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硫系玻璃抗水腐蚀稳定性和纳米成丝研究
作者: irglass 时间: 2020-12-11 浏览:410 次

        近日,我室硕士生齐倩玉(第一作者)和张培晴副研究员(通讯作者)在Ceramics International期刊上发表了题为“Stability against the aqueous corrosion and nanofilamentation of chalcogenide glass”的论文(ISSN:0272-8842, 2020, 46: 28499-28505, IF=3.450)。

图1 显微镜下玻璃表面水腐蚀前后形貌

       硫系玻璃是一种新型的红外材料,具有宽的透明窗口、高的线性和非线性指数、优良的半导体性能和高的光敏性,被广泛应用于红外光学传感器、低损耗光纤和红外光纤激光器。硫系光纤以其优良的中红外传输特性,在传感领域得到了广泛的应用。但是这些基于硫系光纤的传感器大多直接暴露在潮湿环境中,甚至需要浸入液体中通过生化反应工作。此外,许多基于硫系光纤的传感器需要分布在高温或高pH等恶劣环境中进行监测。

图2 不同腐蚀条件下四种组分硫系玻璃的光学透过谱

       在本工作中,研究了As2S3、As2Se3、Ge33As12Se55和Ge4.3As34.8S60.9四种组分的硫系玻璃在不同腐蚀温度(25、50和90℃)和腐蚀时间(0-120天)下的水腐蚀行为。在25°C下短时间内腐蚀表面没有明显的变化,随着腐蚀温度和腐蚀时间的不断增加,四种硫系玻璃的表面逐渐变得不稳定甚至严重恶化,硒基玻璃表面出现大量降解物质(图1)。测定了四种硫系玻璃在不同腐蚀时间和温度下的透射光谱(图2),As2S3的光透过率损失相对较小;高温加剧了As2Se3和Ge33As12Se55玻璃表面大量砖红色絮状沉淀的形成,从而造成透过率的巨大损失;Ge4.3As34.8S60.9玻璃表面出现了凹坑,其表面粗糙度非常高,因此光传输损耗也较大。

图3 不同放大倍数下絮状物的扫描电镜形态

研究发现,在适当的温度下,Ge33As12Se55和As2Se3玻璃表面的砖红色絮状沉淀将继续聚集并成长为纳米结构。用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面形貌(图3),析出物有茧状、螺旋状、毛虫状和长丝状四种不同的形态。用X射线能谱仪分析了沉淀相的组成,结果表明沉淀产物为纯硒纳米粒子。硒具有低水溶性,并且Sen+12-在水溶液中不稳定,容易聚集形成硒纳米粒子的砖红色胶体悬浮液。硒原子的溶解程度和迁移率将随着温度的升高而增加,这加速了硒纳米粒子的生长。

图4 Ge33As12Se55玻璃表面和沉淀物的拉曼光谱

       进一步测量了Ge33As12Se55玻璃在90°C下的腐蚀表面和沉淀物的近红外拉曼光谱(图4)。腐蚀前后玻璃表面的光谱是一致的,因此腐蚀后玻璃的成分和结构没有变化,只有硒的析出。通过对腐蚀条件的控制,可以制备出由长丝组成的硒纳米线,为硒纳米线的制备提供了一个很好的思路。