一种聚合物纳米光纤的制作方法技术

本发明专利技术属于纳米光子学领域，尤其涉及一种聚合物纳米光纤的制作方法，其包括以下步骤：将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中；将ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒的末端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液中；ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒以一速度垂直上提，在ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒的末端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液之间形成延伸的聚合物纤维；在空气中固化形成一条聚合物纳米光纤。本发明专利技术的方法具有简单、快速、成本低廉的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米光子学领域，尤其涉及。
技术介绍
控制光信号在亚波长或纳米量级的体积中传输对于实现超紧凑的光子 学器件及高密度的集成光路很重要，在光通信、传感和纳米光子学等领域 具有巨大的应用前景。为此，大量的研究工作致力于新型材料的开发，制 作工艺的创新，光波导尺寸的减小，光子学器件集成度的提高，及制作成本的降低。近几年，人们利用"top-down"方法制作了亚微米/纳米量级的 光子晶体、等离子体波导和纳米线波导等，用于控制光信号的传输。但是 "top-down"方法通常结合了光刻、刻蚀和沉积技术，制作工艺十分复杂， 成本昂贵。"Top-down"方法经济上的限制和其他的科学上的问题促使人们 去寻找新的战略来满足现今和未来纳米结构的需求。2003年，人们利用火 焰加热、两步拉制技术直接从常规的Si02光纤中拉制出纳米光纤，并且验 证了 Si02纳米光纤是一种传输光信号的理想介质。但是，上述方法在拉制过程中需要严格地控制纳米光 纤周围的温度和空气流，制作的Si02纳米光纤的长度只有4 mra。同时，由 于Si02纳米光纤相对小的弹性和柔韧性，在光子学器件的组装方面受到了 很大的限制。聚合物纳米光纤具有良好的弹性和柔韧性，可以被任意地弯 曲、缠绕形成各种各样的形状。目前，主要通过电纺丝、 化学合成法、 >敫光烧蚀等方法来制作聚合物纳米纤维。但是上述方法制作的聚合物纳米 纤维表面粗糙、长度不均匀，这将导致极大的光传输损耗，影响它们在纳 米光子学领域的应用。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种简单、快速、成本低 廉的聚合物纳米光纤的制作方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为 一种聚合物纳米光纤的制作 方法，其包括以下步骤将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中；将Si02棒/金属棒的末 端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液中；Si02棒/金属棒以一速 度垂直上提，在Si02棒/金属棒的末端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液之 间形成延伸的聚合物纤维；在空气中固化形成一条聚合物纳米光纤。聚合物材料为聚对苯二曱酸乙二酯(PET)、聚对苯二曱酸丙二醇酯 (PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PTT)或聚甲基丙烯酸甲酯(P薩A)。熔融态的聚合物材料通过加热板加热形成；当聚合物材料为聚对苯二 甲酸丙二醇酯时，拉制的过程中保持加热板表面的温度为(250土10) °C。在步骤②中，Si(U奉/金属棒的直径为125,。在步骤③中，Si02棒/金属棒垂直上提的速度为0. l~lm/s。在步骤 中，当聚合物纤维由Si(U奉/金属棒的末端与熔融态的聚合物之间延伸形成时，采用迅速淬火的方式形成一条聚合物纳米光纤。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点1. 本专利技术制得的聚合物纳米光纤具有良好的表面光滑度、长度均匀性、 优良的机械性能及低传输损耗等优点；2. 上述的制作方法获得的聚合物纳米光纤不仅可用于构建超紧凑型的 纳米光子学器件，而且可用于构建超密集的集成光路和纳米光网络；3. 采用本专利技术的方法可以简单、快速地制冉聚合物纳米光纤，避免使用 传统的光刻技术，制作成本低廉。附图说明图1:试验装置和制作流程示意图；图2: PTT纳米光纤和纳米光纤结构的电子显微镜图像，其中(a )、( d ) ~ (i)为扫描电子显微镜(SEM)图像，(b)、 (c)为透射电子显微镜(TEM) 图像。(a) —条平均直径为280nm、长度为250mm的PTT纳米光纤净皮缠绕 在一条直径为]-2fim弯曲成弧形的PTT纤維棒上，图中.展示的长度大约力 200mm。 (b) —条直径为70nm的PTT纳米光纤。(c) 一条直径为180nrn的 PTT光纤的侧面图，插图为电子衍射图像。(d) —条直径为105nm的PTT 纳米光纤被弯曲、缠绕组装形成两个纳米环。(e)—条直径为160腿、弯曲 角为155。的纳米光纤。(f )一条直径为340nm的^l聂子形状的PTT纳米光纤。 (g) —条直径为70nm的剪刀形状的PTT纳米光纤。(h)由两条直径分别 为110nm和150nm的PTT纳米光纤缠绕形成的2x2耦合器。(i )直径分别 为140nm和170nm的PTT纳米光纤形成的星形结构。图3: (a)室温下，25，厚的非晶PTT膜的透射谱。(b)测量的PTT 纳米光纤的光传输损井毛。具体实施方式，其包括以下四个步骤① 将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中，聚合物材料为聚对 苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二曱酸丁 二醇酯(PBT)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料。其中，熔融态的聚合 物材料通过加热4"口热形成，以PTT材料为例拉制的过程中保持加热板 表面的温度为(250±10) 。C。② 将Si02棒/金属棒的末端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物 溶液中，其中Si02棒/金属棒的直径为125^m。③ Si02棒/金属棒以一速度垂直上提，在Si02棒/金属棒的末端与熔融 态的聚合物或者聚合物溶液之间形成延伸的聚合物纤维，其中，Si02棒/金 属棒垂直上提的速度为0. 1 ~ lm/s。 在空气中固化形成一条聚合物纳米光纤。当聚合物纤维由Si02棒/金 属棒的末端与熔融态的聚合物之间延伸形成时，采用迅速淬火的方式形成 一条聚合物纳米光纤。本专利技术以制作PTT纳米光纤为例来说明。如图l所示，首先，用一块加热板l来熔化PTT粒料2，拉制的过程中 保持加热板1表面的温度为(250土10) 。C;然后，将一条直径大约125,的 SiOz棒3的末端靠近并且浸入熔融的PTT;其次，Si02棒3以0. 1 ~ lm/s的 速度垂直上提，在熔融的PTT和Si02棒3的末端之间形成延伸的PTT纤维4; 最后，延伸的PTT纤维4在空气中迅速淬火，形成一条非晶的空气包裹的 PTT纳米光纤5。为了说明通过本专利技术所制得的聚合物纳米光纤的优点，扫描电子显微 镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(TEM)用于表征PTT纳米光纤的形 貌。为了展示纳米光纤的长度，将一条平均直径为280nm、长度为250mm 的PTT纳米光纤尽可能多的缠绕在一条直径为12 fim的、弯曲的PTT棒上。图2 (a)的SEM图像给出了缠绕的PTT纳米光纤的一部分，图中显示的纳 米光纤的长度大约为200mm; PTT纳米光纤直径的变化率为8. 4x10—8。图2 (b)给出了直径为70nm的PTT纳米光纤的TEM图像。图2 (c)给出了直 径为180mn的PTT光纤侧面的TEM图像，这里PTT纳米光纤平均的侧壁斗丑 糙度的均方根值为0. 28nm。图2 (c)的插图给出了 PTT纳米光纤的电子衍 射图像，证明了本专利技术制作的PTT纳米光纤是非晶的。在光学显微镜下面， 我们将一条直径为105nm的纳米光纤反复地弯曲、缠绕形成弯曲半径分别 为250nm、 700nm的两个环，如图2(ci)。图2 ( e )给出了一条直径为160 nm、弯曲角为155°的PTT纳米光纤。图2 ( f )和(g )分别给出了镊子形 状和剪刀形状的纳米光纤，其中PTT光纤的直径分别为340nm和70nm。 ^!夺 两条直径分别为110nm、 150nm的PTT光纤通过缠绕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物纳米光纤的制作方法，其特征在于包括以下步骤：①将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中；②将ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒的末端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液中；③ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒以一速度垂直上提，在ＳｉＯ↓［２］棒／金属棒的末端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液之间形成延伸的聚合物纤维；④在空气中固化形成一条聚合物纳米光纤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝军，邢晓波，王宇清，朱恒，张垚，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]