[发明专利]以PMMA为基底的量子点光纤纤芯材料及其制备和应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及光通讯材料及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种以 PMMA为基底的PbS、PbSe量子点均匀掺杂的光纤纤芯材料及其制备和 应用。

(二)背景技术

PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)是一种高度透明的无定形热塑性聚 合物，相对密度1.188-1.22(30℃/4℃)，折射率1.49，玻璃化温度 80-100℃，分解温度＞200℃。使用温度-40～80℃。作为一种传统的 有机材料，由于其具有良好的通透性(在可见光波段透光率达90％-92 ％，在红外波段也有85％-90％的透射率)、高机械强度及韧性，可广 泛的应用于如：手机保护屏材料、PC镜片材料、液晶显示器(LCD) 材料及光纤材料等光学领域。以PMMA材料为主要成分的塑料光纤 相比于石英光纤具有更优异的抗裂强度、耐用性和占用空间小等优 点，可广泛的应用于光纤到户(FTTH)、工业控制和工厂自动化、 照明、装饰、医疗及军事等领域。

量子点作为一种在三个维度上都是纳米尺度的新型的纳米材料，具 有尺寸效应、限域效应、库仑阻塞效应等特性，在生命科学、单电子器 件、发光材料、激光和光通信等领域有着广阔的应用前景。近年来，光 通信在1.2-1.6微米波段的通讯材料和装置方面的开发研究引起了人们 极大的关注。而PbS和PbSe量子点在这一波段具有良好的、甚至是理 想的吸收和辐射谱，且在制备时可以人为控制量子点的尺寸，从而调控 吸收峰和辐射峰的波长位置以及谱的半高全宽。这一些对于光通讯领域 方面的应用是非常重要的。理论上用PbS或PbSe量子点掺杂均匀的光 纤放大器将具有高的光增益、宽的调制带宽和低噪声等优越性能，凭借 这些优点量子点光纤放大器必将代替目前光纤通信中使用的稀土元素掺 杂光纤放大器，为光纤通信的发展注入了新的生命。

虽然曾有报导在PMMA材料中加入SiO₂、CdSe、ZnS、TiO₂等纳米 粒子，以实现PMMA材料的改性。但上述实验方案均未涉及PMMA为 基底的量子点光纤材料制备，至今没有人报导在工艺上如何以PMMA为 基底、以量子点为掺杂物的塑料光纤制备。

(三)发明内容

本发明要解决的首要技术问题在于提供一种以PMMA为基底的PbS、 PbSe量子点均匀掺杂的光纤纤芯材料，一方面利用PMMA聚合物分子链 之间的排斥作用有效防止量子点的团聚，另一方面PMMA聚合物为量子 点提供了基体，利用PMMA聚合物优良的可加工性、透光性，可以制备 出各种性能优越的光学器件。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光纤纤芯材料，是以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底，以 PbS或PbSe量子点为掺杂物，所述PbS或PbSe量子点的掺杂方式为空 间均匀掺杂，所述PbS或PbSe量子点的尺寸为4nm-20nm，所述光纤纤 芯材料中PbS或PbSe量子点的数密度为1×10¹⁶-1×10¹⁹cm^-3。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述光纤纤芯材料的制 备方法，具体采用如下技术方案：

一种上述光纤纤芯材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以偶氮二异丁腈为引发剂，使甲基丙烯酸甲脂(MMA)先在 75-85℃的温度条件下强搅拌预聚合10-40分钟，在预聚合的聚甲基丙烯 酸甲酯达到一定的粘度后冷却至室温，然后控制在40-50℃的温度条件下 聚合5-24小时，得到聚甲基丙烯酸甲酯胶状体；

(2)将量子点数密度为3×10¹⁶-3×10²⁰cm^-3，尺寸在4-20nm之间的水相 PbS或PbSe量子点加入到所述聚甲基丙烯酸甲酯胶状体中，搅拌均匀使 聚甲基丙烯酸甲酯胶状体中量子点数密度为1×10¹⁶-1×10¹⁹cm^-3，然后将量 子点均匀分布的聚甲基丙烯酸甲酯胶状体再次于40℃-50℃的温度条件 下聚合48-72小时，即得所述光纤纤芯材料。