一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法与流程

本发明涉及玻璃制造技术领域，具体是一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法。

背景技术：

量子点是一种准零维的半导体纳米晶，当其物理尺度小于其相应块体的激子玻尔半径时，载流子的运动受到限制，半导体连续的能带变成分立的能级。所以量子点具有量子表面效应、量子限域效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧穿效应，使其与块体半导体材料相比具有独特的光学性能和电学性能。

IV-VI族半导体材料具有较小的带隙和较大的激子玻尔半径（如PbS-0.28 eV/46 nm），因此，IV-VI 族量子点（如硫化铅量子点）有效带隙可调范围较大，能够实现近中红外波段的可调吸收和辐射，该范围覆盖了石英光纤的重要通讯窗口。另外玻璃具有较高的强度，良好的机械性能和化学稳定性，是量子点的首选基质之一。现阶段，人们已经在玻璃中制备出了多种量子点，包括可见光波段的CdS、CdSe、CdTe量子点等以及近中红外波段的PbS，PbSe量子点等。

目前硫化铅量子点掺杂玻璃的研究大部分集中在量子点的近红外波段荧光辐射，玻璃介质强度也较低，而高铝玻璃具有其高抗划伤、高抗跌落、高透过和防刮擦等特性，成为手机、平板等移动终端保护盖板的主流。所以如何结合二者各自的优势是函待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法，该方法制备得到的硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃气泡少、强度高，具有优异的光学性能，可实现近中红外波段的光吸收和辐射。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：

S1、配置玻璃原料，玻璃原料按质量百分比包含以下组分：32～44% 的SiO₂、7～13%的Al₂O₃、32～45%的Na₂O与K₂O的混合物、0.01～1%的CaO、0.1～1%的B₂O₃、5～13% 的ZnO、1～6%的ZnS、0.3～2%的PbO以及0.1～0.6%的Na₂SO₄；

S2、将步骤S1的玻璃原料混合均匀置于刚玉坩埚内，于高温炉中熔制，然后将熔制好的玻璃液倒至模具中成型，压制成玻璃；

S3、压制后的玻璃送入退火炉进行退火处理；

S4、对退火后的玻璃按照热处理工艺温度进行热处理，析出硫化铅量子点，最终得到硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃。

进一步的，所述步骤S2的熔制温度1450～1550℃，熔制时间45～60min。

进一步的，所述步骤S3的退火温度为350～430℃。

进一步的，所述步骤S4的热处理温度为490～540℃，热处理时间5～20h。

本发明的有益效果是：

一、本发明采用高温熔融法，在玻璃原料中引入了较高含量的氧化铝，用玻璃刀划刻时明显感觉强度提高，制备出了具有良好的抗刮擦、抗损伤和抗冲击性能的玻璃基质，其在LED，光纤放大器，液晶显示器等领域具有良好的应用前景；

二、熔融的温度较低，且保温时间短；

三、玻璃原料中引入适量的Na₂SO₄作为澄清剂，制备出的玻璃基质气泡明显减少，提高了玻璃的机械强度、透过率等性能；

四、采用较少量的PbO作为量子点的前驱体，减少对环境的影响；

五、本发明的高铝硅酸盐玻璃热处理后析出PbS量子点，且具有良好的光学性能，可吸收和辐射较宽波段的荧光，随热处理温度的升高，吸收峰和发光峰波长逐渐向长波方向移动，吸收波长和发光波长范围为780～2270 nm，该范围覆盖了石英光纤的重要通讯窗口；

六、本发明的量子点尺寸可控，在不同的热处理温度和时间下，析出不同尺寸的PbS量子点，从而调控其在近、中红外宽波段产生吸收和辐射过程；热处理过程是Pb²⁺和S^2-的扩散过程，包括晶核形成和晶体生长两个阶段，热处理温度越高，晶核生长速度越快，热处理时间越长，玻璃中PbS量子点尺寸越大，吸收和发射出光的波长越长，所以可以通过控制量子点尺寸，得到所需波段的发光；具有工艺简单、价格低廉等优点，同时玻璃基质为量子点提供了稳定的基底环境，使得量子点的热稳定性和化学稳定性都得到了提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明实施例一硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的吸收光谱图；

图2是本发明实施例一硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃在800nm激光器激发下的发射光谱图；

图3是本发明实施例二硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的吸收光谱图；

图4是本发明实施例二硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃在800nm激光器激发下的发射光谱图；

图5是本发明实施例三硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的吸收光谱图；

图6是本发明实施例三硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃在800nm激光器激发下的发射光谱图。

具体实施方式

实施例一

本发明提供一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：

S1、配置玻璃原料，玻璃原料按质量百分比包含以下组分：39% 的SiO₂、7.5%的Al₂O₃、42%的Na₂O与K₂O的混合物、0.5%的CaO、0.5%的B₂O₃、7% 的ZnO、1.5%的ZnS、1.5%的PbO以及0.5%的Na₂SO₄；

S2、将步骤S1的玻璃原料混合均匀置于刚玉坩埚内，于高温炉中1450～1550℃熔制，熔制时间45～60min，然后将熔制好的玻璃液倒至模具中成型，压制成玻璃；

S3、压制后的玻璃送入退火炉进行退火处理，退火温度350℃；

S4、对退火后的玻璃按照热处理工艺温度进行热处理，热处理温度为490～540℃，析出硫化铅量子点，热处理时间5～20h，最终得到硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃。

对得到的硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃进行表征，结合图1与图2所示，该玻璃随热处理温度的升高，玻璃中量子点的吸收峰和发光峰波长逐渐向长波方向移动，得到了吸收和辐射宽波段荧光的量子点玻璃，吸收峰波段为800～2270 nm，发光峰波段为1000 nm～1500 nm。

实施例二

本发明提供一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：

S1、配置玻璃原料，玻璃原料按质量百分比包含以下组分：33% 的SiO₂、12%的Al₂O₃、44%的Na₂O与K₂O的混合物、1%的CaO、1%的B₂O₃、5% 的ZnO、3.5%的ZnS、0.5%的PbO以及0.1%的Na₂SO₄；

S2、将步骤S1的玻璃原料混合均匀置于刚玉坩埚内，于高温炉中1450～1550℃熔制，熔制时间45～60min，然后将熔制好的玻璃液倒至模具中成型，压制成玻璃；

S3、压制后的玻璃送入退火炉进行退火处理，退火温度400℃；

S4、对退火后的玻璃按照热处理工艺温度进行热处理，热处理温度为490～540℃，析出硫化铅量子点，热处理时间5～20h，最终得到硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃。

对得到的硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃进行表征，结合图3与图4所示，该玻璃随热处理温度的升高，玻璃中量子点的吸收峰和发光峰波长逐渐向长波方向移动，也得到了吸收和辐射宽波段荧光的量子点玻璃，吸收峰波段为780～1700 nm，发光峰波段为1000 ～1800nm。

实施例三

本发明提供一种硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：

S1、配置玻璃原料，玻璃原料按质量百分比包含以下组分：43% 的SiO₂、7%的Al₂O₃、32%的Na₂O与K₂O的混合物、0.02%的CaO、0.1%的B₂O₃、12% 的ZnO、5.5%的ZnS、0.28%的PbO以及0.1%的Na₂SO₄；

S2、将步骤S1的玻璃原料混合均匀置于刚玉坩埚内，于高温炉中1450～1550℃熔制，熔制时间45～60min，然后将熔制好的玻璃液倒至模具中成型，压制成玻璃；

S3、压制后的玻璃送入退火炉进行退火处理，退火温度430℃；

S4、对退火后的玻璃按照热处理工艺温度进行热处理，热处理温度为490～540℃，析出硫化铅量子点，热处理时间5～20h，最终得到硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃。

对得到的硫化铅量子点掺杂高铝硅酸盐玻璃进行表征，结合图5与图6所示，该玻璃随热处理温度的升高，玻璃中量子点的吸收峰和发光峰波长逐渐向长波方向移动，也得到了吸收和辐射宽波段荧光的量子点玻璃，吸收峰波段为880～1400 nm，发光峰波段为1000 ～1500nm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。