氧化石墨烯及其復(fù)合物的三階非線性光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，誕生了許多新的學(xué)科，非線性光學(xué)就是其中非常重要的一門(mén)學(xué)科。非線性光學(xué)及非線性光學(xué)材料在激光技術(shù)、光電子技術(shù)、光化學(xué)、光限幅、光開(kāi)關(guān)、光計(jì)算及通訊技術(shù)等領(lǐng)域都有著非常重大的影響。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，非線性光學(xué)材料的性能指標(biāo)已漸漸無(wú)法滿(mǎn)足人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的要求，因此，探究新的非線性光學(xué)材料并提高非線性光學(xué)材料的性能成了科研工作者們研究的重要方向。
　　半導(dǎo)體納米材料常為人們所津津樂(lè)道

2、的就是其特殊的能帶結(jié)構(gòu)以及在光、電性能方面所表現(xiàn)出的突出的優(yōu)越性，這使得半導(dǎo)體納米材料在特殊材料功能化及器件等相關(guān)領(lǐng)域所蘊(yùn)含的應(yīng)用價(jià)值不可估量。由于材料的尺寸一般情況下為幾個(gè)納米，往往小于材料本身的激子波爾半徑，所以量子限域效應(yīng)很顯著，從而導(dǎo)致了半導(dǎo)體納米復(fù)合材料易團(tuán)聚，穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。
　　石墨烯是一種只含有晶格結(jié)構(gòu)呈六邊形的碳原子且只有一個(gè)碳原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，在能源材料、生物醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等眾多領(lǐng)域備受關(guān)注，這完全依賴(lài)于其

3、穩(wěn)定有序的平面結(jié)構(gòu)、超快的電子遷移、傳導(dǎo)能力及優(yōu)異的熱、電、機(jī)械性能、高比表面積等性能，因此石墨烯也成為了半導(dǎo)體納米材料良好的載體。半導(dǎo)體納米量子點(diǎn)與石墨烯以共價(jià)連接后，不但可以有效解決半導(dǎo)體納米材料易團(tuán)聚的問(wèn)題，而且在協(xié)同效應(yīng)的作用下可以使復(fù)合材料的性能大大的提高。石墨烯在酸性條件下容易被氧化劑氧化，而氧化過(guò)程也可以看作是石墨烯被含氧基團(tuán)修飾的過(guò)程。氧化石墨烯上的含氧基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量較多，正因如此，才使得石墨烯在氧化前與氧化后的結(jié)構(gòu)上

4、存在很大的差異，這導(dǎo)致二者的性質(zhì)迥然相異。因此，探究結(jié)構(gòu)變化對(duì)氧化石墨烯以及石墨烯性質(zhì)的影響具有重大的意義。
　　本論文的主要工作內(nèi)容有：
　　第一，氧化石墨烯非線性光學(xué)性質(zhì)研究。利用化學(xué)手段制備含氧量較高的氧化石墨烯，然后使用還原劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，通過(guò)控制加入還原劑的量制備出了含氧基團(tuán)含量不同的不同還原程度氧化石墨烯。用紫外-可見(jiàn)光譜、拉曼光譜、傅里葉紅外光譜、X射線衍射等對(duì)樣品材料進(jìn)行一系列的表征。運(yùn)用皮秒Z-掃描

5、技術(shù)（激光波長(zhǎng)532 nm、脈沖寬度30 ps、頻率10 Hz）對(duì)樣品的非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試和分析，取得了創(chuàng)新性結(jié)果。結(jié)果顯示，氧化石墨烯具有很好的雙光子吸收特性，但隨著還原程度的增加，雙光子吸收逐漸減弱而飽和吸收逐漸增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析，認(rèn)為這主要?dú)w因于在還原劑作用下，氧化石墨烯中的sp3簇向sp2結(jié)構(gòu)域逐漸轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，那么電子躍遷方式也隨之變化，從而導(dǎo)致非線性吸收特性逐漸轉(zhuǎn)變。另外還發(fā)現(xiàn)

6、，在較大光強(qiáng)作用下，氧化石墨烯及不同還原程度氧化石墨烯均有反飽和吸收的現(xiàn)象出現(xiàn)，這與激發(fā)態(tài)上的激發(fā)態(tài)吸收有關(guān)。
　　第二，硫化鎘量子點(diǎn)與石墨烯復(fù)合材料的三階非線性研究。將硫化鎘納米量子點(diǎn)與石墨烯以共價(jià)連接的方式進(jìn)行復(fù)合，并使用X射線衍射、拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜、紫外-可見(jiàn)吸收光譜以及透射電子顯微鏡等對(duì)其結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行表征，結(jié)果顯示材料具有很好的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)尺寸在7.0 nm左右，量子點(diǎn)與石墨烯之間存在良好的電子傳輸。最

7、后，在皮秒激光器下對(duì)其三階非線性光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果顯示，以共價(jià)方式連接的G/CdS復(fù)合材料的光學(xué)非線性明顯增強(qiáng)且結(jié)構(gòu)缺陷明顯增加。光學(xué)非線性的增強(qiáng)源于 CdS納米晶和石墨烯之間局部電場(chǎng)中的電荷轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，而G/CdS雜化結(jié)構(gòu)中的非輻射缺陷的增加是材料非線性光學(xué)的增加通常保持在同一量級(jí)內(nèi)的主要原因。另外，發(fā)現(xiàn)G/CdS的協(xié)同極化率在4.3 GW/cm2至8.1 GW/cm2的強(qiáng)度范圍內(nèi)的增加速度較快，超出這個(gè)范圍以后