种纤芯分别为Cu-Se和Ag-Se的化合物半导体纤芯复合玻璃光纤:Cu-Se纤芯复合玻璃光纤纤芯的晶相为CuSe和Cu_3Se_2两种晶相的混合相,Cu-Se纤芯在200-2500 nm范围内具有较强的吸收,吸收最强的区域在500-1000 nm波长区域;在532 nm激光和808 nm激光的照射下时,Cu-Se纤芯复合玻璃光纤的电导率减小了60.5%和80.4%,表明Cu-Se纤芯复合玻璃光纤有望在光电探测、光开关等领域得到应用。研制了Ag-Se纤芯复合玻璃光纤技术,研究发现,热拉制光纤时纤芯预制棒中原料Ag粉与Se粉部分反应生成了Ag_2Se,由于Ag_2Se的熔点为880~°C,预制棒纤芯部分温度不足以使Ag_2Se完全熔融,导致纤芯不连续,有待于进一步改进制备此复合玻璃光纤的制备技术。(3)研制了Sb纤芯复合玻璃光纤:用纤芯熔融法制备了光纤,EPMA的测试结果表明,Sb纤芯复合玻璃光纤的纤芯中主要元素为Sb,包层中主要元素为O和Si,但纤芯中存在O扩散的现象,并且扩散的O均匀地分布在纤芯区域中。但XRD和拉曼光谱测试表明,扩散到纤芯中的氧未与Sb芯结合生成Sb_2O_3晶相。在室温(25~°C)时,Sb纤芯复合玻璃光纤的电流-电压曲线呈线性,当温度升高时,其电导率增加,并且随着温度的增加电导率几乎保持不变,未来有望在热传感领域得到应用。
【图文】：

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图 1-1 在光纤中集成各种功能元件和材料示意图ure 1-1 Illustrative schematic showing the various functional elements and matt can be integrated into fiber on the basis of the current fabrication technologies体材料具有许多独特的物理性质，导电范围在绝缘体至导体之间，在光电有至关重要的作用，能够对电磁辐射进行快速检测和调制。复合材料光纤的是将半导体复合进光纤中，制造新一代大面积、柔性甚至可穿戴的光电与其对应的平面设备相当或更为优秀。近年来，由于半导体产业的发展，非晶态半导体已经被复合进光纤结构中[19,20]。半导体复合材料光纤，为波方面开发下一代半导体器件提供了新的可能性。年前，就有研究者提出了一系列光纤研究领域的问题：是否可以实现在单合光学性能、电学性能、机械性能等不同的功能[21]？这些光纤能否以任意，并且各种材料之间具有低散射界面？什么因素会决定光纤的特征尺寸？可以通过简单的热拉法制备？如果以上问题都能够得到解决的话，复合玻

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图 1-2 高压化学气相沉积法的原理示意图Figure 1-2 Sketch of the working principle of the high pressure chemical vapodeposition approach.具有高度的灵活性以外，高压化学气相沉积法的另一个优点是前驱体材料学反应沉积，这与热拉法不同，，热拉法需要较高的温度使得纤芯材料和包体形式存在。这使得一些熔点极高、不适合热拉法的材料也能够被复合进而，这种方法也存在一些缺点，最主要的问题就是沉积速率慢[35]，这意味过高压化学气相沉积法制备长度达到几十米到几千米的光纤。同时，要利单晶光纤也较为困难，并且在使用某些材料作为前驱体材料时无法获得使细管完全填充。力辅助熔体填充法半导体复合玻璃光纤的另外一种方法是压力辅助熔体填充法(PAMF)，如图
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253

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