CN110228790A - 一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法 - Google Patents

一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体纳米材料制备技术领域，公开了一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法；1)将光纤包层材料制备成预制棒；所述预制棒设置有圆柱空腔，圆柱空腔与预制棒同轴；2)将半导体纤芯材料置入预制棒的圆柱空腔中，真空热处理，获得初级预制棒；3)将初级预制棒拉制成光纤，然后进一步在一定温度下热处理一定时间，利用流体不稳定性使半导体纤芯材料在包层材料中缩成球形；4)将光纤包层材料溶解，即可得到半导体微球颗粒。本发明的方法简单，易于实现，能成功制备得到各种半导体微球颗粒，微球的直径从微米到纳米可控，且通过拉制光纤可以实现批量制备。

Description

一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法
技术领域
本发明涉及半导体纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法。
背景技术
半导体微球材料在集成电路、光子学、光学非线性、光电探测、化学传感和太阳能电池等领域具有十分广泛的应用。目前，半导体微球的合成方法以化学合成法为主，这种方法有其自身的局限性，即无法获得尺寸单一，有序的，跨越微米到纳米尺度的微球。基于此，本发明提供了一种新的基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，能够得到尺寸均匀，有序的，直径从微米到纳米尺度可控的微球，这对于半导体材料的发展与应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法。本发明的工艺简单，所制备的半导体微球均匀性好，分散性好，且尺寸从微米到纳米尺度可控。通过拉制光纤可制备大量半导体微球，容易实现量产。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其包括如下步骤：
步骤一：取一根有机物棒或玻璃棒作为光纤包层材料，将光纤包层材料制备成预制棒；所述预制棒设置有圆柱空腔，圆柱空腔与预制棒同轴；所述圆柱空腔的深度小于或等于预制棒的长度；
步骤二：将纤芯半导体材料置入预制棒的圆柱空腔中，真空热处理，获得初级预制棒；所述真空热处理的温度为150～230℃、时间为10～200min；
步骤三：将预制棒拉制成光纤，获得半导体复合光纤；
步骤四：将步骤三得到的半导体复合光纤在一定温度下热处理2-5分钟，利用流体不稳定性使半导体纤芯在包层材料中缩成球形；
步骤五：将步骤四中热处理后的光纤包层材料溶解，即可得到半导体微球颗粒。
上述步骤一所述预制棒直径为30mm，长度10cm；所述的预制棒中加工有与预制棒同轴的直径8mm，深度8cm的圆柱空腔。
上述步骤一中所述有机物棒为PES(聚醚砜树脂)，PEI(聚醚酰亚胺)，PC(聚碳酸酯)，PSU(聚砜树脂)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等有机物
上述步骤(1)中所述玻璃棒为玻璃材料，如K9玻璃、磷酸盐玻璃等。
上述步骤二中所述纤芯半导体材料为半导体硒(Se)、碲(Te)、硒化砷(As2Se3)、硫化砷(As2S3)等单质或复合物。纤芯半导体材料可以为棒状或粉末状或颗粒状或块状等。
上述步骤三中所述将预制棒拉制成光纤的温度为240～900℃。
上述步骤三中所述光纤的直径为150μm～2mm。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明利用光纤内流体不稳定性得到半导体微球颗粒，由于光纤纤芯和包层材料软熔温度的不同，在热处理光纤时，纤芯会先形成流体，而球体是流体最稳定的状态，因此，纤芯形成的流体在包层里会因热效应而缩成球形颗粒，包层由于软化温度稍高于纤芯，没有达到形成微球的所需的流体态，仍保持软化状态，因此，形成的微球储存在光纤包层中，然后通过溶剂将包层材料溶解掉，即可释放出里面的半导体微球。通过对预制棒中纤芯和包层材料尺寸的设计，以及对拉制的光纤的直径和拉丝速度等工艺参数的控制，可以实现对半导体微球尺寸的控制。
本发明一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其中的半导体微球是通过拉制光纤，并进一步热处理制备的。本发明提供了一种制备半导体微球的新方法。
本发明的半导体微球颗粒制备工艺简单，易于实现。
本发明通过拉光纤实现了半导体微球从宏观尺寸到微观尺寸的转变，且可以批量制备。
与传统化学合成方法相比，本发明提供的制备半导体微球的工艺流程短，成本低。
附图说明
图1为实施例1制备的半导体复合光纤端面的光学显微图。
图2为实施例1制备的半导体复合光纤端面的SEM图。
图3为实施例1中热处理后的光纤显微图片。
图4为实施例1中光纤包层溶解后得到的半导体微球的SEM图。
图5为实施例1中光纤包层溶解后得到的半导体微球的EDS图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1
(1)首先选取一根直径30mm,长度10cm的PMMA预制棒，然后将PMMA棒进行加工，所述的预制棒中加工有与预制棒同轴的直径8mm，深度8cm的圆柱空腔；
(2)将Se棒置入PMMA棒的圆柱空腔中，然后在真空干燥箱中200℃下处理30分钟，获得初级预制棒；
(3)将(2)中的预制棒在拉丝塔上～320℃下连续拉制光纤，得到大量的半导体复合光纤；半导体复合光纤的端面结构如图1和图2所示，由图可知光纤结构完好，半导体材料很好的复合到了光纤材料中；
(4)取10cm的上述光纤在230℃的炉中热处理3min，然后将光纤浸泡在二氯甲烷(DCM)溶液中5-20min，并重复浸泡1-2次，以充分除去包层有机物，得到半导体微球，热处理后的光纤显微结构图如图3所示，溶解后的微球SEM表征如图4和图5所示，由图可知，制备的Se微球形貌较好，粒度均匀，而且分散性好。
图1为实施例1制备的半导体复合光纤端面的光学显微图；图2为实施例1制备的半导体复合光纤端面的SEM图；图3为实施例1中热处理后的光纤显微图片；图4为实施例1中光纤包层溶解后得到的半导体微球的SEM图；图5为实施例1中光纤包层溶解后得到的半导体微球的EDS图。
实施例2
(1)首先选取一根直径20mm,长度12cm的K9玻璃棒，然后将K9玻璃棒进行加工，所述的预制棒中加工有与预制棒同轴的直径3mm，深度8cm的圆柱空腔；
(2)将Te粉置入K9玻璃棒的圆柱空腔中，然后在真空干燥箱中220℃下处理30分钟，获得初级预制棒；
(3)将步骤(2)中的预制棒在拉丝塔上960℃下拉制光纤，得到半导体复合光纤。
(4)取10cm的上述光纤在～700℃的炉中热处理3min，然后用氢氟酸(HF)将光纤包层除去，得到半导体微球。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：取一根有机物棒或玻璃棒作为光纤包层材料，将光纤包层材料制备成预制棒；所述预制棒设置有圆柱空腔，圆柱空腔与预制棒同轴；所述圆柱空腔的深度小于或等于预制棒的长度；
步骤二：将纤芯半导体材料置入预制棒的圆柱空腔中，真空热处理，获得初级预制棒；所述真空热处理的温度为150～230℃、时间为10～200min；
步骤三：将预制棒拉制成光纤，获得半导体复合光纤；
步骤四：将步骤三得到的半导体复合光纤在一定温度下热处理2-5分钟，利用流体不稳定性使半导体纤芯在包层材料中缩成微球；
步骤五：将步骤四中热处理后的光纤包层材料溶解，即可得到半导体微球颗粒。
2.根据权利要求1所述基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其特征在于：步骤一中所述有机物棒为聚醚砜树脂、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚砜树脂或者聚甲基丙烯酸甲酯；
步骤(1)中所述玻璃棒为K9玻璃或者磷酸盐玻璃。
3.根据权利要求2所述基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其特征在于：
步骤二中所述纤芯半导体材料为半导体硒、碲、硒化砷或者硫化砷；纤芯半导体材料的形状为棒状、粉末状、颗粒状或者块状。
4.根据权利要求1所述基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其特征在于：步骤三中所述将预制棒拉制成光纤的温度为240～1000℃。
5.根据权利要求1所述基于光纤内流体不稳定性制备半导体微球颗粒的方法，其特征在于：步骤三中所述光纤的直径为150μm～2mm。
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