碳結(jié)構(gòu)及其雜化材料的光學(xué)非線性研究.pdf

1、碳結(jié)構(gòu)材料具有豐富的結(jié)構(gòu)形式，除了三維的金剛石和石墨，還有零維的富勒烯和一維的碳納米管。2004年二維石墨烯的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步完善了碳結(jié)構(gòu)材料從零維到三維的維度結(jié)構(gòu)體系。本論文對(duì)幾種碳結(jié)構(gòu)材料：碳納米管、氧化石墨烯以及它們各自的雜化材料的光學(xué)非線性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為了更好地研究它們的光物理過程以及非線性機(jī)制，我們采用納秒、皮秒、飛秒三種不同時(shí)域的脈沖激光，對(duì)它們進(jìn)行了測試和分析。在雜化材料的研究中，我們將雜化材料與單一組分的材料以及參考材

2、料進(jìn)行了對(duì)比。本論文的主要內(nèi)容如下：
　　 1．研究了羥基化多壁碳納米管懸浮液的光學(xué)非線性。為了得到其光學(xué)非線性的優(yōu)化條件，我們研究了溶劑、脈沖寬度、入射能流密度、懸浮液濃度、碳納米管直徑等因素對(duì)羥基化多壁碳納米管懸浮液光學(xué)非線性的影響，結(jié)果表明羥基化多壁碳納米管在DMF和水中有較好的分散性，’其懸浮液的光學(xué)非線性主要來源于非線性散射；表面張力較低的溶劑、較長的脈沖寬度、較高的入射能流密度、優(yōu)化的懸浮液濃度、均可引起較強(qiáng)的光學(xué)非

3、線性。通過與未經(jīng)羥基修飾的碳納米管相比，我們發(fā)現(xiàn)羥基化可以使得碳納米管在普通溶劑中分散性提高，而對(duì)非線性幾乎沒有影響。另外，羥基化多壁碳納米管自身直徑對(duì)懸浮液的光學(xué)非線性沒有顯著的影響。
　　 2．研究了卟啉共價(jià)修飾的系列多壁碳納米管雜化材料（多壁碳納米管-卟啉），發(fā)現(xiàn)這種雜化材料具有較大的光學(xué)非線性，并且相對(duì)于純的多壁碳納米管具有更強(qiáng)的脈沖寬度依賴性。這種雜化材料的非線性來源于多壁碳納米管的非線性散射和卟啉的反飽和吸收。而卟啉

4、和多壁碳納米管之間的光致電子轉(zhuǎn)移對(duì)雜化材料體系的光學(xué)非線性也有較大貢獻(xiàn)。此外，我們制備了多壁碳納米管-卟啉/PMMA固態(tài)復(fù)合非線性材料。在固態(tài)的PMMA中，多壁碳納米管一卟啉仍然表現(xiàn)出了較好的光學(xué)非線性與光限制性能。雖然，相對(duì)懸浮液體系固態(tài)材料的光學(xué)非線性有些減弱。但是其穩(wěn)定性、可長期保存性大大增強(qiáng)。
　　 3．研究了新型的碳結(jié)構(gòu)非線性材料一氧化石墨烯。發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯在納秒、皮秒、飛秒三種不同時(shí)域的脈沖下均表現(xiàn)出了相似的開孔Z掃

5、描曲線，即入射光強(qiáng)相對(duì)較弱時(shí)出現(xiàn)飽和吸收、光強(qiáng)增大后出現(xiàn)類似于反飽和吸收的行為特征。在較短的皮秒、飛秒脈沖下，類似反飽和吸收的特性來源于雙光子吸收過程，而對(duì)于納秒脈沖，類似反飽和吸收的特性來源于雙光子吸收、激發(fā)態(tài)吸收和非線性散射的共同作用。我們對(duì)氧化石墨烯的非線性折射特性也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在納秒脈沖下，氧化石墨烯懸浮液具有較強(qiáng)的熱光非線性效應(yīng)，而在皮秒及飛秒脈沖下，氧化石墨烯自身表現(xiàn)出一定的非線性折射。利用泵浦一探測技術(shù)，我們還研究了氧

6、化石墨烯的載流子動(dòng)力學(xué)特性。
　　 4．研究了氧化石墨烯雜化材料的光學(xué)非線性，發(fā)現(xiàn)卟啉、富勒烯和寡聚噻吩等有機(jī)分子共價(jià)修飾的氧化石墨烯雜化材料有著比單一的卟啉、富勒烯、寡聚噻吩、氧化石墨烯以及參考材料C60等單一組分更大的光學(xué)非線性，而且共價(jià)修飾的氧化石墨烯的光學(xué)非線性大于它們母體材料的物理共混體系。氧化石墨烯由無機(jī)的磁性納米顆粒Fe304通過配位鍵修飾后非線性散射和非線性折射均有較大的提高。通過與不同濃度的C60甲苯溶液光限制