碲化铋与石墨烯复合材料的三阶非线性光学性质的研究

发布时间：2020-07-05 01:57

【摘要】：自激光技术问世以来,具有优良非线性光学效应、较大非线性系数和较小光学损耗等性质的非线性光学材料在光通信、光限幅器、光开关、光数据存储等光学器件方面有着重要应用。非线性光学材料分为无机和有机非线性光学材料,目前研究比较热的无机非线性光学材料有碳材料、半导体纳米材料和金属材料等。石墨烯是由二维六角形排列的碳原子组成的蜂窝状结构,是组成其他石墨材料的基本单元,能够通过不同形式的变化成为零维的富勒烯,一维的碳纳米管和三维的石墨。在热、电、机械性能方面,石墨烯具有稳定有序的二维平面结构、高比表面积、超快的电子转移等性能,使石墨烯成为了半导体纳米材料良好的载体。石墨烯的狄拉克锥所具有的零带隙,宽带吸收,可控调制深度、高损伤阈值等优异的性质在材料、能源、环境、医学、生物等领域应用广泛,同时也有许多有趣的非线性光学性质已经被报道。石墨烯的制备方法主要有六种,分为自上而下、自下而上两大类,本文采用化学剥离石墨粉—还原氧化石墨烯的制备方法。主要是由于它具有反应时间短,反应流程简单,实验过程安全性较高,对环境污染较小等特点。除石墨烯之外,另一种二维材料——拓扑绝缘体,由于其具有的独特性质,包括内部绝缘,表面金属态,小带隙结构和反演时间对称自旋轨道结构,也吸引了研究者的极大兴趣和广泛关注。本文主要研究的碲化铋(Bi_2Te_3)纳米颗粒和纳米片与石墨烯复合材料的三阶非线性光学性质,从形貌、结构、光学性质、电荷转移和非线性光学极化率等多个方面着手,详细介绍了第二代拓扑绝缘体——碲化铋所具有的强光光折变性质。分别探讨了碲化铋纳米颗粒与石墨烯片的协同增强机理,和碲化铋纳米片与石墨烯片两种层级结构的复合材料相互作用过程,并归纳总结了反应时间、反应浓度、实验材料和样品形貌对实验最终结果的影响。最后对两种实验进行了合理比较,提出了碲化铋纳米颗粒更有利于复合材料非线性光学性质的改善和提高。本文总共四章,第一章绪论主要对研究的拓扑绝缘体Bi_2Te_3、氧化石墨烯、石墨烯的基本性质和发展概况做了阐述,并介绍了三阶非线性光学理论、测量方法和计算方法;第二章制备了氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(RGO)、Bi_2Te_3纳米颗粒、graphene/Bi_2Te_3纳米颗粒复合材料,并对样品进行表征,分析其三阶非线性光学特性;第三章制备了Bi_2Te_3纳米片以及与石墨烯的复合物,并采用Z-扫描技术研究了材料的三阶非线性光学特性;第四章是总结与展望。本论文的主要工作内容有:第一、graphene/Bi_2Te_3纳米颗粒复合材料的三阶非线性光学性质研究。首先采用改进后的Hummers法在酸性环境下制备纯度较高的氧化石墨烯,同时用水合肼还原氧化石墨烯并制备纯Bi_2Te_3纳米颗粒,并用一步合成法制备graphene/Bi_2Te_3纳米颗粒复合材料,并通过控制反应时间得到不同的样品。用透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱、傅里叶红外光谱等对样品材料进行一系列的表征。用波长532 nm皮秒激光器对样品的非线性光学性质进行测试和分析。结果显示,石墨烯、Bi_2Te_3纳米颗粒和graphene/Bi_2Te_3纳米颗粒都具有很好非线性光学特性且都呈现饱和吸收和自聚焦性质,复合材料随着反应时间的增加,折射率先增大后减小,三阶非线性极化率随之改变。经过研究,增强来源于碲化铋纳米颗粒和石墨烯复合后产生的协同效应和小尺寸的碲化铋纳米颗粒在石墨烯片上满足的局域场效应,而减弱可能是由于过量的碲化铋纳米颗粒从石墨烯片上脱落,阻碍了电荷的有效传输,影响复合材料的非线性光学性能。第二、graphene/Bi_2Te_3纳米片复合材料的三阶非线性光学性质研究。首先采用水浴加热法制备了六角晶格的Bi_2Te_3纳米片和掺杂氧化石墨烯的graphene/Bi_2Te_3复合物,由透射电子显微镜可以清楚地看到对于聚集的碲化铋纳米片分散性的改善,随反应时间的增加,观察到六角星形碲化铋纳米片平均直径增加,厚度增大,尺寸增大,这一生长情况与大多数纳米材料结晶特征相似。我们测试了X射线衍射光谱、傅立叶红外光谱、拉曼光谱和紫外可见吸收光谱等,对碲化铋/石墨烯复合材料的结构、性质进行了表征。由Nd-YAG锁模脉冲激光器的Z-扫描测量结果来看,复合物的三阶非线性极化率对比纯的石墨烯与碲化铋均无大的改变,纳米片状碲化铋与石墨烯通过近似线状结合,相比较纳米颗粒与石墨烯片层之间产生的紧密相互联结,片状接触共轭作用有限。但反应24 h后,碲化铋纳米片与石墨烯复合物的三阶非线性极化率超过了纯的碲化铋,表明结晶度越高,晶型越完整的碲化铋纳米片与石墨烯间的协同效应越强。同时,我们给出了碲化铋纳米片在石墨烯薄层上可能的生长过程和机制,得到复合材料具有饱和吸收和自聚焦的性质,结果展现了此复合材料会在饱和吸收体和锁模脉冲激光器中具有潜在的应用价值。第三、对本论文的工作总结和今后工作的展望。并指出了今后有待解决的问题和基本思路。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O437
【图文】：

扫描装置,非线性折射

空间相位的调制对应非线性折射，但是空间相位通过相位信息的改变，间接反映到振幅上，从而通过计技术的基本原理的测试原理图如图 1-1 所示，光强为 I 的激光（高斯光将反射光作为参考光用探测器 D1接收，透射光则作为测试光用探测器 D2接收，D2/D1即为 Z-扫描归一化的光阑，开孔的大小对测试结果有重要的影响：小孔全动到+Z，D2接收全部的光，样品非线性折射的影响可线如图 1-2（a），从而计算出样品的非线性吸收系数品沿光路方向从-Z 移动到+Z 的过程中，D2接收部分的图 1-2（b），从而计算出非线性折射系数。

曲线,Z-扫描,非线性介质,闭孔

第一章绪论若样品此时标准透过率增大，则此时吸收光子数减小，样品吸收达到饱和态，可得到线性吸收系数小于 0。当 Z-扫描曲线开孔表示为谷，样品具有反饱和吸收的性质，由深和介质吸收光子带隙能量可判断具有单光子吸收、双光子吸收或多光子吸收的性质具体为：介质在从-Z 到+Z 的移动过程中，若此时标准透过率减小，则吸收光子数增多样品吸收具有不饱和态，可得到非线性吸收系数大于 0。

【参考文献】