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工藝；對兩個爆轟納米金剛石（DND）晶種植入介質(zhì)進行浸漬涂附處理從而進行玻璃預處理也做了研究。為實現(xiàn)晶種植入的目標，實驗采用乙醇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SEM圖像的數(shù)值分析，對工藝結(jié)果進行驗證。利用微拉曼光譜對金剛石分子結(jié)構(gòu)進行研究；利用橢圓偏振光譜對VIS-NIR波長范圍內(nèi)的納米金剛石標準樣品進行厚度、粗糙度和光學特性分析；對不同沉積參數(shù)下光纖端面的光折射進行分析研究；論文提出的晶種植入方法還可以應用光纖傳感器的制造。金剛石卓越的耐化學性和機械阻力使得金剛石薄膜在光學傳感技術(shù)方面有著十分廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：熔融石英光纖,金剛石
1、引言
       光學纖維廣泛應用于傳感設(shè)備的制造。溫度、壓力和位移等物理參數(shù)的測量都可以利用光纖傳感器來獲得。
       用于電信系統(tǒng)的光纖通常會鍍附上一層聚酯涂層以保護纖維免受外界機械磨損和惡劣環(huán)境的侵蝕；但這種涂層的保護作用對于一些酸物質(zhì)則不起作用。碳層是一種常見的電子設(shè)備保護涂層。金剛石薄膜則集合了諸多綜合性的特性，使其廣泛應用于傳感設(shè)備，如在較大的波長范圍內(nèi)的光學透明度、化學穩(wěn)定性、高熱導率和生物相容性。金剛石薄膜能夠保護光纖免受機械磨損和化學侵蝕性環(huán)境；此外，金剛石薄膜的光學折射率高，可以用來增強光學纖維設(shè)備的傳感性能。
       晶種植入對不同襯底上金剛石薄膜生長的影響很大，也是一個重要的參數(shù)，可以通過多種實驗方法求得。常見的方法是利用金剛石研磨漿進行超聲處理、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。晶種植入效率低對金剛石薄膜質(zhì)量性能會產(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。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用光纖端面上的鍍氮金剛石薄膜。本研究之前做的實驗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驗方法，該方法不會對光纖造成任何損害。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懸浮進行光學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到最高，顆粒直徑為4-5nm。鑒于光纖的圓柱形狀，實驗采用浸漬涂附的方法來替代傳統(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的CVD金剛石薄膜。
       實驗利用光纖上沉積出的金剛石薄膜試樣用于光傳輸測量，測試CVD金剛石生長的成核工藝是否影響光纖的波導性能。研究發(fā)現(xiàn)襯底溫度對金剛石薄膜合成工藝的影響很大，熱解反應的動力學機制對表面生長也有影響。實驗采用微波等離子體輔助化學氣相沉積法（MW PA CVD）；利用掃描電子顯微鏡（SEM）對納米金剛石薄膜形態(tài)進行分析研究；采用微拉曼光譜監(jiān)測分子結(jié)構(gòu)；利用橢圓偏光儀（SE）對薄膜生長速率、薄膜厚度和VIS-NIR波長內(nèi)的光學性能（折射率、衰減系數(shù)）進行估測。
2、實驗
2.1、浸漬涂附晶種植入
       為研究浸漬涂附晶種植入對金剛石薄膜的影響，實驗準備了一根被剝?nèi)ネ鈱油繉拥膯文９饫w（康寧SMF28，包層直徑125μm，長度5cm）。實驗所用光纖由熔融石英覆層（高性能無定形SiO2）和鍍鍺熔融石英芯（直徑8.2μm）制成。精準樣品為P型（100）硅晶片。將光纖和硅晶片放入丙酮進行超聲清洗5分鐘，接著在2異丙醇中進行漂洗，最后進行氮氣吹干。
       在1300W功率的微波H2等離子體中對光纖進行氫化處理，時間30分鐘。在此期間氣體總流量為300sccm，壓力保持在50Torr。氫化處理會去除掉影響金剛石薄膜生長的聚酰亞胺。在晶種植入過程中將光纖進入懸浮液兩次，時間為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5%w/w的DMSO懸浮液進行稀釋即可。為得到0.3g/l的濃度，6ml的DMSO需要1l的乙醇進行稀釋。
       通過自動浸漬涂附機制實現(xiàn)晶種植入工藝的可重復性。利用同樣的實驗步驟對基準式樣硅晶片進行旋轉(zhuǎn)涂附。每一個試樣的沉積參數(shù)如下表所示：