碳纳米复合材料的三阶非线性光学性质研究

发布时间：2018-04-10 08:08

本文选题：三阶非线性光学性质　切入点：复合材料　出处：《河南大学》2015年硕士论文

【摘要】：在光电领域,需要研发各种光电器件如光存储器,光限制器,全光开关,光波导等,而这类器件的研制都运用了材料的非线性光学性质。因此,寻找具有较强非线性效应的光学材料,一直是人们所关注的热点课题。目前,人们主要研究的有:无机非线性材料、有机非线性材料、高分子材料,半导体材料等等。其中,碳纳米管以其独特的一维π电子结构和强的非线性响应特性得到了科研工作者们广泛的关注。纳米量级下的贵金属颗粒由于小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等的影响,会表现出不同于其体相材料的非线性响应。通过静电吸附作用或共价键结合的形式,可以实现贵金属纳米颗粒与碳纳米管的复合。而复合材料并没有改变材料自身的结构且具有两种材料的共同的优异性质,修饰后的复合材料相比于单独的材料,其非线性折射率会明显增大。本论文分为四章:第一章绪论首先介绍了非线性光学产生的现象及响应机理。然后介绍了碳纳米管的结构性质及其改性修饰。最后介绍了贵金属纳米材料的三阶非线性光学性质的研究进展。第二章主要介绍了三阶非线性特性的测量方法-单光束Z扫描技术,给出了Z扫描曲线的详细计算过程。第三章的主要工作是制备了不同粒径的金纳米颗粒,初步讨论了小粒径的金纳米颗粒的三阶非线性光学性质。第四章的主要工作是制备了金/多壁碳纳米管复合材料,讨论了复合材料的三阶非线性光学性质。本论文的主要工作有:第一:运用单步还原法制备了不同粒径的金纳米颗粒,SEM图显示颗粒大小为(25nm,40 nm,55 nm)粒径分布较为均匀。使用两步还原法制备出尺寸在6 nm左右的金纳米颗粒。用紫外可见吸收光谱仪测量了300-800 nm范围内的不同粒径的金纳米颗粒的线性吸收特性。结果发现,随着还原剂用量的增大,对应的吸收峰出现蓝移现象,金纳米颗粒的尺寸越小。将不同粒径的金纳米颗粒修饰到碳纳米管表面,使用透射电子显微镜(TEM)对样品进行表征。结果发现,尺寸在6 nm左右的金纳米颗粒对碳纳米管的复合效果最好。使用皮秒Z扫描技术测量尺寸为6 nm的金纳米颗粒的三阶非线性光学性质,其三阶非线性系数为γ=3.78×10-19 m2/W,非线性吸收系数β=1.32×10-11 m/W,并对金纳米颗粒的非线性响应机理进行了简单的讨论。第二:使用混酸处理多壁碳纳米管,对碳纳米管进行纯化并增强其表面活性,改善了碳纳米管的分散性。利用化学吸附的方法,制备了金/多壁碳纳米管复合材料,用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外可见光谱仪(UV-Vis)对复合材料进行表征。TEM结果显示金纳米颗粒平均粒径为6 nm,且均匀分散在碳纳米管表面。XRD衍射图对复合材料的结构特性分析与TEM结果相一致。在脉冲宽度为30 ps、波长为532 nm的激光光源激发下,运用Z扫描技术分别探究了金/多壁碳纳米管复合材料和多壁碳纳米管的三阶非线性光学性质。实验结果表明:金/多壁碳纳米管复合材料呈现正的非线性折射效应和饱和吸收性质,其三阶非线性极化率χ(3)为1.89×10-12 esu,比多壁碳纳米管高2.6倍。Au/MWCNTs复合材料的非线性吸收系数β=-6.3×10-11 m/W比MWCNTs的非线性吸收系数β=-2.89×10-11 m/W大2倍。结果表明,该复合材料在非线性光学器件的研发上具有潜在的应用价值。该部分工作将在《光子学报》发表。最后,对研究生期间的工作进行了总结,并对下一步的实验做了安排与展望。
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【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TB383.1

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