一种Si‑V发光的金刚石颗粒与石英光纤的复合方法与流程

本发明涉及一种Si-V发光的分散的金刚石颗粒与石英光纤的复合方法。

(二)

背景技术：

量子保密通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方式。量子保密通信需要使用单光子传递密匙信号，因此必须要有稳定的单光子源。单光子源是指在任意时刻都能发射并且只发射一个光子的光源。常见的单光子源有：单原子、单分子、单量子点以及金刚石色心。当单光子源应用在量子保密通信领域时，需要通过光纤传输单光子信号。光纤是一种封装在塑料中的纤维，是光学通信工具，其中石英光纤是使用最广泛的光纤材料。

使用光纤传递单光子信号时，如果单光子源不是直接附着在光纤上，那么单光子信号传递到光纤上的过程中，会因为空气等介质的存在而产生信号衰减。因此，如果将单光子源和光纤复合，可能将信号衰减降到最低。同时单光子源与光纤直接复合，受外界环境的影响很小，非常稳定；并且可以方便地将其移植到外界磁场、电场等外场系统中。其中，金刚石色心是性能优异的单光子源，目前使用的金刚石色心一般是N-V色心。目前将金刚石的N-V色心与光纤复合的方法有两种：一、将含有N-V色心的金刚石颗粒混入熔融的光纤中，冷却后得到含有金刚石N-V色心的光纤；二、将含有N-V色心的金刚石颗粒直接粘着在光纤端面。但是这两种方法均具有弊端：第一种方法具有将光纤加热到熔融态，而石英光纤的熔点约为1750℃，这个温度下金刚石N-V色心会被破坏，因此不利于单光子源性能；第二种方法得到的金刚石与光纤的复合方式是通过直接将含有N-V色心的金刚石粘着在光纤上，二者之间的结合力很弱，在实际应用中容易脱落。与N-V色心相比，Si-V色心具有发光峰窄、发光寿命短、声子耦合弱的特点，更适合用于量子通信等领域。

针对现有技术中所存在的弊端，本发明使用热丝化学气相沉积法，在石英光纤上沉积分散的金刚石颗粒，获得了较强的Si-V发光，实现了Si-V发光的金刚石与光纤的有效复合。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种Si-V发光的分散的金刚石颗粒与石英光纤的复合方法，所述的Si-V发光在光致发光谱(PL谱)中特征峰位于738nm处，线宽较窄(～5nm)，发光寿命很短(1.2ns)，使得Si-V成为极具潜力的单光子源。

本发明采用如下技术方案：

一种Si-V发光的金刚石颗粒与石英光纤的复合方法，所述的复合方法包括如下步骤：

(1)使用金刚石粉末溶液对石英光纤进行涂覆处理；

(2)采用热丝化学气相沉积法，在经过步骤(1)处理的石英光纤上制备得到分散的Si-V发光的金刚石颗粒，即完成Si-V发光的金刚石颗粒与石英光纤的复合。

具体的，所述步骤(1)的操作方法为：

将聚乙烯醇和二甲基亚砜混合，升温至70～90℃，超声混匀(使用功率为180W的超声机超声1h)，然后加入金刚石粉末(粒径为100nm)混匀，得到混合液；将所得混合液涂覆于石英光纤上，涂覆后的石英光纤用去离子水清洗，干燥备用；

所述金刚石粉末与聚乙烯醇、二甲基亚砜的投料质量比为1：0.5～1：80～100；

所述将混合液涂覆于石英光纤上的方法可以为：将石英光纤浸没于混合液中5～20分钟，取出后即在石英光纤的表面涂覆了一层厚度约为1mm的混合液。

具体的，所述步骤(2)的操作方法为：

将经过步骤(1)处理的石英光纤放入热丝化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气A鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，氢气B与丙酮的流量比为200：40～90，热丝与石英光纤的距离为7～10mm，反应功率为1600～2300W，工作气压为1.5～3.5Kpa，金刚石颗粒生长时间为10～30min，生长结束后，在不通氢气B的条件下降温冷却至室温(20～30℃)，即在石英光纤上制备得到分散的Si-V发光的金刚石颗粒，实现了金刚石颗粒与石英光纤的复合。

所述金刚石颗粒的尺寸为200～500nm，由纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界组成。

所述的“氢气A”、“氢气B”没有特殊的含义，标记为“A”、“B”只是用于区分不同的两路氢气。其中氢气A作为丙酮的载气，以鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，丙酮的流量以氢气A的流量进行计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)已有的N-V发光的金刚石颗粒与光纤复合的方法，主要是将N-V发光的金刚石颗粒与光纤原料混合，再拉制光纤；本发明使用化学气相沉积法，直接将Si-V发光的金刚石晶粒生长到光纤上，实现金刚石晶粒与光纤的复合，方法更加简单可行。

(2)N-V发光的金刚石颗粒与光纤复合的另一个方法是将金刚石颗粒分散在水溶液中，然后将金刚石溶液滴在光纤端面上，通过光纤和金刚石之间的物理作用而结合在一起。但是，金刚石颗粒与光纤的结合力较弱，容易分离。与这种方法相比，本发明使用化学气相沉积法，将金刚石颗粒直接生长在光纤表面上，二者通过化学成键的方式结合，结合力较强，不易分离和脱落。

(3)与N-V发光相比，Si-V发光具有优异的发光性能，能够更好地产生光子。本发明将Si-V发光的金刚石颗粒与光纤有效复合，可望实现光子的传输，对于实现金刚石在量子通信等领域的应用，具有重要意义。

(四)附图说明

图1：实施例1中，在石英光纤上制备的金刚石颗粒的表面扫描电镜照片；

图2：实施例1中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的可见光拉曼图谱；

图3：实施例1中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的光致发光图谱；

图4：实施例2中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的表面扫描电镜照片；

图5：实施例2中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的可见光拉曼图谱；

图6：实施例2中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的光致发光图谱；

图7：实施列3中，在石英光纤上制备金刚石颗粒的表面扫描电镜照片；

图8：实施例3中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的可见光拉曼图谱；

图9：实施例3中，在石英光纤上制备得到的金刚石颗粒的光致发光图谱。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

使用金刚石粉末作为晶种，利用涂覆的方法将晶种附着在光纤表面上。具体方法为：取0.2g聚乙烯醇(阿拉丁公司生产的聚乙烯醇1797型，醇解度96％-98％)和19.8g二甲基亚砜混合，将混合物加热到80℃并超声使之混合均匀，然后加入0.2g金刚石粉末，混合均匀后，得到混合液。将石英光纤(直径约为149微米高纯石英光纤)浸没于所得混合液中10分钟，之后取出用去离子水清洗，用吹风机吹干后备用。

将经过上述处理的石英光纤放入热丝化学气相沉积设备(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，型号为JUHF CVD 001)，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，氢气的流量为200sccm，丙酮的流量为90sccm，热丝与石英光纤的距离为7mm，反应功率为1700W，工作气压为1.5Kpa；制备时间为20分钟；生长结束后，在不通氢气的条件下降温冷却至室温，即在石英光纤上制备得到分散的Si-V发光的金刚石颗粒。

采用台式扫描电镜观察光纤上金刚石颗粒的表面形貌。图1是金刚石颗粒的表面扫描电镜照片，可知金刚石颗粒的粒径约为200-300纳米，颗粒与颗粒相连，形成粒径约为2-5微米的团簇。图2是金刚石颗粒的可见光拉曼谱图，图谱表明在1332cm^-1处出现了金刚石特征峰，在1560cm^-1还可观察到无序sp²键的石墨峰，说明样品主要由金刚石相和无序石墨相组成，并且金刚石信号十分强烈，说明金刚石含量较高。图3是金刚石颗粒的光致发光谱图，在738nm处可以看到金刚石Si-V的光致发光峰，说明此工艺能够在光纤上制备得到Si-V发光的金刚石色心。

实施例2

使用金刚石粉末作为晶种，利用涂覆的方法将晶种附着在光纤表面上。具体方法为：取0.2g聚乙烯醇(阿拉丁公司生产的聚乙烯醇1797型，醇解度96％-98％)和19.8g二甲基亚砜混合，将混合物加热到80℃并超声使之混合均匀，然后加入0.2g金刚石粉末，混合均匀后，得到混合液。将石英光纤(直径约为149微米高纯石英光纤)浸没于所得混合液中5分钟，之后取出用去离子水清洗，用吹风机吹干后备用。

将经过上述处理的石英光纤放入热丝化学气相沉积设备(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，型号为JUHF CVD 001)，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，氢气的流量为200sccm，丙酮的流量为90sccm，热丝与石英光纤的距离为8mm，反应功率为1800W，工作气压为1.5Kpa；制备时间为20分钟；生长结束后，在不通氢气的条件下降温冷却至室温，即在石英光纤上制备得到分散的Si-V发光的金刚石颗粒。

采用台式扫描电镜观察光纤上金刚石颗粒的表面形貌。图4是金刚石颗粒的表面扫描电镜照片，可见金刚石粒径约为200-300纳米，颗粒与颗粒相连形成粒径约为10微米的团簇；图5是金刚石颗粒的可见光拉曼谱图，图谱表明在1332cm^-1处出现了金刚石特征峰，在1560cm^-1还可观察到无序sp²键的石墨峰，说明样品主要由金刚石相和无序石墨相组成，并且金刚石信号十分强烈，说明金刚石含量较高。图6是金刚石颗粒的光致发光谱图，在738nm处可以看到金刚石Si-V的光致发光峰,说明此工艺能够在光纤上制备得到Si-V发光的金刚石色心。

实施例3

使用金刚石粉末作为晶种，利用涂覆的方法将晶种附着在光纤表面上。具体方法为：取0.2g聚乙烯醇(阿拉丁公司生产的聚乙烯醇1797型，醇解度96％-98％)和19.8g二甲基亚砜混合，将混合物加热到80℃并超声使之混合均匀，然后加入0.2g金刚石粉末，混合均匀后，得到混合液。将石英光纤(直径约为149微米高纯石英光纤)浸没于所得混合液中15分钟，之后取出用去离子水清洗，用吹风机吹干后备用。

将经过上述处理的石英光纤放入热丝化学气相沉积设备(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，型号为JUHF CVD 001)，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，氢气流量为200sccm，丙酮的流量为40sccm，热丝与石英光纤的距离为8mm，反应功率为2000W，工作气压为2.5Kpa；制备时间为20分钟；生长结束后，在不通氢气的条件下降温冷却至室温，即在石英光纤上制备得到分散的Si-V发光的金刚石颗粒。

采用台式扫描电镜观察光纤上金刚石颗粒的表面形貌。图7是金刚石颗粒的表面扫描电镜照片，可见金刚石粒径约为200-300纳米，颗粒与颗粒相连形成粒径约为2-5微米的团簇；图8是金刚石颗粒的可见光拉曼谱图，图谱表明在1332cm^-1处出现了金刚石特征峰，在1560cm^-1还可观察到无序sp²键的石墨峰，说明样品主要由金刚石相和无序石墨相组成，并且金刚石信号十分强烈，说明金刚石含量较高。图9是金刚石颗粒的光致发光谱图，在738nm处可以看到金刚石Si-V的光致发光峰，说明此工艺能够在光纤上制备得到Si-V发光的金刚石色心。

对比例

专利《单光子元装置及其制作方法》利用封装在光纤中或光纤端面的金刚石作为单光子源。将具有单N-V色心的单晶金刚石封装在光纤端面或者光纤中，其具体操作方法是：将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在光纤端面之间，待溶剂蒸发后观察是否出现N-V色心的荧光，再判断是否是单N-V色心的发光，这样就完成了单光子源装置的制作。

通过对比本发明发现，此方法所使用的是N-V色心作为单光子源，而Si-V与之相比具有发光峰窄、发光寿命短、声子耦合弱的特点，更适合用于量子通信等领域。并且此方法得到的单光子源装置仅依靠光纤和金刚石的物理作用结合在一起，结合力较弱，容易分离；而本发明得到的单光子源装置是通过化学作用将光纤和金刚石结合在一起，结合力较强，不易分离。