氧化石墨烯及其復合物的三階非線性光學性質研究.pdf

1、自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，誕生了許多新的學科，非線性光學就是其中非常重要的一門學科。非線性光學及非線性光學材料在激光技術、光電子技術、光化學、光限幅、光開關、光計算及通訊技術等領域都有著非常重大的影響。近年來，隨著光電技術的不斷發展，非線性光學材料的性能指標已漸漸無法滿足人們在實際應用中的要求，因此，探究新的非線性光學材料并提高非線性光學材料的性能成了科研工作者們研究的重要方向。
　　半導體納米材料常為人們所津津樂道

2、的就是其特殊的能帶結構以及在光、電性能方面所表現出的突出的優越性，這使得半導體納米材料在特殊材料功能化及器件等相關領域所蘊含的應用價值不可估量。由于材料的尺寸一般情況下為幾個納米，往往小于材料本身的激子波爾半徑，所以量子限域效應很顯著，從而導致了半導體納米復合材料易團聚，穩定性差等特點。
　　石墨烯是一種只含有晶格結構呈六邊形的碳原子且只有一個碳原子厚度的二維結構，在能源材料、生物醫學、物理、化學等眾多領域備受關注，這完全依賴于其

3、穩定有序的平面結構、超快的電子遷移、傳導能力及優異的熱、電、機械性能、高比表面積等性能，因此石墨烯也成為了半導體納米材料良好的載體。半導體納米量子點與石墨烯以共價連接后，不但可以有效解決半導體納米材料易團聚的問題，而且在協同效應的作用下可以使復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，而氧化過程也可以看作是石墨烯被含氧基團修飾的過程。氧化石墨烯上的含氧基團的種類和數量較多，正因如此，才使得石墨烯在氧化前與氧化后的結構上

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

5、技術（激光波長532 nm、脈沖寬度30 ps、頻率10 Hz）對樣品的非線性光學性質進行測試和分析，取得了創新性結果。結果顯示，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。通過對這一現象進行詳細分析，認為這主要歸因于在還原劑作用下，氧化石墨烯中的sp3簇向sp2結構域逐漸轉化，導致其內部電子結構發生改變，那么電子躍遷方式也隨之變化，從而導致非線性吸收特性逐漸轉變。另外還發現

6、，在較大光強作用下，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象出現，這與激發態上的激發態吸收有關。
　　第二，硫化鎘量子點與石墨烯復合材料的三階非線性研究。將硫化鎘納米量子點與石墨烯以共價連接的方式進行復合，并使用X射線衍射、拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜、紫外-可見吸收光譜以及透射電子顯微鏡等對其結構和尺寸進行表征，結果顯示材料具有很好的閃鋅礦結構，量子點尺寸在7.0 nm左右，量子點與石墨烯之間存在良好的電子傳輸。最

7、后，在皮秒激光器下對其三階非線性光學特性進行了測試和分析。結果顯示，以共價方式連接的G/CdS復合材料的光學非線性明顯增強且結構缺陷明顯增加。光學非線性的增強源于 CdS納米晶和石墨烯之間局部電場中的電荷轉移所產生的協同效應，而G/CdS雜化結構中的非輻射缺陷的增加是材料非線性光學的增加通常保持在同一量級內的主要原因。另外，發現G/CdS的協同極化率在4.3 GW/cm2至8.1 GW/cm2的強度范圍內的增加速度較快，超出這個范圍以后