[发明专利]一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃微球，其制备方法为：(1)将纳米金刚石高温退火处理，得到NV色心；(2)将玻璃原料通过分段熔融法制备含NV色心的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃；(3)将复合玻璃进行拉制，拉成玻璃丝；(4)将玻璃丝进行保温处理，获得微球。本发明的复合玻璃微球光致折射率变化极小，光学稳定性好，偏心度＜1％，表面光洁度＜1nm。掺加脱硝催化剂的碲锗酸盐玻璃熔制温度低，在500‑800nm(NV色心的发光范围)透过率高，NV发光强度高，制备方法简便，周期短，并且掺杂纳米金刚石浓度大，有望应用在基于NV色心的量子通讯器件和各种高灵敏物理量探测器上，并且可能实现其集成化应用。

技术领域

本发明涉及一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃微球及其制备方法，有望应用在基于NV色心的量子通讯器件和各种高灵敏物理量探测器上。

背景技术

金刚石内当一个氮原子替代一个碳原子，并捕获周围一个空穴，会形成稳定的结构，称为NV色心(Nitrogen Vacancy center)，NV色心具有稳定的能级结构，可以发出荧光。相比于块材金刚石样品，含有NV色心的纳米金刚石在应用方面有独特的优势。纳米金刚石内NV色心在600-800nm附近的发光极其稳定，无光漂白和光闪烁，相干和弛豫时间长，生物兼容性优良，尺寸小，灵活性大，可以与其他光学系统相结合制作复合材料，结合荧光探测磁共振技术和NV色心的自旋性质还可应用于量子信息、生物标记，高灵敏物理量(磁场、电场、温度等)探测等领域的研究。无论是块体金刚石或纳米金刚石中的NV色心，其与电磁场的耦合强度很小，因此对NV色心发光的收集效率都比较低。基于Purcell效应，可利用光学微腔增强ZPL发光以及光收集效率。光学玻璃微球(直径在30微米-500微米)本身就可构成一种天然的光学微腔，具有极高的腔品质因数Q和极小的模式体积V。目前已有报道将纳米金刚石中的NV色心与石英玻璃微球结合，使NV色心的光学能级和微球的模式达到强耦合。

但是由于石英折射率(～1.45)与纳米金刚石折射率(～2.43)相差较大，纳米金刚石中的NV色心发光在石英玻璃微球中传播时会存在不必要的散射，不利于NV色心发光的收集。目前纳米金刚石与微球复合的方法是将纳米金刚石溶解在化学试剂中，然后将溶液涂覆在玻璃微球表面，这样会引入散射损失，并且无法将纳米金刚石稳定持久地附着在玻璃微球的表面，器件的稳定性与制备技术限制了其应用。亟需寻找一种与纳米金刚石相匹配的玻璃基质，及一套有效的合成方法，将纳米金刚石与玻璃微球稳固地结合在一起。

碲酸盐玻璃的折射率在2.0以上，与金刚石的折射率(2.4)相匹配，理论上可以获得透明度较高、光传输性能较优的纳米金刚石复合玻璃材料。但是碲酸盐玻璃热稳定性能、机械性能较差，阻碍了其发展。在碲酸盐玻璃中添加GeO₂替代一部分氧化碲作为玻璃形成体，形成碲锗酸盐玻璃，可以增强玻璃的热稳定性能和机械性能。但是二氧化锗引入后，会造成玻璃折射率降低。

目前用于光学微腔的玻璃微球的制备方法主要有玻璃粉料漂浮高温熔融法和激光加热光纤熔化法。前者可以一次性批量制备尺寸在一定数值区间分布的玻璃微球，但对炉膛加热区、炉内压力及收集微球系统的负压的设计需反复摸索与严格控制。后者获得的微球与光纤的顶端相连接，便于移动操作和定位，但每次只能制备一个微球，制备方法效率低，成本高，并且该方法激光产生的加热温度过高，容易引起纳米金刚石氧化及光学性能不稳定，不适用于纳米金刚石复合玻璃微球的制备。本发明的目的在于，提供一种高性能纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃微球的制备方法，解决纳米金刚石在常用器件中光学性能不稳定、散射大、制备效率低和成本高的问题。

结合我国现有资源，充分利用及促进固体废弃物资源化再利用，本发明选择脱硝催化剂固体废弃物来合成金刚石碲锗酸盐复合玻璃微球。随着国家对火电厂氨氮大气污染物排放量的要求逐渐提高，脱硝催化剂的使用量逐渐加大，脱硝催化剂的主要成分为二氧化钛、三氧化钨、五氧化二钒等，占到总量的95％以上。大量使用后的脱硝催化剂成为废弃物，不仅占用大量空间，其内部钒等元素对机体及环境有害。