本发明专利技术公开了一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃，其组分包括:TeO2,GeO2,ZnO,脱硝催化剂废料,Na2O,纳米金刚石。是先通过对纳米金刚石高温退火，获得NV色心，再通过分段熔融法制得。本发明专利技术的复合玻璃NV色心发光强度强，玻璃熔制温度低，玻璃转变温度在341℃～380℃，玻璃的折射率(2.30～2.34)与金刚石的折射率相接近，具有良好的热稳定性能，是一种非常具有前景的高光学质量玻璃；本发明专利技术利用废弃的脱硝催化剂废料增强玻璃的硬度和改善玻璃热稳定性性能，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。
A nano diamond / tellurium germanate composite glass with NV color center luminescence and its preparation method
The invention discloses a nano diamond / tellurium germanate glass with NV color center luminescence, and its components include: TeO2, GeO2, ZnO, denitration catalyst waste, Na2O, nano diamond. First, the NV color center was obtained through high temperature annealing of nano diamond and then obtained by subsection melting method. The invention of the composite glass NV center with strong luminous intensity, the glass melting temperature is low, the glass transition temperature of 341 DEG to 380 DEG C, the refractive index of the glass (2.30 ~ 2.34) is similar to the diamond refractive index, good thermal stability, which is a very promising high quality optical glass; the invention utilizes waste and waste catalyst to enhance the performance of the thermal stability of glass and improve the hardness of glass, the preparation method is simple, short cycle, and the doping of nano diamond concentration, is expected to be applied in quantum communication device and NV center based on high sensitive physical quantity detector, and can realize the integrated application.
【技术实现步骤摘要】
一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃及制备方法
本专利技术涉及一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃及制备方法，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。
技术介绍
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(NitrogenVacancycenter)，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。但是NV色心和器件之间低的耦合效率限制了其应用。目前已报道可将纳米金刚石与特制光学共振腔、金属纳米颗粒等表面等离子体或是与光纤锥结合提高荧光收集效率，但是这些结构需要耗费大量时间与精力制作，对实验室的洁净度要求极高，并且器件的稳定性与制备人员的技术水平密切相关，难以满足光电应用的需求，需要进一步提高NV发光的强度。玻璃是一种具有许多优良性能的材料，在一定温度下具有良好的可塑性。玻璃制备和加工的工艺成熟，玻璃是一种制备工艺简单、成本低，具有良好的透明性，不易磨损的材料。并且玻璃可以制成光纤，光纤已广泛应用于通讯系统、传感探测器、激光器等领域。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，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。而碲酸盐玻璃热稳定性能、机械性能较差，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。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，本专利技术选择脱硝催化剂固体废弃物来合成金刚石碲锗酸盐玻璃复合材料。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。本专利技术所采用的脱硝催化剂废料可直接由电厂提供，是指生产过程中产生的催化效力降低的不合格的脱硝催化剂产品或中间产品，利用脱硝催化剂废料中残存的二氧化钛、三氧化钨、五氧化二钒等，结合使用在纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃制备中，不仅充分利用了现有资源，同时也减少了固体废弃物带来的污染，并有效提高了玻璃的NV发光性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃及其制备方法。将高质量NV色心的制备与碲锗酸盐玻璃的熔制结合在一起，实现复合玻璃的高效简单制备及NV色心发光。对于实现纳米金刚石在量子信息处理、光电子器件和场致发射显示器等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。本专利技术具体的技术解决方案如下：一、一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃：1.以TeO2、GeO2为主要组分，掺杂有纳米金刚石，质量百分比组成包括:TeO2:55～75％,GeO2:3～15％,ZnO:3～10％,脱硝催化剂废料:10～30％,Na2O:0.01～10％,纳米金刚石:0.01～10％。2.所述的纳米金刚石尺寸为50-100nm。二、一种含NV色心的纳米金刚石/碲锗酸盐复合玻璃的制备1.通过对纳米金刚石高温退火，获得NV色心。将纳米金刚石真空封装在石英试管中，放入已升温至750-820℃的高温炉中，加热过程中一直通入高纯氮气，保温2-3小时后，再以150-200℃/小时的速度降温至90-100℃，然后关闭高温炉，降温至室温。2.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。所述的分段熔融法，具体的制备步骤包括：1)将脱硝催化剂废料在120～200℃进行煅烧55～65分钟，研磨后在325目过筛，筛余量小于5％，然后与除纳米金刚石以外的所述组分，研磨均匀形成混合料后，放入黄金坩埚中，并置于750-800℃的硅碳棒电炉中熔制20-30分钟得到熔融的玻璃液，然后以9-11℃/小时的速度降温至410-430℃；2)将步骤1得到的纳米金刚石放入上述玻璃液中，继续熔制10-20分钟得到熔融的玻璃液；3)将玻璃液经均化澄清，然后快速浇注到已预热至350-370℃的模具上，后再放入已升温至360-380℃的马弗炉中，保温2-3小时后，再以9-11℃/小时的速度降温至100-110℃，然后关闭马弗炉，降温至室温。本专利技术的有益效果：1)本专利技术熔制复合玻璃过程中采用了特殊的温度制度和制备工艺，充分保证了玻璃的均匀性及高透明度。GeO2的加入可以提高玻璃的硬度和热稳定性，但是GeO2加入过多，造成熔制温度和玻璃转变温度提高，折射率下降，且如果熔制温度过高，会造成纳米金刚石的氧化，因此氧化锗的加入量需小于15％。脱硝催化剂废料的加入可以有效改善GeO2引起的玻璃转变温度过高的问题，还能增加玻璃热稳定性，同时能够提供具有低Tg而又具有高硬度的玻璃。本专利技术设计的玻璃由于适量GeO2和脱硝催化剂及纳米金刚石的加入，玻璃的维氏硬度提高，约为690-720kgf/mm2。2)该碲锗酸盐玻璃熔制温度低，并且玻璃转变温度＜450℃，温度过高会引起纳米金刚石的氧化；在500-800nm(NV色心的发光范围)透过率高；玻璃的折射率(～2.3)与金刚石的折射率相接近；具有良好的热稳定性能，容易制备获得高光学质量玻璃。3)采用高温退火法制备含NV色心的纳米金刚石，约在600nm-800nm处具有NV发光峰，较不发光的未处理的50-100nm的纳米金刚石有实质性进步。将纳米金刚石掺入碲锗酸盐玻璃中，使得纳米金刚石具有很强的NV发光，较不发光的未掺脱硝催化剂的碲锗酸盐玻璃有实质性进步，较只经过高温退火处理未掺入玻璃的纳米金刚石的NV发光强度提高了约5-10倍。4)本专利技术制备得到的具有强NV发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃，制备方法简便，制备周期短。已有的纳米金刚石复合材料常采用离子注入，或溶液沉积等方式制备，本专利技术与上述方式相比，绿色环保，纳米金刚石与基体稳固结合，并且掺杂纳米金刚石浓度大，为产品化提供较好的前期条件。具体实施方式以下具体实施例对本专利技术作示例性的说明及帮助进一步理解本专利技术，但实施案例具体细节仅是为了说明本专利技术，并不代表本专利技术构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本专利技术总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本专利技术构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本专利技术保护范围。表1：实施例1：一种碲酸盐玻璃；一种碲酸盐玻璃，原料组成如表1中1#所示；具体制备过程如下：按照表1中1#玻璃组成的质量百分比，计算出相应的各组成的重量，并称取各原料组分；将原料研磨均匀形成混合料后，放入黄金坩埚中，并置于800℃的硅碳棒电炉中熔制30分钟得到熔融的玻璃液，然后以11℃/小时的速度降温至430℃；将玻璃液经均化澄清，然后快速浇注到本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃，其特征在于，按质量百分比计，包括如下原料：
【技术特征摘要】
1.一种具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃，其特征在于，按质量百分比计，包括如下原料：2.如权利要求1所述的具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃，其特征在于，所述的纳米金刚石的尺寸为50-100nm。3.如权利要求1所述的具有NV色心发光的纳米金刚石/碲锗酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：①通过对纳米金刚石高温退火，获得NV色心：将纳米金刚石真空封装在石英试管中，放入已升温至750-820℃的高温炉中，加热过程中一直通入高纯氮气，保温2-3小时后，再以150-200℃/小时的速度降温至90-100℃，然后关闭高温炉，降温至室温；②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：...
【专利技术属性】
技术研发人员：田颖，井绪峰，张军杰，刘群获，李兵朋，黄飞飞，李环环，徐时清，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。