本發(fā)明涉及將二維材料轉(zhuǎn)移到光纖上的方法，具體是一種在拉錐光纖上沉積二維材料的方法。

背景技術(shù)：

二維材料是一種近幾年來(lái)新型的，具有優(yōu)良特性的納米材料，以石墨烯為代表，包括硅烯、硼烯、硫化鉬、硒化鉬等，受到廣泛的關(guān)注。這些二維材料擁有帶隙可調(diào)，和豐富的光電子學(xué)特性，具有廣泛應(yīng)用場(chǎng)合。早在21世紀(jì)初，二維材料就被發(fā)現(xiàn)具有豐富的光學(xué)性質(zhì)，包括作為可飽和吸收體應(yīng)用于鎖模和調(diào)Q激光器中，四波混頻現(xiàn)象和拉曼、布里淵散射作用也不斷的被報(bào)道出來(lái)。因此二維材料在非線(xiàn)性光學(xué)，光信號(hào)處理，光纖激光器中，都擁有廣泛的應(yīng)用前景。

為了能使這些二維材料表現(xiàn)出良好的性質(zhì)，需要使其與光場(chǎng)具有一定距離的相互作用，例如通過(guò)空間光照射二維材料，或使用光纖與二維材料集成。目前已經(jīng)使用的一些光場(chǎng)與二維材料相互作用的方法可歸為4種：

其一是利用化學(xué)生長(zhǎng)的辦法，在某種基底上生長(zhǎng)出納米級(jí)別的二維材料，之后用蝕刻或者物理方法去除基底。此時(shí)的納米材料會(huì)以薄膜的形式漂浮在溶液表面，將光纖浸入此溶液并提出，即得到包裹二維材料的光纖。利用這種方法，需要利用化學(xué)方法制備相當(dāng)量的大尺寸二維材料，不僅時(shí)間要求比較長(zhǎng)、而且成本比較高。

另一種方法是將二維材料的分散液與有機(jī)化合物(如聚乙烯脂的PVA)溶液混合，并將溶液滴在基底上，烘干制成薄膜。這種薄膜可放于光纖接頭之間，在光路中實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與材料的作用。利用此種辦法制出的薄膜大小有限，通常只有十幾微米的厚度和一百微米左右的寬度，因此不適用于需要光場(chǎng)和材料長(zhǎng)距離接觸的應(yīng)用場(chǎng)景。

還有一種辦法是將二維材料制成分散液，將光纖垂直沉入該分散液中。此時(shí)光纖的端面即可附著材料。利用空間光耦合的方式，可使得光場(chǎng)與二維材料接觸。利用這種方法同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與材料的長(zhǎng)距離接觸，并且二維材料在光纖端面附著的均勻程度無(wú)法保證。

最后一種辦法即采用在普通載玻片上直接放置拉錐光纖，并滴上沉積材料與溶劑的分散液的方法。該方法通常需要很大的驅(qū)動(dòng)光功率加速沉積過(guò)程進(jìn)行，且普通的載玻片上分散液凝聚性較差，很難控制沉積比較多的材料，因此不能保證擁有期望的沉積結(jié)果。

總之，以上的幾種方法或者成本較高或者不適合需要光場(chǎng)與材料較強(qiáng)作用的場(chǎng)合或者沉積效率低下。因此，需要一種方法能夠在兼顧低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與材料的強(qiáng)作用，使得沉積穩(wěn)定有效可控的進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在拉錐光纖上沉積二維材料的方法，有效將二維材料沉積在拉錐光纖上，并可控制二維材料沉積的多少。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種在拉錐光纖上沉積二維材料的方法，包括以下步驟：

步驟1：將二維材料粉末分散于分散劑中，制成濃度為0.0001mg/ml至10mg/ml二維材料分散液；

步驟2：將普通光纖進(jìn)行拉錐處理，制成拉錐區(qū)域直徑為3至8微米的拉錐光纖；

步驟3：將二維材料分散液注入表面具有凹槽的載玻片中，并使拉錐區(qū)域光纖浸沒(méi)于二維材料分散液中；

步驟4：將一定功率的激光從拉錐光纖的一端輸入，并在另一端用光功率計(jì)監(jiān)測(cè)輸出光功率變化；

步驟5：通過(guò)控制輸入拉錐光纖的光功率的大小和通光時(shí)間來(lái)控制二維材料沉積在拉錐光纖上的多少。

優(yōu)選的，在所述步驟4和5之間還包括設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，加速分散劑揮發(fā)，提高分散液布朗運(yùn)動(dòng)水平的步驟。

優(yōu)選的，所述的通風(fēng)系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇。

優(yōu)選的，所述載玻片的凹槽為倒梯形。

優(yōu)選的，所述的分散劑是乙醇或丙酮。

優(yōu)選的，所述的拉錐區(qū)域的光纖直徑的范圍是3至15微米。

優(yōu)選的，所述的輸入拉錐光纖的光功率范圍是1至100毫瓦。

優(yōu)選的，所述的通光時(shí)間范圍是10秒至30分鐘。

優(yōu)選的，所述的二維材料粉末是過(guò)渡金屬硫化物或石墨烯等其他二維材料。

本發(fā)明原理是通過(guò)分散劑的高揮發(fā)性和光誘導(dǎo)作用，加上長(zhǎng)時(shí)間拉錐光纖與分散液的接觸，使二維材料材料沉積到拉錐光纖上，通過(guò)控制輸入拉錐光纖的光功率的大小和通光時(shí)間，控制材料沉積的體積。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過(guò)采用光誘導(dǎo)和高揮發(fā)性分散劑，以及定制的凹槽載玻片，使得拉錐光纖可以長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在具有極快布朗運(yùn)動(dòng)的分散液中，進(jìn)而二維材料可以高效的沉積到拉錐光纖的側(cè)面，通過(guò)控制輸入光功率的大小和通光時(shí)間以及空氣流通強(qiáng)度，可以控制材料沉積的快慢和多少。相比于背景技術(shù)中的方法1(制備大面積材料并轉(zhuǎn)移)，本發(fā)明不需要制備大面積的二維材料，只需要使用二維材料粉末制成分散液即可。相比于背景技術(shù)中的方法2和方法3(端面沉積，制成薄膜)，本發(fā)明使二維材料沉積于拉錐光纖上，因此可以使光場(chǎng)與材料能夠有更長(zhǎng)的作用距離，相比于背景技術(shù)中的方法4(需要用到光功率放大器)，本發(fā)明使用凹槽型的載玻片承載分散液和拉錐光纖，使得兩者可以充分接觸，不需要額外提供高功率光加速沉積過(guò)程，且增加了通風(fēng)系統(tǒng)使得沉積過(guò)程更加高效的進(jìn)行，顯著降低了沉積要求的光功率閾值，使得系統(tǒng)可以脫離光功率放大器進(jìn)行。此外，由于使用了高揮發(fā)性的分散劑，分散劑本身的揮發(fā)作用會(huì)加速材料顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)并增強(qiáng)光誘導(dǎo)沉積過(guò)程，與一般非揮發(fā)性或弱揮發(fā)性的分散劑相比，本發(fā)明可以顯著提高材料的沉積速度與沉積體積。

附圖說(shuō)明

圖1是拉錐光纖示意圖

圖2是表面具有凹槽的載玻片示意圖

圖3是在拉錐光纖上沉積二維材料的示意圖

圖4是拉錐光纖上沉積二維材料的顯微鏡圖

圖5是拉錐光纖上沉積二維材料的掃描電子顯微鏡圖

1-普通光纖，2-普通光纖到拉錐光纖的過(guò)渡區(qū)域，3-拉錐光纖，4-載玻片，5-載玻片斜坡區(qū)域，6-二維材料分散液，7-光源，8-光纖接頭適配器，9-光功率計(jì)，10-風(fēng)機(jī)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本例中采用硒化鉬作為二維材料對(duì)象進(jìn)行說(shuō)明。

一種將硒化鉬沉積到拉錐光纖上的方法，具體包括以下步驟：

步驟1：將硒化鉬粉末分散于高揮發(fā)性分散劑中，制成分散液，硒化鉬分散液的濃度為0.0001mg/ml至10mg/ml；

其中，高揮發(fā)性分散劑是使硒化鉬材料顆?？梢苑€(wěn)定存在，不易發(fā)生團(tuán)聚，且具有高揮發(fā)性的溶劑(例如乙醇，丙酮等)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用的分散劑是乙醇。

其中硒化鉬濃度的優(yōu)選范圍是0.1mg/ml至10mg/ml。若濃度過(guò)低則不易實(shí)現(xiàn)沉積，若濃度過(guò)高則需要小心由于濃度過(guò)高導(dǎo)致沉積速率過(guò)快，不易控制材料沉積的體積。

步驟2：將普通光纖制備成拉錐光纖，拉錐區(qū)域的光纖直徑控制在3至15微米；

其中拉錐光纖直徑的優(yōu)選范圍是6至8微米。若光纖過(guò)細(xì)則容易在較高光功率下熔斷，若光纖過(guò)粗則泄露在空氣中的光場(chǎng)太弱，無(wú)法產(chǎn)生有效的光誘導(dǎo)沉積。

步驟3：將分散液注入到定制的凹槽載玻片中；

其中的定制載玻片采用凹槽設(shè)計(jì)的方式，與普通的玻璃載玻片相比，該設(shè)計(jì)可以承接更多分散液，使得沉積更有效的進(jìn)行，同時(shí)可以控制較長(zhǎng)的沉積時(shí)間獲得更大體積的沉積。

步驟4：將拉錐光纖浸沒(méi)于硒化鉬分散液中；

其中，可將拉錐光纖嵌入定制的玻璃載玻片凹槽中，將分散液注入在載玻片凹槽里，浸沒(méi)拉錐光纖。

步驟5：將一定功率的光從拉錐光纖的一端輸入，并在另一端用光功率計(jì)監(jiān)測(cè)輸出光功率變化；其中光功率的范圍在1到5毫瓦之間，功率過(guò)低則產(chǎn)生的光學(xué)作用可能不足以驅(qū)動(dòng)沉積過(guò)程，功率過(guò)高則有熔斷拉錐光纖的可能。該設(shè)計(jì)中采用通風(fēng)系統(tǒng)和定制載玻片，使得驅(qū)動(dòng)沉積的閾值降低，可以在激光器輸出直接接入拉錐光纖的情況下驅(qū)動(dòng)沉積過(guò)程。而傳統(tǒng)的利用拉錐光纖沉積二維材料的典型光功率閾值(即啟動(dòng)沉積過(guò)程的最小輸入光功率)一般在20毫瓦，本發(fā)明將閾值降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

其中，輸入光的波長(zhǎng)范圍可以選擇從紫外到近紅外波段，光源可以是激光，也可以是自發(fā)輻射光源等其他非相干光源。光源可以是連續(xù)光輸出，也可以是脈沖光輸出。

步驟6：通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)加速分散劑的揮發(fā)，提高分散液布朗運(yùn)動(dòng)水平；

通過(guò)輔以風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等通風(fēng)系統(tǒng)，可以進(jìn)一步控制沉積的速度，如果加強(qiáng)空氣流通性沉積速度會(huì)更快，減緩空氣流通性則沉積速度會(huì)變慢。

步驟7：通過(guò)控制輸入拉錐光纖的光功率的大小來(lái)控制硫化物沉積在拉錐光纖上的速度，通過(guò)控制通光時(shí)間來(lái)控制硒化鉬沉積的多少。

其中，輸入拉錐光纖的光功率的優(yōu)選范圍是1至100毫瓦，在通風(fēng)良好且分散液濃度較高時(shí)，可以有很低的閾值功率，不使用光功率放大器即可驅(qū)動(dòng)沉積?？梢匀鐖D3所示采用光纖接頭適配器，也可以采用空間光耦合。通光時(shí)間的優(yōu)選范圍是10秒至30分鐘。當(dāng)硒化鉬開(kāi)始在拉錐光纖上沉積時(shí)，會(huì)對(duì)光產(chǎn)生吸收，通過(guò)觀察光功率計(jì)的讀數(shù)，即可了解材料在光纖側(cè)面沉積的體積。光功率越高，則沉積的越快。通光時(shí)間越長(zhǎng)，則沉積的越多。通過(guò)控制光功率大小和通光時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料沉積體積的控制。

圖1給出了拉錐光纖的示意圖。圖2給出了定制載玻片的示意圖，可以看出載玻片中間擁有承接較多分散液凹槽，凹槽到載玻片邊緣是斜坡?tīng)钤O(shè)計(jì)，以防止分散液溢出，并使得光纖和分散液可以有效的長(zhǎng)時(shí)間接觸。圖3給出了硒化鉬沉積的光路圖，其中不必使用光功率放大器放大功率即可完成沉積過(guò)程。圖4給出了當(dāng)硒化鉬沉積于拉錐光纖時(shí)的顯微鏡圖，可以明顯的觀察到硒化鉬沉積于光纖的四周。圖5給出了當(dāng)硒化鉬沉積于拉錐光纖時(shí)的掃描電子顯微鏡圖，可以進(jìn)一步的觀察到硒化鉬沉積于拉錐光纖上。