作者：M. Ficek, R. Bogdanowicz and J. Ryl
摘要：
       論文研究了熔融石英光纖上金剛石薄膜的晶種植入和生長(zhǎng)工藝；對(duì)兩個(gè)爆轟納米金剛石（DND）晶種植入介質(zhì)進(jìn)行浸漬涂附處理從而進(jìn)行玻璃預(yù)處理也做了研究。為實(shí)現(xiàn)晶種植入的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)采用乙醇DND懸浮和含有聚乙烯醇的二甲基亞砜（DMSO）DND分散。在兩種晶種植入介質(zhì)中，納米金剛石顆粒的粒度分布保持一致（約10-50nm）。晶種植入后，利用微波等離子體輔助CVD系統(tǒng)在光纖上沉積出納米金剛石薄膜。通過(guò)SEM圖像的數(shù)值分析，對(duì)工藝結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。利用微拉曼光譜對(duì)金剛石分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；利用橢圓偏振光譜對(duì)VIS-NIR波長(zhǎng)范圍內(nèi)的納米金剛石標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行厚度、粗糙度和光學(xué)特性分析；對(duì)不同沉積參數(shù)下光纖端面的光折射進(jìn)行分析研究；論文提出的晶種植入方法還可以應(yīng)用光纖傳感器的制造。金剛石卓越的耐化學(xué)性和機(jī)械阻力使得金剛石薄膜在光學(xué)傳感技術(shù)方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：熔融石英光纖,金剛石
1、引言
       光學(xué)纖維廣泛應(yīng)用于傳感設(shè)備的制造。溫度、壓力和位移等物理參數(shù)的測(cè)量都可以利用光纖傳感器來(lái)獲得。
       用于電信系統(tǒng)的光纖通常會(huì)鍍附上一層聚酯涂層以保護(hù)纖維免受外界機(jī)械磨損和惡劣環(huán)境的侵蝕；但這種涂層的保護(hù)作用對(duì)于一些酸物質(zhì)則不起作用。碳層是一種常見(jiàn)的電子設(shè)備保護(hù)涂層。金剛石薄膜則集合了諸多綜合性的特性，使其廣泛應(yīng)用于傳感設(shè)備，如在較大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)透明度、化學(xué)穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率和生物相容性。金剛石薄膜能夠保護(hù)光纖免受機(jī)械磨損和化學(xué)侵蝕性環(huán)境；此外，金剛石薄膜的光學(xué)折射率高，可以用來(lái)增強(qiáng)光學(xué)纖維設(shè)備的傳感性能。
       晶種植入對(duì)不同襯底上金剛石薄膜生長(zhǎng)的影響很大，也是一個(gè)重要的參數(shù)，可以通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法求得。常見(jiàn)的方法是利用金剛石研磨漿進(jìn)行超聲處理、利用金剛石粉漿涂層襯底或者利用含有納米金剛石的夾層。晶種植入效率低對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量性能會(huì)產(chǎn)生影響：薄膜不連續(xù)，存在裂縫、襯底不完全被涂層覆蓋、厚度梯度大、甚至缺乏薄膜生長(zhǎng)。另一方面，由于光纖/熔融石英材料組份和屬性的巨大差別，要實(shí)現(xiàn)金剛石-光纖界面的良好質(zhì)量性能是有一定技術(shù)難度的。May 等人研究發(fā)現(xiàn)在光纖上是可以沉積出高電阻式的金剛石薄膜的。Rabeau等人的研究證明可以沉積出熒光波導(dǎo)用光纖端面上的鍍氮金剛石薄膜。本研究之前做的實(shí)驗(yàn)證明了高功率聲波處理晶種植入法能夠在不同的懸浮液（水/DMSO）中獲得金剛石薄膜；但這種高功率卻能引起光纖的腐蝕和空化。浸漬涂附晶種植入法是一種頗有前景的實(shí)驗(yàn)方法，該方法不會(huì)對(duì)光纖造成任何損害。Scorsone建議利用含有納米金剛石顆粒的PVA進(jìn)行晶種植入。PVA具有良好的薄膜成形性能、粘稠性高、在水和不同有機(jī)溶劑中的溶解性好。
       本論文利用兩種不同類型的金剛石納米顆粒懸浮。第一種懸浮方法是基于DMSO溶劑的金剛石粉漿PVA。據(jù)作者研究發(fā)現(xiàn)，利用PVA/DMSO懸浮進(jìn)行光學(xué)浸漬涂附纖維的晶種植入尚未有任何研究發(fā)表。第二種懸浮法是納米金剛石乙醇懸浮液。兩種懸浮液中的分散金剛石顆粒濃度達(dá)到最高，顆粒直徑為4-5nm。鑒于光纖的圓柱形狀，實(shí)驗(yàn)采用浸漬涂附的方法來(lái)替代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)涂附法。
       在本研究中，我們討論了兩種不同懸浮液中的浸漬涂附晶種植入法和熔融石英光纖上生長(zhǎng)的CVD金剛石薄膜。
       實(shí)驗(yàn)利用光纖上沉積出的金剛石薄膜試樣用于光傳輸測(cè)量，測(cè)試CVD金剛石生長(zhǎng)的成核工藝是否影響光纖的波導(dǎo)性能。研究發(fā)現(xiàn)襯底溫度對(duì)金剛石薄膜合成工藝的影響很大，熱解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)表面生長(zhǎng)也有影響。實(shí)驗(yàn)采用微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法（MW PA CVD）；利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)納米金剛石薄膜形態(tài)進(jìn)行分析研究；采用微拉曼光譜監(jiān)測(cè)分子結(jié)構(gòu)；利用橢圓偏光儀（SE）對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率、薄膜厚度和VIS-NIR波長(zhǎng)內(nèi)的光學(xué)性能（折射率、衰減系數(shù)）進(jìn)行估測(cè)。
2、實(shí)驗(yàn)
2.1、浸漬涂附晶種植入
       為研究浸漬涂附晶種植入對(duì)金剛石薄膜的影響，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了一根被剝?nèi)ネ鈱油繉拥膯文９饫w（康寧SMF28，包層直徑125μm，長(zhǎng)度5cm）。實(shí)驗(yàn)所用光纖由熔融石英覆層（高性能無(wú)定形SiO2）和鍍鍺熔融石英芯（直徑8.2μm）制成。精準(zhǔn)樣品為P型（100）硅晶片。將光纖和硅晶片放入丙酮進(jìn)行超聲清洗5分鐘，接著在2異丙醇中進(jìn)行漂洗，最后進(jìn)行氮?dú)獯蹈伞?br />        在1300W功率的微波H2等離子體中對(duì)光纖進(jìn)行氫化處理，時(shí)間30分鐘。在此期間氣體總流量為300sccm，壓力保持在50Torr。氫化處理會(huì)去除掉影響金剛石薄膜生長(zhǎng)的聚酰亞胺。在晶種植入過(guò)程中將光纖進(jìn)入懸浮液兩次，時(shí)間為1分鐘。第一種懸浮液的制備分兩步：首先，將1g固體PVA（平均摩爾質(zhì)量為18000g mol-1）懸浮在80℃的DMSO（99g）中，配制成1%w/w的溶液。溫度降至室溫后，逐滴加入金剛石懸浮液（DMSO-0.5W/W）。第二種懸浮液的制備僅需用乙醇對(duì)5%w/w的DMSO懸浮液進(jìn)行稀釋即可。為得到0.3g/l的濃度，6ml的DMSO需要1l的乙醇進(jìn)行稀釋。
       通過(guò)自動(dòng)浸漬涂附機(jī)制實(shí)現(xiàn)晶種植入工藝的可重復(fù)性。利用同樣的實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)基準(zhǔn)式樣硅晶片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂附。每一個(gè)試樣的沉積參數(shù)如下表所示：