[发明专利]一种金属-半导体-玻璃光电光纤及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属‑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。

技术领域

本发明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。

背景技术

2004年，美国科学家Fink等人(M.Bayindir,F.Sorin,A.F.Abourady,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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。

发明内容