[发明专利]Fe纳米颗粒掺杂的多功能量子点玻璃材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机玻璃、金属、纳米材料等技术领域，具体涉及一种Fe纳米颗粒掺杂的多功能量子点玻璃材料及其制备方法。 

背景技术  

20世纪70年代以来，半导体激光器和光纤技术的重要突破推动了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等光电子技术的蓬勃发展，同时带动了光电功能材料向微型化、集成化、高容量、高速度、高密度和快速响应的方向发展。有人预测到2015年世界光子信息产业的产值将达8万亿美元。当前，各国学者正致力于研究和开发具有优良光开关、光运算和光传输特性的非线性光学材料，用以光子型为主的光电混合器件代替电子器件，以满足未来高度信息社会对高速传输、处理和运行大容量信息的要求。随着人们对信息需求的急剧增加，采用具有超快响应速度的全光开关，构建全光网络已成为必然。

目前，能够应用于全光开关的理想材料还比较少。设计并制备出具有大的三阶非线性折射率、小的线性和非线性吸收以及超快响应速度的非线性量子点光学玻璃材料，渐渐地成为了人们对新材料探索研究的热点。

金属纳米颗粒掺杂的玻璃不仅具有透明度高、化学稳定性和热稳定性高、三阶非线性极化率高、光响应时间快、易于成膜成纤、易于机械光学加工等优异性能，同时由于玻璃中的金属纳米颗粒会产生表面等离子共振(SPR)效应，在其特征吸收峰附近会出现明显的光学非线性现象，因此在数据存储、光波导、光开关等光电器件方面具有很大的应用潜力。近年来，各种金属纳米颗粒掺杂量子点玻璃材料因其优良的三阶非线性光学性能受到了研究者的广泛关注。目前对贵金属（Au、Ag、Cu）量子点掺杂的非线性玻璃的研究已取得了重大的进展，然而贵金属原料来源成本高，且所采用的制备方法主要包括：高温熔融法、离子交换法、离子注入法、飞秒激光诱导法、磁控溅射法等，而对于采用易于精确控制、并具有高的纯度和良好均匀性的低温化学合成法制备金属量子点玻璃方面的研究还鲜有报道。因此，寻求一种廉价、来源广泛、易于获得的金属来替代贵金属，采用简单可控的方法来合成具有大的非线性量子点玻璃是非常迫切且有意义。

Fe是世界上最丰富的金属元素之一。Fe纳米颗粒的优异性能在光学、电子学、催化剂、磁性材料及超导等领域表现出巨大的应用前景。近年来，国内外学者对基于Fe纳米颗粒的研究取得了重要进展。然而由于Fe纳米颗粒活泼、易氧化、有磁性，易团聚，获得粒径小、分散均匀的Fe纳米颗粒仍存在较大的困难，极大地影响了其实际应用价值。此外，截止目前，尚未有Fe纳米颗粒掺杂非线性玻璃的相关报道。

因此，采用溶胶-凝胶法制备Fe纳米颗粒分散均匀的集非线性、光学、磁学性能为一体的性能稳定的钠硼硅玻璃，具有很大的研究及创新意义。

发明内容

本发明的目的在于得到非线性大、响应时间快、光学磁学性能可调、稳定性高的多功能金属Fe纳米晶掺杂的透明非线性玻璃体材料，为制备颗粒尺寸小、分散均匀的Fe纳米晶提供新思路；拓宽其应用领域，为其在非线性光学器件的应用奠定基础；实现金属Fe米晶及玻璃的优异性能的有效结合，为金属纳米晶掺杂的非线性玻璃开辟新领域。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种Fe纳米颗粒掺杂的多功能量子点玻璃材料，所述玻璃高度透明、Fe纳米颗粒的掺入量为玻璃质量的0.1~8%。Fe纳米颗粒尺寸均一且镶嵌在玻璃基体中分散均匀，所得玻璃不仅表现出大的非线性光学效应同时还具有Fe纳米颗粒优异的光学、磁学性能。采用溶胶-凝胶法，通过控制气氛将玻璃网络中的Fe^x+(x=2,3)还原为单质Fe，制备得到Fe纳米颗粒掺杂的多功能量子点钠硼硅玻璃材料，具体包括如下步骤：

(1)选用钠硼硅玻璃基体质量百分比组成为5~15% Na₂O：15~25% B₂O₃：60~80% SiO₂。

(2)取一定量的Si源TEOS (正硅酸乙酯) 溶解于无水乙醇中，滴入几滴盐酸促使其充分水解形成无色透明溶液A。

(3)按步骤(1)比例取适量B源H₃BO₃溶解于乙二醇甲醚中，适量Na源(金属Na)溶于无水乙醇中，分别置于磁力加热搅拌器上搅拌1~2h，形成溶液B、C。

(4)将上述溶液B加入A中，搅拌1~2h，之后加入溶液C，搅拌使其充分混合，形成NBS玻璃的先驱体溶胶。