文摘
量子点nanocoatings一直在通过逐层沉积技术的内孔光子晶体光纤(pcf)温度传感器的制造。这些传感器的光学特性,包括吸光度、强度发射,发射波长的乐队,和半宽度(应用实验研究的温度范围内来。
1。介绍
在过去的几年中,新的光纤已经发展为了得到更低的非线性,低衰减,和独特的波导特性。这是光子晶体光纤(pcf)的情况下,也称为多洞的纤维,含有微小的空气孔阵列结构和允许,其他新应用,制造新的光纤传感器。1995年,比尔克等人提出了一种光纤空气孔沿其长度,可以指导光通过这个结构与有趣的属性(1,2]。现在的PCF已成为一个广泛研究的主题,并开设了一个新的可能的应用范围。
PCF的结构可以有不同类型的纤维如无尽单模、双包层,锗或掺稀土,高双折射和许多其他与特定功能由于其生产的灵活性。这个品种的选择允许使用PCF在许多应用,如传感器,测量物理参数(温度、压力、力等),甚至在气体和液体化合物,生物传感器(3- - - - - -7]。在PCF的一小部分模态场位于纤维的孔内。这允许,通过隐失场相互作用,测量不同的气体,液体,或生物样品,只有这些材料来衡量放置在pcf的漏洞。涂层孔与传感材料的可能性也存在。然而,由于技术挑战,意味着沉积的薄膜内部的空气孔,只有少量的工作与这种类型的传感器传感涂层(8,9]。本文中提供的主要贡献之一是传感薄膜的沉积厚度为几纳米PFC的孔内,而不是经典的方法,由这些洞填满液体或气体。
更具体地说,基于QD PCF温度传感器被捏造的分层技术首次(LbL)技术。光学性质的实验研究这些QD-based传感器已经完成集中在光学吸收,发射强度,发射峰波长和特征没有研究在文学、半宽度的依赖(应用)的QD发射带的温度。
2。实验
沉积技术提出这是LbL方法,技术使建筑表面的纳米薄膜具有复杂形状等,在这种情况下,墙上的小圆柱PCF的漏洞。这项技术是基于电荷相反聚电解质之间的吸引力。其主要优点是控制涂层的厚度的可能性在纳米尺度,构建电影通过创建影响连续阳离子和阴离子的解决方案(10- - - - - -14]。更具体地说,为了制造温度传感薄膜的孔内PCF,量子点(量子点)作为一个胶体沉积的过程。
量子点半导体纳米晶体的粒子直径通常从1到12海里,这也引起了极大的兴趣在过去几年由于他们非常有吸引力的光学特性。量子点可以在广泛的波长和兴奋,同时,有一个窄的发射光谱。此外,发射峰的中心波长取决于QD的几何尺寸;因此,发射波长可以通过改变纳米晶体的大小。这给了一个大的选择的发射波长(12,15,16]。事实上,量子点已经提出了不同的应用,如生物标签,光学传感器、太阳能电池、光电探测器、激光、和许多其他用途(17- - - - - -24]。此外,量子点的发射光谱逐渐根据温度变化(25]。排放强度降低,排放乐队转移到更高的波长,当温度增加。量子点由于这些特性,是一个优秀的材料温度传感(25- - - - - -28]。
2.1。材料
高分子材料用于构建纳米涂料是保利(dimethylammonium氯烯丙酯)(PDDA)和聚(丙烯酸)(PAA),从Sigma-Aldrich购买。这些材料准备的水基溶液质量浓度的1%。,他们的小灵通被调整到8.0和6.0,分别。这些解决方案是使用0.45过滤米孔隙大小注射器过滤器在电影开始前沉积。
CdSe量子点(量子点)用于这些实验5 nm直径和发出红色区域的可见光谱(大约620海里)。这些水溶性量子点是由美国染料源公司和携带羧基组。QD水溶液的浓度是0.025% wt, pH值调整到8.0。这些解决方案也被过滤,0.45米孔径过滤器。
所有的解决方案都准备为18.2 Mcm去离子的水(DI)从Barnstead钻石体系。
2.2。传感器制造
传感薄膜沉积的内部空气孔PCF LMA-20从Thorlabs Inc .)购买该纤维有229米直径,优化单模操作的600 - 1000 nm波长范围。纤维微观结构与空气孔可观测到的横截面图像如图1。孔的直径是6.4米,中心相邻孔之间的分离是13.2m。
所采用LbL技术用于制造薄膜内部的PCF洞。这种方法是基于连续曝光的基质阳离子和阴离子的解决方案在一个重复序列。不同带电粒子吸附静电吸引。
传感膜必须涂内PCF的一部分,为了实现这一目标,必须固定一段PCF与0.5毫米直径5毫升注射器针使用环氧树脂。这有助于液体流经纤维和删除的部分解决方案。纤维的长度几乎是6厘米。
开始LbL过程中,前一个双层PDDA和PAA在衬底上创建增强纤维的连续层的附着力。色散的部分充满了阳离子PDDA解决方案的帮助下注射器,在3分钟内的解决方案是左纤维让分子吸附的超小型电子管的内表面。液体从纤维中删除后,然后,PCF充满了去离子水之前删除任何剩余的解决方案,可能依然还在纤维。一旦清洗过程,重复同样的步骤与PAA的解决方案,这对应于阴离子层。
第二重层后,PAA QD取代,和重复前面解释的过程。最后传感nanofilm由20 PDDA和QD的影响。LbL过程的更多细节可以在文献中找到(10,12- - - - - -14,26,27,29日]。
当涂层过程完成后,PCF段左成真空干燥箱在15分钟在氮气氛中。然后裂解纤维使用VYTRAN自动切肉刀获得细切削表面在这两个极端。2.5厘米的PCF段QD涂料使用的块的温度传感器。
为了封装QD电影PCF的孔内,传感器是由拼接两个多模光纤(mmf) (200核心和230米直径PCF段包层直径)。每个mmf也减少使用Fujikura CT-20劈刀。一个爱立信前苏联- 905拼接单元用于拼接两个MMF PFC段。融合过程,这个单元分为三个部分。融合参数方便地选择为了得到一个健壮的融合MMF和PCF没有崩溃的PCF的漏洞。图2显示了一个显微镜照片之间的拼接PCF和MMF。
因此,QD薄膜沉积在孔的内表面封装只要防止外部媒体和环境代理如氧气。当传感器制造完成后,QD可以清楚地观察到的荧光照亮它用一个简单的紫外线,可以看到在图3。
3所示。结果
为了研究的行为与温度传感器,两组不同的实验已经进行。QD的第一个目的是吸收光谱观测和研究另一个排放特性。安装图中描述4是用来执行所有的测试。光源的类型取决于实验:使用宽带光源用于吸收实验,并利用激光发射的研究。这个光源扰频器连接到一个模式用于实现稳定的力量通过避免联运干扰。然后,PCF这种光纤传感器连接的线。光从源通过加扰器模式,刺激了量子点存入传感器。光信号从传感器(激发光和发射光)被收集在一个光谱仪(usb - 2000浮动,Oceanoptics)。传感器和光谱仪,高通滤波器是用来限制励磁信号光源可以掩盖QD的发射光。
3.1。吸收研究
令人惊讶的是,尽管光学吸收谱是一个重要的QD特性,还可用于感应温度,提出了在早些时候出版物(30.),很少有相关工作温度传感器基于QD研究光学吸收的变化对温度传感31日]。为了测量该参数,低通滤光片和氘和卤素白色光源(2000年Oceanoptics DH)中使用了数字4设置。这个源供应稳定的光谱波长范围从215到1700纳米。传感器被引入一个气候室安杰兰托尼(开始),并从−40到温度是不同的。吸收光谱在不同的温度下如图所示5。
我们可以看到在图5温度上升时,吸光度降低。在图6500年和520年之间,平均吸光度纳米在不同的温度下。
图的实验数据6可以安装到一个相关因子的指数曲线。这种测量方法是0.0027的平均感性美/在最坏的情况下,其值是0.0004美/更高的温度的范围。
3.2。排放研究
发表评论,不同发射传感器研究的性质。量子点有了这个目标,使用一个Omnichrome很兴奋在470 nm激光调谐。光谱仪寄存器QD发射峰,由于其量子约束特性,减小了它的强度,当温度上升。这个特性如图7,每个曲线一直在不同的温度下取自−40。重要的是要意识到,不仅曲线的最大峰值随着温度变化。这个峰值的波长和宽度增加的温度上升。因此,有三个量子点发射峰的特性可以用来检测温度变化:每个发射峰的最大值,波长的这些值,这些峰值和带宽。
研究量子点的最大发射峰,豪尔赫等人归一化法应用的一项研究[28)是利用。它是基于两个强度信号(和)对应于两个5米光谱窗口两边的发射峰和应用规范化。结果正常化正比于温度和独立光源功率波动的。在图8,这种标准化的最大温度的演变可以看到。这些数据可以用一个指数近似信号的相关因子,而比获得吸收光谱测量的先例。在一些以前的作品(26- - - - - -28,30.),传感器显然表现出线性行为由于狭窄的温度范围内使用。一般这种传感器的灵敏度,最坏的情况下的灵敏度对应于较低温度的值。
另一种方法来测量温度的传感器是基于监测发射峰波长。排放转向更高的峰值波长温度上升时,如图7。自发射频带不提供一个狭窄的峰值测量,有必要开发一个系统的方法来计算发射峰波长,比赛的最大强度。为了达到这个目标,基于一阶导数的一个简单的方法来检测执行发射曲线的最大值。首先,导数曲线如图9得到的图在图吗7。一阶导数曲线达到零的值在波长对应于每个发射光谱的最大值作为显示在图9。这些波长是绘制在图10,又有一个指数符合的相关因子。该方法的平均灵敏度0.1451 nm /,和最糟糕的敏感性为0.0195 nm /较低的温度范围。排放强度和发射峰波长给较低的灵敏度较低温度而吸收有着相反的行为(高灵敏度较低温度)。结合吸收和排放强度或峰值波长,这些设备的灵敏度可以在整个范围的平衡温度。
此外,一个新的观察发射特性:发射光谱带的光谱宽度显示的温度依赖性。利用这一点,半宽度(应用)的发射光谱带,一个非常流行的激光参数的表征,可以用作传感大小。应用变化与温度及其指数近似图中可以看到10。该方法的灵敏度0.1636 nm /的平均价值,它的最小值为0.05 nm /对应于低温。据我们所知,这是第一次应用在QD-based传感器作为传感参数。
最后,为了验证的动态行为装置,温度传感器受到急剧温度变化和25之间。QD传感器和一个商业传感器(一个基于K热电偶设备)被放置在一起,同时监控比较两种反应。QD发射级测量的平均值最大强度值在600到640纳米之间。在图12QD传感器和热电偶的响应。两款手机的上升时间和下降时间相似,见图。他们也类似于《纽约时报》前面的作品中观察到的布拉沃et al。26]。
4所示。结论
在这工作一个温度传感器组装量子点薄膜沉积的光子晶体光纤的孔内通过分层技术首次技术。光学吸收,排放强度,发射峰波长指数显示一个明确的行为范围从−40 +。这是观察到测量的光学吸收可以作为补充方法在较低温度下提高灵敏度的方法基于排放特性。此外,它已经提出,首次在文学,利用一个参数基于光谱发射频带的宽度,应用,QD-based传感器。
确认
这部分工作是支持西班牙语CICYT-FEDER科研补助金tec2006 - 12170 /麦克风。作者在债务耶稣Arigita他先前的实验为这个项目。