【摘要】：復(fù)合玻璃光纖,是將多種材料或結(jié)構(gòu)復(fù)合進光纖中,使光纖實現(xiàn)如光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、機械性能、聲學(xué)性能等不同的功能。然而,大多數(shù)針對復(fù)合玻璃光纖的研究僅利用了其單一性能,這無疑限制了復(fù)合玻璃光纖在更廣泛、更高效領(lǐng)域的應(yīng)用。本文選擇了具有多種優(yōu)良性能的硫系半導(dǎo)體纖芯的復(fù)合玻璃光纖為研究對象,研究復(fù)合玻璃光纖的多功能化。即以半導(dǎo)體材料(GeSe、Cu-Se、Ag-Se)及具有新型快速相變性能的材料(Sb)作為纖芯,玻璃為包層構(gòu)成復(fù)合材料光纖,結(jié)合本課題組在復(fù)合玻璃光纖領(lǐng)域長期積累的光纖制備技術(shù),期望在單一的復(fù)合玻璃光纖中得到多種優(yōu)良的性能。研究內(nèi)容和主要研究成果如下:(1)研制了連續(xù)的GeSe纖芯硼硅酸鹽玻璃包層多功能復(fù)合玻璃光纖:采用纖芯熔融法制備了光纖,光纖外徑為300-700μm,纖芯直徑為30-70μm。XRD和拉曼光譜表明光纖纖芯為正交GeSe晶相;EPMA和XPS分析表明纖芯中存在少量無定形態(tài)GeO_2,來源于光纖高溫拉制過程中玻璃包層中的氧擴散到纖芯中,與纖芯中Ge結(jié)合而形成;光電流測試表明,晶態(tài)GeSe纖芯復(fù)合玻璃光纖808 nm激光的照射下,電導(dǎo)率是其在黑暗條件下的2.04倍;GeSe纖芯復(fù)合玻璃光纖在300 K的Seebeck系數(shù)為566.03μV/K(與塊體的GeSe相當(dāng)),它的電導(dǎo)率為55.56 S/m,比文獻中所報道的未摻雜GeSe塊體高出了3-4個數(shù)量級,GeSe纖芯復(fù)合玻璃光纖的功率因子PF=0.18μW?K~(-2)?cm~(-1),這個值要遠遠大于未摻雜的GeSe塊體,表明GeSe纖芯復(fù)合玻璃光纖具有優(yōu)良熱電性能;壓力傳感測試的結(jié)果表明,GeSe纖芯復(fù)合玻璃光纖在受力為0.5 N的條件下,電導(dǎo)率變化了10.45%。以上結(jié)果表明,GeSe纖芯硼硅酸鹽玻璃包層復(fù)合玻璃光纖有望在光電探測、熱電轉(zhuǎn)換和壓力傳感等多領(lǐng)域得到應(yīng)用。(2)研制了兩種纖芯分別為Cu-Se和Ag-Se的化合物半導(dǎo)體纖芯復(fù)合玻璃光纖:Cu-Se纖芯復(fù)合玻璃光纖纖芯的晶相為CuSe和Cu_3Se_2兩種晶相的混合相,Cu-Se纖芯在200-2500 nm范圍內(nèi)具有較強的吸收,吸收最強的區(qū)域在500-1000 nm波長區(qū)域;在532 nm激光和808 nm激光的照射下時,Cu-Se纖芯復(fù)合玻璃光纖的電導(dǎo)率減小了60.5%和80.4%,表明Cu-Se纖芯復(fù)合玻璃光纖有望在光電探測、光開關(guān)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。研制了Ag-Se纖芯復(fù)合玻璃光纖技術(shù),研究發(fā)現(xiàn),熱拉制光纖時纖芯預(yù)制棒中原料Ag粉與Se粉部分反應(yīng)生成了Ag_2Se,由于Ag_2Se的熔點為880~°C,預(yù)制棒纖芯部分溫度不足以使Ag_2Se完全熔融,導(dǎo)致纖芯不連續(xù),有待于進一步改進制備此復(fù)合玻璃光纖的制備技術(shù)。(3)研制了Sb纖芯復(fù)合玻璃光纖:用纖芯熔融法制備了光纖,EPMA的測試結(jié)果表明,Sb纖芯復(fù)合玻璃光纖的纖芯中主要元素為Sb,包層中主要元素為O和Si,但纖芯中存在O擴散的現(xiàn)象,并且擴散的O均勻地分布在纖芯區(qū)域中。但XRD和拉曼光譜測試表明,擴散到纖芯中的氧未與Sb芯結(jié)合生成Sb_2O_3晶相。在室溫(25~°C)時,Sb纖芯復(fù)合玻璃光纖的電流-電壓曲線呈線性,當(dāng)溫度升高時,其電導(dǎo)率增加,并且隨著溫度的增加電導(dǎo)率幾乎保持不變,未來有望在熱傳感領(lǐng)域得到應(yīng)用。
【圖文】：

圖 1-1 在光纖中集成各種功能元件和材料示意圖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體材料具有許多獨特的物理性質(zhì)，導(dǎo)電范圍在絕緣體至導(dǎo)體之間，在光電有至關(guān)重要的作用，能夠?qū)﹄姶泡椛溥M行快速檢測和調(diào)制。復(fù)合材料光纖的是將半導(dǎo)體復(fù)合進光纖中，制造新一代大面積、柔性甚至可穿戴的光電與其對應(yīng)的平面設(shè)備相當(dāng)或更為優(yōu)秀。近年來，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，非晶態(tài)半導(dǎo)體已經(jīng)被復(fù)合進光纖結(jié)構(gòu)中[19,20]。半導(dǎo)體復(fù)合材料光纖，為波方面開發(fā)下一代半導(dǎo)體器件提供了新的可能性。年前，就有研究者提出了一系列光纖研究領(lǐng)域的問題：是否可以實現(xiàn)在單合光學(xué)性能、電學(xué)性能、機械性能等不同的功能[21]？這些光纖能否以任意，并且各種材料之間具有低散射界面？什么因素會決定光纖的特征尺寸？可以通過簡單的熱拉法制備？如果以上問題都能夠得到解決的話，復(fù)合玻

圖 1-2 高壓化學(xué)氣相沉積法的原理示意圖Figure 1-2 Sketch of the working principle of the high pressure chemical vapodeposition approach.具有高度的靈活性以外，高壓化學(xué)氣相沉積法的另一個優(yōu)點是前驅(qū)體材料學(xué)反應(yīng)沉積，這與熱拉法不同，，熱拉法需要較高的溫度使得纖芯材料和包體形式存在。這使得一些熔點極高、不適合熱拉法的材料也能夠被復(fù)合進而，這種方法也存在一些缺點，最主要的問題就是沉積速率慢[35]，這意味過高壓化學(xué)氣相沉積法制備長度達到幾十米到幾千米的光纖。同時，要利單晶光纖也較為困難，并且在使用某些材料作為前驅(qū)體材料時無法獲得使細(xì)管完全填充。力輔助熔體填充法半導(dǎo)體復(fù)合玻璃光纖的另外一種方法是壓力輔助熔體填充法(PAMF)，如圖
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN253

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本文編號：2652573