一种金属-半导体-玻璃光电光纤及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属‑半导体‑玻璃光电光纤及其制备方法。该光电光纤包括包层（2）、纤芯（3）和金属铝线（1）；所述包层（2）为磷酸盐玻璃；所述纤芯（3）在光纤的轴心线上，纤芯（3）为间隔分布的硒碲半导体球；在纤芯（3）两侧具有以纤芯（3）为对称轴进行对称分布的两条金属铝线（1）；所述金属铝线（1）与纤芯（3）沿光纤的轴心方向平行，且金属铝线（1）与纤芯（3）中的硒碲半导体球直接接触构成电回路。该方法通过光纤预制棒的制备与拉丝，再热处理得到光电光纤。本发明专利技术光电光纤集成了硒碲半导体的高光电导性能和金属铝的电导性能，在黑暗和光照下的电流变化达2个数量级以上，且可通过调节硒碲的组分来调节光电流的变化。

A metal semiconductor glass optical fiber and its preparation method

The invention discloses a metal semiconductor glass optical fiber and its preparation method. The optical fiber includes a clad core (2), (3) and metal wire (1); the clad layer (2) for phosphate glass; the core (3) in the center line of the fiber, the fiber core (3) for selenium and tellurium semiconductor ball interval distribution in core (; 3) on both sides with a core (3) as the axis of symmetry of two metal wire symmetrical distribution (1); the metal wire core (1) and (3) parallel along the fiber axis direction, and the metal wire core (1) and (3) the direct selenium tellurium semiconductor ball contact to form an electrical circuit. In the method, the photoelectric fiber is obtained by the fabrication of fiber preform and wire drawing and reheating. The optical fiber integrated conductivity of selenium and tellurium semiconductor high photoconductivity and aluminum, the change in the current dark and light up to more than 2 orders of magnitude, and the change can be achieved by adjusting the composition of selenium and tellurium to adjust the light current.

【技术实现步骤摘要】
一种金属-半导体-玻璃光电光纤及其制备方法
本专利技术涉及光纤的制备领域，具体涉及一种金属-半导体-玻璃光电光纤及其制备方法。
技术介绍
2004年，美国科学家Fink等人(M.Bayindir,F.Sorin,A.F.Abourady,etal.,Nature,2004,431(7010):826-829.)首次通过低温共拉法制备出金属-半导体-聚合物光电光纤，这种新型的复合材料光纤由低熔点的金属锡(Sn)，无定形的硫化物半导体(As-Se-Te-Sn或As2Se3)以及聚合物(PEI或PES)构成，集成了半导体丰富的电学、光电性能、金属的电导性能和光纤的柔韧性，可编织性，有望应用于智能织物、光电探测和温度传感等领域。2006年，美国科学家Badding和英国科学家Sazio等人通过高压化学气相沉积法在微结构光纤里的空气孔中选择性沉积半导体制备复合材料光纤，首次将半导体引入石英光纤中，可开发一系列的光纤集成的光电子器件(P.J.A.Sazio,A.Amezcua-Correa,C.E.Finlayson,etal.,Science,2006,311(5767):1583-1586.)。2008年，美国科学家Ballato等人通过纤芯熔融法将半导体材料引入到石英玻璃光纤中，可利用商用的拉丝塔制备长度不受限制的半导体纤芯复合材料光纤(J.Ballato,T.Hawkins,P.Foy,etal.,Opt.Express,2008,16(23):18675-18683.)。随后，复合材料光纤的研究引起研究人员的广泛关注。在国内，本课题组通过纤芯熔融法制备了磷酸盐玻璃包层硒碲半导体纤芯复合材料光纤，并且可实现半导体纤芯组分和光电流可调。此外，还成功制备了一系列的锗酸盐玻璃包层半导体纤芯复合材料光纤。然而，真正集成金属-半导体-绝缘体的光电光纤并不多，且在光纤热拉过程中金属和半导体是相接触的，金属和半导体的元素会相互扩散，从而大大降低了半导体的性能。2016年，Fink等人成功制备了分散平移对称的导体-半导体-绝缘体光电光纤，初始光纤包括三个平行的内部不接触的连续的组件：半导体、导电聚合物和聚合物包层(M.Rein,E.Levy,A.Gumennik,etal.,Nat.Commun.,2016,7:12807.)。再通过精细的热处理，连续的半导体玻璃由于瑞利-泰勒不稳定性转变成半导体球与两侧的导电聚合物直接接触构成电回路，从而实现了真正意义上的光电光纤。但是，聚合物包层的拉丝温度较低，与其相匹配的导体和半导体材料有限。随后，该课题制备了铂金属-锗半导体-石英玻璃光电光纤，通过热处理使得连续的Ge纤芯成球和两侧的Pt金属线接触构成电回路(L.Wei,C.Hou,E.Levy,etal.,Adv.Mater.2017,29:1603033.)。然而，此光电光纤在黑暗条件下和光照下，其电流变化不大，光电探测的灵敏度可能受限。众所周知，硒碲半导体具有丰富的光电性能如光电导性能，高的非线性，在2～12μm有高的透过性能，本课题组之前的研究发现磷酸盐玻璃与硒碲半导体的物化性能相匹配，可共拉磷酸盐玻璃和硒碲半导体构成复合玻璃光纤，其光电流可根据硒碲的组分可调，黑暗下和光照下的电流变化可达两个数量级以上。但是，之前的工作并没有集成金属电极到光纤中，光纤只能通过半导体导电，导电效率低，并不能成为真正意义上的光电光纤。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种金属-半导体-玻璃光电光纤，具体为一种金属铝-硒碲半导体-磷酸盐玻璃光电光纤，该光电光纤可同时实现电传导和光传导，在黑暗和光照条件下的电流变化达到2个数量级以上。本专利技术的另一目的在于提供所述的一种金属-半导体-玻璃光电光纤的制备方法，该方法通过光纤预制棒的制备与拉丝，再通过精细的热处理得到光电光纤。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种金属-半导体-玻璃光电光纤，包括玻璃包层、半导体纤芯和金属电极；所述包层为磷酸盐玻璃；所述纤芯在光纤的轴心线上，纤芯为间隔分布的硒碲半导体球；在纤芯两侧具有以纤芯为对称轴进行对称分布的两条金属铝线；所述金属铝线与纤芯沿光纤的轴心方向平行，且金属铝线与纤芯中的硒碲半导体球直接接触构成电回路。进一步地，所述硒碲半导体球中，硒元素与碲元素的质量比为1～9:1。进一步地，硒碲半导体球与光纤的直径比值为1:5～20。进一步地，金属铝线的直径与硒碲半导体球的直径比为1～3:1。制备所述的一种金属-半导体-玻璃光电光纤的方法，包括如下步骤：(1)光纤预制棒的制备：将磷酸盐玻璃加工成圆柱体，在圆柱体的轴心线上钻中心孔，再在中心孔的两侧钻孔；两个侧孔的尺寸大小相同，且以中心孔为对称轴进行对称分布，所有的孔都是非贯穿的；将配制好的硒碲半导体粉填入中心孔，将金属铝棒填入两个侧孔，密封中心孔和侧孔的开口端，得到光纤预制棒；(2)光纤拉制：将组装好的光纤预制棒放入拉丝炉中拉丝，得到初始光纤；(3)光纤热处理：将拉丝得到的初始光纤进行热处理，得到所述的金属-半导体-玻璃光电光纤。进一步地，步骤(1)中，两个侧孔的孔心与中心孔的孔心的连线为直线。进一步地，步骤(1)中，所述密封采用耐火泥进行密封。进一步地，步骤(2)中，所述拉丝的温度为680～750℃。进一步地，步骤(2)中，拉丝过程在氩气保护气氛下进行。进一步地，步骤(2)中，所述初始光纤中，纤芯为连续的硒碲半导体组成的圆柱芯，位于初始光纤的轴心线上；金属铝线在纤芯的两侧，以纤芯为对称轴进行对称分布，与沿光纤的轴心方向平行，且与纤芯不直接接触；金属铝与硒碲半导体没有直接接触，避免了拉丝过程中金属铝和硒碲半导体元素的相互扩散，从而保证了光纤中半导体的优异性能。进一步地，步骤(3)中，热处理的温度根据流体的瑞利-泰勒不稳定性原理进行设定；热处理的温度高于硒碲半导体的熔点和磷酸盐玻璃的软化温度，且低于硒碲半导体的沸点、金属铝的熔点和光纤的拉丝温度。更进一步地，步骤(3)中，所述热处理的温度为500～660℃。进一步地，步骤(3)中，所述热处理的时间为0.5～3min。进一步地，步骤(3)中，热处理后的连续的硒碲半导体转变为较大直径的硒碲半导体球，球的直径大于纤芯孔的直径，与两侧的金属铝线直接接触，构成电回路。与现有技术相比，本专利技术具有以下显著的有益效果：(1)现有的金属-半导体-绝缘体光电光纤，包层是聚合物或者石英玻璃，且拉丝温度过低(低于400℃)或过高(1950～2050℃)，不能集成硒碲半导体；而本专利技术将硒碲半导体和金属铝集成在磷酸盐玻璃光纤中，构成光电光纤；(2)本专利技术的光电光纤在热处理前，金属铝和硒碲半导体平行独立，不相互接触，而热处理后，连续的硒碲半导体芯转变成球体，直径变大，与两侧的金属铝线相互接触构成电回路，从而避免了拉丝过程中金属铝和硒碲半导体元素的相互扩散，从而保证了光纤中半导体的优异性能；(3)本专利技术的光电光纤集成了硒碲半导体的高光电导性能和金属铝的电导性能，在黑暗和光照下的电流变化达到2个数量级以上，且可通过调节硒碲的组分来调节光电流的变化；(4)本专利技术的光电光纤在光照条件下可产生较大的光电流，有望在可穿戴电子设备、光电探测、传感、成像和医疗诊断技术，以及光电探本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属‑半导体‑玻璃光电光纤，其特征在于，包括玻璃包层（2）、纤芯（3）和金属铝线（1）；所述玻璃包层（2）为磷酸盐玻璃；所述纤芯（3）在光纤的轴心线上，纤芯（3）为间隔分布的硒碲半导体球；在纤芯（3）两侧具有以纤芯（3）为对称轴进行对称分布的两条金属铝线（1）；所述金属铝线（1）与纤芯（3）沿光纤的轴心方向平行，且金属铝线（1）与纤芯（3）中的硒碲半导体球直接接触构成电回路。

【技术特征摘要】
1.一种金属-半导体-玻璃光电光纤，其特征在于，包括玻璃包层（2）、纤芯（3）和金属铝线（1）；所述玻璃包层（2）为磷酸盐玻璃；所述纤芯（3）在光纤的轴心线上，纤芯（3）为间隔分布的硒碲半导体球；在纤芯（3）两侧具有以纤芯（3）为对称轴进行对称分布的两条金属铝线（1）；所述金属铝线（1）与纤芯（3）沿光纤的轴心方向平行，且金属铝线（1）与纤芯（3）中的硒碲半导体球直接接触构成电回路。2.根据权利要求1所述的一种金属-半导体-玻璃光电光纤，其特征在于，所述硒碲半导体球中，硒元素与碲元素的质量比为1~9:1；硒碲半导体球与光纤的直径比值为1:5~20；金属铝线的直径与硒碲半导体球的直径比为1~3:1。3.制备权利要求1或2所述的一种金属-半导体-玻璃光电光纤的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）光纤预制棒的制备：将磷酸盐玻璃加工成圆柱体，在圆柱体的轴心线上钻中心孔，再在中心孔的两侧钻孔；两个侧孔的尺寸大小相同，且以中心孔为对称轴进行对称分布，所有的孔均为非贯穿孔；将配制好的硒碲半导体粉填入中心孔，将金属铝棒填入两个侧孔，密封中心孔和侧孔的开口端，得到光纤预制棒；（2）光纤拉制：将组装好的光纤预制棒放入拉丝炉中拉丝，得到初始光纤；（3）光纤热处理：将拉丝得到的初始光纤进行热处理，得到所述的金属-半导体-玻璃光电光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，唐国武，钱奇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44