【摘要】：自激光技術(shù)問世以來,具有優(yōu)良非線性光學(xué)效應(yīng)、較大非線性系數(shù)和較小光學(xué)損耗等性質(zhì)的非線性光學(xué)材料在光通信、光限幅器、光開關(guān)、光數(shù)據(jù)存儲等光學(xué)器件方面有著重要應(yīng)用。非線性光學(xué)材料分為無機(jī)和有機(jī)非線性光學(xué)材料,目前研究比較熱的無機(jī)非線性光學(xué)材料有碳材料、半導(dǎo)體納米材料和金屬材料等。石墨烯是由二維六角形排列的碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu),是組成其他石墨材料的基本單元,能夠通過不同形式的變化成為零維的富勒烯,一維的碳納米管和三維的石墨。在熱、電、機(jī)械性能方面,石墨烯具有穩(wěn)定有序的二維平面結(jié)構(gòu)、高比表面積、超快的電子轉(zhuǎn)移等性能,使石墨烯成為了半導(dǎo)體納米材料良好的載體。石墨烯的狄拉克錐所具有的零帶隙,寬帶吸收,可控調(diào)制深度、高損傷閾值等優(yōu)異的性質(zhì)在材料、能源、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,同時也有許多有趣的非線性光學(xué)性質(zhì)已經(jīng)被報道。石墨烯的制備方法主要有六種,分為自上而下、自下而上兩大類,本文采用化學(xué)剝離石墨粉—還原氧化石墨烯的制備方法。主要是由于它具有反應(yīng)時間短,反應(yīng)流程簡單,實(shí)驗(yàn)過程安全性較高,對環(huán)境污染較小等特點(diǎn)。除石墨烯之外,另一種二維材料——拓?fù)浣^緣體,由于其具有的獨(dú)特性質(zhì),包括內(nèi)部絕緣,表面金屬態(tài),小帶隙結(jié)構(gòu)和反演時間對稱自旋軌道結(jié)構(gòu),也吸引了研究者的極大興趣和廣泛關(guān)注。本文主要研究的碲化鉍(Bi_2Te_3)納米顆粒和納米片與石墨烯復(fù)合材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì),從形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電荷轉(zhuǎn)移和非線性光學(xué)極化率等多個方面著手,詳細(xì)介紹了第二代拓?fù)浣^緣體——碲化鉍所具有的強(qiáng)光光折變性質(zhì)。分別探討了碲化鉍納米顆粒與石墨烯片的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)理,和碲化鉍納米片與石墨烯片兩種層級結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料相互作用過程,并歸納總結(jié)了反應(yīng)時間、反應(yīng)濃度、實(shí)驗(yàn)材料和樣品形貌對實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果的影響。最后對兩種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了合理比較,提出了碲化鉍納米顆粒更有利于復(fù)合材料非線性光學(xué)性質(zhì)的改善和提高。本文總共四章,第一章緒論主要對研究的拓?fù)浣^緣體Bi_2Te_3、氧化石墨烯、石墨烯的基本性質(zhì)和發(fā)展概況做了闡述,并介紹了三階非線性光學(xué)理論、測量方法和計算方法;第二章制備了氧化石墨烯(GO)、還原氧化石墨烯(RGO)、Bi_2Te_3納米顆粒、graphene/Bi_2Te_3納米顆粒復(fù)合材料,并對樣品進(jìn)行表征,分析其三階非線性光學(xué)特性;第三章制備了Bi_2Te_3納米片以及與石墨烯的復(fù)合物,并采用Z-掃描技術(shù)研究了材料的三階非線性光學(xué)特性;第四章是總結(jié)與展望。本論文的主要工作內(nèi)容有:第一、graphene/Bi_2Te_3納米顆粒復(fù)合材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì)研究。首先采用改進(jìn)后的Hummers法在酸性環(huán)境下制備純度較高的氧化石墨烯,同時用水合肼還原氧化石墨烯并制備純Bi_2Te_3納米顆粒,并用一步合成法制備graphene/Bi_2Te_3納米顆粒復(fù)合材料,并通過控制反應(yīng)時間得到不同的樣品。用透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜、傅里葉紅外光譜等對樣品材料進(jìn)行一系列的表征。用波長532 nm皮秒激光器對樣品的非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試和分析。結(jié)果顯示,石墨烯、Bi_2Te_3納米顆粒和graphene/Bi_2Te_3納米顆粒都具有很好非線性光學(xué)特性且都呈現(xiàn)飽和吸收和自聚焦性質(zhì),復(fù)合材料隨著反應(yīng)時間的增加,折射率先增大后減小,三階非線性極化率隨之改變。經(jīng)過研究,增強(qiáng)來源于碲化鉍納米顆粒和石墨烯復(fù)合后產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)和小尺寸的碲化鉍納米顆粒在石墨烯片上滿足的局域場效應(yīng),而減弱可能是由于過量的碲化鉍納米顆粒從石墨烯片上脫落,阻礙了電荷的有效傳輸,影響復(fù)合材料的非線性光學(xué)性能。第二、graphene/Bi_2Te_3納米片復(fù)合材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì)研究。首先采用水浴加熱法制備了六角晶格的Bi_2Te_3納米片和摻雜氧化石墨烯的graphene/Bi_2Te_3復(fù)合物,由透射電子顯微鏡可以清楚地看到對于聚集的碲化鉍納米片分散性的改善,隨反應(yīng)時間的增加,觀察到六角星形碲化鉍納米片平均直徑增加,厚度增大,尺寸增大,這一生長情況與大多數(shù)納米材料結(jié)晶特征相似。我們測試了X射線衍射光譜、傅立葉紅外光譜、拉曼光譜和紫外可見吸收光譜等,對碲化鉍/石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進(jìn)行了表征。由Nd-YAG鎖模脈沖激光器的Z-掃描測量結(jié)果來看,復(fù)合物的三階非線性極化率對比純的石墨烯與碲化鉍均無大的改變,納米片狀碲化鉍與石墨烯通過近似線狀結(jié)合,相比較納米顆粒與石墨烯片層之間產(chǎn)生的緊密相互聯(lián)結(jié),片狀接觸共軛作用有限。但反應(yīng)24 h后,碲化鉍納米片與石墨烯復(fù)合物的三階非線性極化率超過了純的碲化鉍,表明結(jié)晶度越高,晶型越完整的碲化鉍納米片與石墨烯間的協(xié)同效應(yīng)越強(qiáng)。同時,我們給出了碲化鉍納米片在石墨烯薄層上可能的生長過程和機(jī)制,得到復(fù)合材料具有飽和吸收和自聚焦的性質(zhì),結(jié)果展現(xiàn)了此復(fù)合材料會在飽和吸收體和鎖模脈沖激光器中具有潛在的應(yīng)用價值。第三、對本論文的工作總結(jié)和今后工作的展望。并指出了今后有待解決的問題和基本思路。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O437
【圖文】：

空間相位的調(diào)制對應(yīng)非線性折射，但是空間相位通過相位信息的改變，間接反映到振幅上，從而通過計技術(shù)的基本原理的測試原理圖如圖 1-1 所示，光強(qiáng)為 I 的激光（高斯光將反射光作為參考光用探測器 D1接收，透射光則作為測試光用探測器 D2接收，D2/D1即為 Z-掃描歸一化的光闌，開孔的大小對測試結(jié)果有重要的影響：小孔全動到+Z，D2接收全部的光，樣品非線性折射的影響可線如圖 1-2（a），從而計算出樣品的非線性吸收系數(shù)品沿光路方向從-Z 移動到+Z 的過程中，D2接收部分的圖 1-2（b），從而計算出非線性折射系數(shù)。

第一章 緒論若樣品此時標(biāo)準(zhǔn)透過率增大，則此時吸收光子數(shù)減小，樣品吸收達(dá)到飽和態(tài)，可得到線性吸收系數(shù)小于 0。當(dāng) Z-掃描曲線開孔表示為谷，樣品具有反飽和吸收的性質(zhì)，由深和介質(zhì)吸收光子帶隙能量可判斷具有單光子吸收、雙光子吸收或多光子吸收的性質(zhì)具體為：介質(zhì)在從-Z 到+Z 的移動過程中，若此時標(biāo)準(zhǔn)透過率減小，則吸收光子數(shù)增多樣品吸收具有不飽和態(tài)，可得到非線性吸收系數(shù)大于 0。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2741912