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含铋量子点玻璃三阶非线性性光学性质的研究

作　者: 杨昕宇
导　师: 向卫东
学　校: 长春理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: Bi2S3 Bi2O3 金属Bi 量子点钠硼硅玻璃微结构 Z-scan技术
分类号: TQ171.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

量子点玻璃材料在三阶非线性光学领域的优良性能以及在信息和光电子技术产业领域的潜在应用价值使其成为非线性光学材料领域的一个研究热点。目前关于VA-VIA族中各种类型含铋(金属Bi,Bi2O3和Bi2S3)量子点玻璃在三阶非线性光学领域的研究报道还很少。为此,本论文提出以各种类型含铋量子点(金属Bi, Bi2O3和Bi2S3)掺杂钠硼硅玻璃为研究对象,围绕该系列量子点玻璃的制备、微结构表征、以及三阶非线性光学性能的测试这几个方面展开系统的研究。即通过一种简单而有效的制备工艺来实现该系列量子点玻璃的制备,利用各种表征手段对该系列量子点玻璃的微结构进行分析,进而借助Z-scan技术对该系列量子点玻璃的三阶非线性光学性能进行测试,通过所测得的三阶非线性折射率和三阶非线性吸收系数参数来揭示该系列量子点玻璃在非线性光学领域体现出的一些优良特性,为将来进一步探讨这类玻璃材料在非线性光学领域的应用奠定理论基础。针对以上所提出的研究要点,本论文主要的研究工作归纳如下：(1)采用溶胶-凝胶方法结合气氛控制的方式制备了含金属Bi、Bi2O3和Bi2S3量子点钠硼硅玻璃。利用示差扫描量热-热重分析(DSC-TGA)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)等技术对该系列量子点玻璃的制备工艺条件的可行性进行了分析。工艺路线归结为：首先,干凝胶在氧气(02)气氛下从室温以10℃/小时的升温速率升温至450℃C并保温10小时以去除有机物和硝酸铋分解。随后,气凝胶于450℃条件下暴露在干燥的氢气(H2)气氛中10小时以形成金属铋(metallic Bi)单质。最后,该气凝胶在氮气(N2)气氛中从450℃以10℃/小时的升温速率升温至600℃并保温10小时,此时,获得含金属铋(metallic Bi)量子点钠硼硅玻璃。同样地,含氧化铋(Bi2O3)和硫化铋(Bi2S3)量子点钠硼硅玻璃可以通过氢气(H2)、氧气(02)和硫化氢(H2S)气氛之间的转化来获得。即气凝胶于450℃暴露在干燥的氢气(H2)气氛中10小时形成金属铋(metallic Bi)单质后,氢气(H2)气氛被氧气(O2)和硫化氢(H2S)气氛所代替,并在450℃保温10小时以形成氧化铋(Bi2O3)或硫化铋(Bi2S3)量子点。随后,该气凝胶仍然在氮气(N2)气氛中从450℃以10℃/小时的升温速率升温至600℃并保温10小时。最终,获得含氧化铋(Bi203)或硫化铋(Bi2S3)量子点钠硼硅玻璃。(2)重点对含Bi2S3量子点钠硼硅玻璃的微结构和三阶非线性光学性能进行了研究。借助X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)对该玻璃的微结构进行了表征。结果发现,尺寸分布从几个到三十几个纳米,具有规则几何形状和均匀分散性的Bi2S3正交晶系结构的量子点已经在钠硼硅玻璃中形成。这些Bi2S3量子点尺寸小于其玻尔半径,同时,吸收光谱估算的带隙能Eg与Bi2S3体材料相比产生了明显的红移,预示着较强量子限域效应的存在。进一步,借助Z-scan技术对该玻璃在770和800 nnm处的三阶非线性光学参数进行了测试,包括三阶非线性折射率γ、吸收系数β、以及极化率x(3)在内的各项参数的数量级分别达到～10-16m2/W、～10-9-10-8m/W和～10-10esu,表现出了较强的三阶非线性光学性能。量子限域效应、热效应、三阶非线性光吸收效应是影响该玻璃三阶非线性光学性能的几个主要因素。另外,随着激发光强度的增强,该玻璃的三阶非线性吸收存在反饱和吸收向饱和吸收的转化过程。(3)重点对含Bi2O3量子点钠硼硅玻璃的微结构和三阶非线性光学性能进行了研究,X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)的分析表明,Bi2O3的单斜晶相结构量子点已经在钠硼硅玻璃基体中形成,并且所形成的Bi2O3晶体在玻璃基体中具有良好的分散性,其尺寸分布普遍在10nm以内。吸收光谱估算的带隙能乓产生的明显红移现象证明了量子限域效应的存在。Z-scan技术测得该玻璃在800nm处不同激发光强度下的三阶非线性折射率γ、三阶非线性吸收系数β、以及三阶非线性极化率χ(3)的数量级分别达到～10-16 m2/W、～10-9-10-8 m/W和～10-10esu,表现出了优异的三阶非线性光学性能。并且,随着激发光强度的增强,该玻璃中存在由饱和吸收向反饱和吸收的转化过程,这对于该类玻璃在光限幅器等非线性光学领域的应用具有重要的意义。同时,量子限域效应、热效应、三阶非线性光吸收效应的存在是影响该玻璃三阶非线性光学性能主要因素。(4)重点对含金属Bi量子点钠硼硅玻璃的微结构和三阶非线性光学性能进行了研究,X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)的分析表明,尺寸分布从几个到三十几个纳米,具有规则几何形状和均匀分散性的六方晶相结构的金属Bi量子点已经在钠硼硅玻璃中形成。吸收光谱吸收边明显的蓝移现象证明了较强的量子限域效应。Z-scan技术测得该玻璃在800 nm处的三阶非线性折射率γ、三阶非线性吸收系β、以及三阶非线性极化率χ(3)的数量级分别达到～10-17m2/W、～10-9m/W和～10-11esu,表现出了优异的三阶非线性光学性能。量子限域效应、热效应、三阶非线性光吸收效应的存在是影响该玻璃三阶非线性光学性能主要因素。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第1章绪论  14-34
  1.1 量子点的基本概念  14-16
  1.2 量子点的基本性质  16-18
    1.2.1 量子尺寸效应  17
    1.2.2 量子限域效应  17
    1.2.3 表面效应  17-18
    1.2.4 宏观量子隧道效应  18
  1.3 量子点玻璃在非线性光学领域的研究进展  18-31
    1.3.1 ⅠB-ⅦA量子点玻璃  19-20
    1.3.2 ⅡB-ⅥA量子点玻璃  20-24
    1.3.3 ⅢA-ⅤA量子点玻璃  24-25
    1.3.4 ⅣA-ⅥA量子点玻璃  25-27
    1.3.5 贵金属或单质量子点玻璃  27-31
  1.4 本论文的选题意义以及主要研究工作  31-34
第2章溶胶-凝胶法制备含金属铋、氧化铋、硫化铋系列量子点玻璃  34-52
  2.1 引言  34-35
  2.2 实验所采用溶胶-凝胶法的基本原理  35-37
  2.3 实验试剂及仪器  37-39
    2.3.1 实验试剂  37-38
    2.3.2 实验仪器  38
    2.3.3 分析测试仪器及参数  38-39
  2.4 实验部分  39-41
    2.4.1 实验步骤  39-40
    2.4.2 实验工艺流程图  40-41
  2.5 溶胶-凝胶法结合气氛控制制备工艺可行性研究  41-50
    2.5.1 差热-热重(DSC-TGA)分析  42-44
    2.5.2 傅立叶红外光谱(FT-IR)分析  44-46
    2.5.3 X射线光电子能谱(XPS)分析  46-47
    2.5.4 X射线衍射(XRD)分析  47-50
  2.6 本章小节  50-52
第3章 Z-scan技术测试三阶非线性光学性质的理论介绍  52-72
  3.1 引言  52
  3.2 三阶非线性光学效应基本概念简介  52-54
  3.3 Z-scan技术的基本原理  54-57
  3.4 Z-scan技术理论计算推导  57-70
    3.4.1 三阶非线性折射率的Z-scan技术理论计算推导  58-61
    3.4.2 三阶非线性吸收系数β的Z-scan技术理论计算推导  61-63
    3.4.3 各类非线性吸收的产生过程  63-69
    3.4.4 三阶非线性光学材料的性能评价  69-70
  3.5 本章小节  70-72
第4章含Bi_2S_3量子点钠硼硅玻璃表征与三阶非线性光学性质的研究  72-96
  4.1 引言  72-73
  4.2 实验部分  73-74
    4.2.1 Bi_2S_3量子点钠硼硅玻璃的制备  73
    4.2.2 分析表征测试方法及参数  73-74
  4.3 结果与讨论  74-93
    4.3.1 X射线衍射分析(XRD)  74-75
    4.3.2 X射线光电子能谱分析(XPS)  75-77
    4.3.3 透射电子显微镜分析(TEM)  77-80
    4.3.4 吸收光谱分析(Absorption Spectrum)  80-81
    4.3.5 Z-scan技术测试三阶非线性光学性能  81-93
  4.4 本章小节  93-96
第5章含Bi_2O_3量子点钠硼硅玻璃表征与三阶非线性光学性质的研究  96-120
  5.1 引言  96-97
  5.2 实验部分  97-98
    5.2.1 Bi_2O_3量子点钠硼硅玻璃的制备  97-98
    5.2.2 分析表征测试方法及参数  98
  5.3 结果与讨论  98-118
    5.3.1 X射线衍射分析(XRD)  98-100
    5.3.2 X射线光电子能谱分析(XPS)  100-101
    5.3.3 透射电子显微镜分析(TEM)  101-104
    5.3.4 吸收光谱分析(Absorption Spectrum)  104-105
    5.3.5 Z-scan技术测试三阶非线性光学性能  105-118
  5.4 本章小节  118-120
第6章含Bi量子点钠硼硅玻璃微结构与三阶非线性光学性质的研究  120-136
  6.1 引言  120-121
  6.2 实验部分  121-122
    6.2.1 金属Bi量子点钠硼硅玻璃的制备  121
    6.2.2 分析表征测试方法及参数  121-122
  6.3 结果与讨论  122-134
    6.3.1 X射线衍射分析(XRD)  122-123
    6.3.2 X射线光电子能谱分析(XPS)  123
    6.3.3 透射电子显微镜分析(TEM)  123-126
    6.3.4 吸收光谱分析(Absorption Spectrum)  126-127
    6.3.5 Z-scan技术测试三阶非线性光学性能  127-134
  6.4 本章小节  134-136
第7章全文总结与展望  136-140
致谢  140-142
参考文献  142-156
攻读博士学位期间发表的学术论文  156-158
攻读博士学位期间主持或参与的科研项目  158

含铋量子点玻璃三阶非线性性光学性质的研究

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