CN110014766A

CN110014766A - 一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法

Info

Publication number: CN110014766A
Application number: CN201910280217.5A
Authority: CN
Inventors: 张国生; 曹志刚; 俞本立; 庄子祥; 汪艳
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: CN110014766B

Abstract

本发明公开了一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，具体包括以下步骤：a)打印墨水的制备：将量子点材料倒入紫外胶中，对溶液进行超声处理，将得到的混合均匀的溶液作为喷墨打印的墨水；b)选择用于打印的基底并进行预处理，然后放置到喷墨打印设备平台上；c)将墨水注入到喷墨打印设备的储液瓶中，利用喷墨打印技术，喷墨打印制作单层波导并固化，然后在单层波导的基础上，通过反复的打印和固化，制作成不同尺寸的量子点光纤；该方法在室温下进行，不涉及高温，可以更好的保证量子点的光电特性，简化制作工艺，且制作的量子点光纤尺寸精确可控，批量生产一致性良好，与传统光纤连接更加简单。

Description

一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法

技术领域

本发明涉及一种量子点光纤的制作方法，特别是一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法。

背景技术

量子点(Quantum Dots)，又叫纳米晶，是由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒，粒径1-10nm。量子点的量子限域效应明显，将半导体中载流子限定在微小的三维空间内。受到光电刺激时，载流子会被激发跳跃到更高的能级，这些载流子回到原来较低能级时，会发出固定波长的光。由于量子点材料具有连续的吸收光谱、较窄的激发光谱、且激发光谱可调谐等优异的光电特性，已经成为制作特种光纤的重要掺杂材料。目前制作掺杂量子点材料的特种光纤主要有两种方法，一种是首先制备掺杂量子点材料光纤预制棒，再通过加热光纤预制棒，然后拉丝的方法制作量子点光纤，另一种方法是将混有量子点材料的溶液灌注到空芯光纤或光子晶体光纤中，制作量子点光纤。第一种方法在制作过程中涉及高温，会影响到量子点材料的光电特性；第二种方法存在灌注困难且在后续与传统光纤的熔接过程也会涉及高温，且制作复杂、成本很高。

发明内容

为了避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，可以更好的保证量子点的光电特性，简化制作工艺，且制作的量子点光纤尺寸精确可控，批量生产一致性良好，与传统光纤连接更加简单。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，具体包括以下步骤：

a)打印墨水的制备：将量子点材料倒入紫外胶中，对溶液进行超声处理1min，将得到的混合均匀的溶液作为喷墨打印的墨水；

b)选择用于打印的基底，并对基底进行预处理，然后将处理后的基底放置在喷墨打印设备平台上；

c)将步骤a)制备的墨水注入到喷墨打印设备的储液瓶中，利用喷墨打印技术，调节喷墨打印的控制参数，使喷嘴喷出稳定且连续的墨水液滴，并选择合适的墨水液滴的间距，喷墨打印制作单层波导，固化，然后在单层波导基础上，每打印一层之后都要先对打印波导进行紫外固化，每次固化时间为30-60s，再进行下一次打印，通过反复的打印和固化，制作成量子点光纤。

进一步，步骤a)中，所述的量子点材料为BaS、AgInS₂、NaCl、Fe₂O₃、In₂O₃、InAs、InN、InP、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、GaN、GaS、GaSe、InGaAs、MgS、MgSe、MgTe、PbS、PbSe、PbTe、Cd(S_xSe_1-x)、BaTiO₃、PbZrO₃、CsPbCl₃、CsPbBr₃、CsPbI₃中的一种或多种。

进一步，步骤a)中，所述的墨水是1ml紫外胶混合0.01-10mg量子点材料制备得到；所述的紫外胶的粘度为0-30cps,表面张力为20-30dynes/cm。

进一步，步骤b)中，所述的用于打印的基底为硅片、石英片或者聚合物片。

进一步，步骤b)中，所述的预处理具体为：首先将基底放入去离子水中，超声清洗5min,再将基底放入乙醇溶液中超声清洗5min,最后将基底放置在干燥箱中烘干。

进一步，步骤c)中，所述的喷嘴的喷孔直径为5-120μm。

进一步，步骤c)中，墨水液滴的间距为0.05-0.20mm。

进一步，步骤c)中，所述的喷墨打印具体参数为：喷墨打印设备的打印模式为Burst模式或者on-the-fly模式，墨水液滴喷射速度为1-5m/s,墨水液滴直径为5-150μm，墨水液滴体积为10-300pL,喷嘴的喷头距离打印基底的距离为0.05-2mm。

进一步，步骤c)中，打印的层数为1层-20层。

进一步，步骤c)中，量子点光纤的直径为5-250μm，高度为2-250μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用喷墨打印技术，整个制作过程不涉及高温，能够很好的保护量子点材料的光学特性；

2、本发明采用喷墨打印技术，无需再额外使用光子晶体光纤或空心光纤去灌注量子点材料，降低了制作成本；

3、本发明采用喷墨打印技术，可通过调节喷孔的直径、喷墨打印的控制参数以及打印层数，精确制作任意尺寸的量子点光纤，制作过程简单、快捷，制作成品一致性良好，适合批量制作量子点光纤且制作成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明喷墨打印制作量子点光纤示意图；

图2为本发明喷墨打印过程中选择不同液滴间距在基底上打印时，打印的结果示意图；

图3为本发明喷墨打印制作的量子点光纤的横截面；

图4为本发明喷墨打印制作的量子点光纤的荧光光谱实验图；

图5为本发明喷墨打印制作的量子点光纤的温度传感测试结果实验图；

附图标记：1、基底；2、喷墨打印设备平台；3、墨水液滴；4、量子点光纤；5、喷嘴；6、液滴间距偏大时打印结果；7、液滴间距合适时打印结果；8、液滴间距偏小时打印结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5所示，本发明为一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，具体包括以下步骤：

a)将5mgCdSe/ZnS量子点材料倒入1ml粘度为25cps、表面张力为27dynes/cm的紫外胶中，并对溶液超声1min,将超声后得到的混合均匀的溶液作为打印墨水；

b)将1ml打印墨水注入到喷墨打印设备的储液瓶中，调节控制喷墨打印过程的气压，控制电压的参数，使喷嘴能够稳定且连续的喷射液滴；喷墨打印的具体参数为：喷墨打印设备的喷嘴5的喷孔直径为60μm，墨水液滴3喷射速度为3.18m/s,墨水液滴3直径为64.12μm，墨水液滴3体积为138.1pL,喷嘴5的喷头距离打印基底1的距离为2mm；

c)选择聚合物片为基底1，并对基底进行预处理(首先将基底放入去离子水中，超声清洗5min,再将基底放入乙醇溶液中超声清洗5min,最后将基底放置在干燥箱中烘干)，然后将处理后的基底1放置在喷墨打印设备平台2上；

d)开启喷墨打印设备，选择合适的液滴间距，在经过预处理的基底1上进行喷涂；不同的液滴间距下，打印墨水喷涂到聚合物基底上的结果如图2所示，根据实验结果，选择0.08mm的液滴间距作为打印间距；

e)操作喷墨打印设备，将打印间距设置为0.08mm，本实例选择打印长度为3mm；每次打印后，都先对打印结果进行一次紫外固化，紫外灯的照射强度为8000mW/cm²，固化时间为30-60s，接着进行下一次打印；随着打印次数的增多，量子点光纤的宽度和高度逐渐增加，当打印10次时，制作的光纤已经能够符合应用要求，此时制作的量子点光纤横截面如图3所示，直径为100μm，高度为150μm，量子点光纤4制作完成。

量子点光纤的性能测试：

1)量子点光纤的导光特性测试

利用传统多模光纤，将喷墨打印制作的量子点光纤一端与激发光源相连，另一端与光谱仪相连；从图4中可以看出，当激励光通过多模光纤耦合到量子点光纤中后，在量子点光纤的另一端通过光谱仪接收到了高强度的量子点辐射的荧光，中心波长为631nm。

2)量子点光纤的传感特性

进行温度传感测试，将喷墨打印制作的量子点光纤置于高低温箱中，并通过传统的多模光纤，将量子点光纤的一端与激发光源相连，另一端与光谱仪相连；不同温度(20℃/28℃/37℃/45℃/53℃/61℃/70℃)下量子点光纤的荧光图谱测试结果如图5所示；荧光峰的漂移证明了制作的量子点光纤保持了优良的温度传感特性。

3)制作不同尺寸的量子点光纤

只需选择不同尺寸直径的喷孔，调节喷墨打印过程中气压和电压的参数以及改变打印的层数，就可以实现不同尺寸的量子点光纤的制作。

本发明采用喷墨打印技术，整个制作过程简单、方便，量子点光纤尺寸能够精确控制且一致性良好，适合批量生产；在整个制作过程中都不涉及高温，能够很好的保护量子点材料的光电特性；相比使用昂贵的光子晶体光纤或者空心光纤去灌注量子点材料制作量子点光纤的传统方法，本发明的方法制作工艺简单并且制作成本低；此外采用喷墨打印技术，可通过调控喷孔的直径、打印过程的控制参数、打印的层数制作多种尺寸的量子点光纤。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

a)将量子点材料倒入紫外胶中，对溶液进行超声处理1min，将得到的混合均匀的溶液作为喷墨打印的墨水；

b)选择基底(1)，并对基底(1)进行预处理，然后将处理后的基底(1)放置在喷墨打印设备平台(2)上；

c)将步骤a)制备的墨水注入到喷墨打印设备的储液瓶中，利用喷墨打印技术，调节喷墨打印的控制参数，使喷嘴(5)喷出稳定且连续的墨水液滴(3)，并选择合适的墨水液滴(3)间距，喷墨打印制作单层波导并固化，然后在单层波导基础上，每打印一层之后都要先对打印波导进行紫外固化，再进行下一次打印，通过反复的打印和固化，制作成量子点光纤(4)。

2.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤a)中，所述的量子点材料为BaS、AgInS₂、NaCl、Fe₂O₃、In₂O₃、InAs、InN、InP、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、GaN、GaS、GaSe、InGaAs、MgS、MgSe、MgTe、PbS、PbSe、PbTe、Cd(S_xSe_1-x)、BaTiO₃、PbZrO₃、CsPbCl₃、CsPbBr₃、CsPbI₃中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤a)中，所述的墨水是1ml紫外胶混合0.01-10mg量子点材料制备得到；所述的紫外胶的粘度为0-30cps,表面张力为20-30dynes/cm。

4.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤b)中，所述的基底(1)为硅片、石英片或者聚合物片。

5.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤b)中，所述的预处理具体为：首先将基底放入去离子水中，超声清洗5min,再将基底放入乙醇溶液中超声清洗5min,最后将基底放置在干燥箱中烘干。

6.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤c)中，所述的喷嘴(5)的喷孔直径为5-120μm。

7.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤c)中，墨水液滴(3)的间距为0.05-0.20mm。

8.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤c)中，所述的喷墨打印具体参数为：墨水液滴(3)喷射速度为1-5m/s,墨水液滴(3)直径为5-150μm，墨水液滴(3)体积为10-300pL,喷嘴(5)的喷头距离打印基底(1)的距离为0.05-2mm。

9.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤c)中，打印的层数为1层-20层。

10.根据权利要求1所述的一种利用喷墨打印技术制作量子点光纤的方法，其特征在于：步骤c)中，量子点光纤(4)的直径为5-250μm，高度为2-250μm。