金属银、铜纳米线的制备及其光学非线性研究

论文摘要

一维金属纳米材料很好地集合了一维纳米结构材料和金属的特性,在光学、电学、磁学等领域有着不可忽视的潜在应用前景,且一维金属纳米材料的成功制备对于顺利实现纳米尺度功能组件的实用化意义重大。对它的光学非线性、光限幅效应的研究既可以丰富光与物质相互作用的理论知识,探明金属纳米线光学非线性的起源,又能帮助人们发现影响其光限幅性能的因素,进而指导材料的设计、优化、合成。本论文在用一种全新的固态离子学方法制备了金属银、铜纳米线基础上,重点研究了金属银、铜纳米线的光学非线性及银纳米线的光限幅特性。具体内容如下:用固态离子学方法制备了金属银、铜纳米线,并应用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和吸收谱等手段对制备的金属银、铜纳米线的微观形貌、晶体结构及化学成分等进行了分析与表征。从局域场理论和有效介电函数理论出发,推导了椭球形纳米颗粒分散系统的介电特性有效媒质理论,并利用此理论研究了金属纳米线分散系统的有效介电函数,计算了三阶极化率和非线性吸收系数。分析了球形纳米颗粒和金属纳米线光学非线性的溶剂效应。在纳秒、皮秒和飞秒不同激光脉冲激发下,应用Z-scan技术,研究了金属银纳米线悬浮于乙醇中的非线性折射特性。实验结果表明金属银纳米线具有正的非线性折射特性,具有脉宽效应,即随着脉宽从110fs增加到8ns,非线性折射率γ增加,我们分析了银纳米线悬浮于乙醇中的脉宽效应及其产生的原因。将金属银纳米线分别悬浮于去离子水和乙醇中,在波长532nm激光脉冲激发下,研究了其在不同溶剂中的非线性吸收和折射特性。实验发现金属银纳米线悬浮于乙醇中的非线性吸收和折射特性明显好于其悬浮于去离子水的非线性吸收和折射特性,即金属银纳米线具有明显的溶剂效应,用所推导的理论进一步解释了样品的非线性溶剂效应的影响。用Z-scan技术,在波长532nm,脉宽8ns激光脉冲激发下,研究了金属铜纳米线悬浮于去离子水中的光学非线性,并对其光学非线性起源进行了分析。在波长532nm,脉冲宽度30ps,重复频率2Hz的条件下,研究了金属银纳米线悬浮于去离子水中的光限幅特性。并与在波长为532nm,脉冲宽度为7ns,重复频率10Hz的条件下,金属银纳米线悬浮于去离子水中的光限幅特性进行了比较,发现金属银纳米线在皮秒脉冲下的限幅能力好于在纳秒脉冲下的限幅能力,这是因为在不同的能流密度下,形成散射中心的二次散射过程引起的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 金属纳米材料的性质和光学非线性研究现状
• 1.2.1 金属纳米材料的性质
• 1.2.2 金属纳米材料的光学非线性研究综述
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 金属银、铜纳米线的合成及表征
• 2.1 引言
• 2.2 银、铜纳米结构的合成方法
• 2.2.1 气相合成
• 2.2.2 液相合成
• 2.2.3 固相合成
• 2.3 银、铜纳米结构的表征手段
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）结构分析
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4 银、铜纳米结构的制备原理与特点
• 2.4.1 银、铜纳米结构的制备原理
• 2.4.2 制备银、铜纳米结构的快离子导体的选择
• 2.4.3 制备银、铜纳米结构的实验步骤
• 2.4.4 利用快离子导体制备银、铜纳米结构的特点
• 2.5 银、铜纳米线的制备与表征
• 2.5.1 银纳米线的制备与表征
• 2.5.2 铜纳米线的制备与表征
• 2.5.3 银、铜纳米线的线性吸收光谱
• 2.6 本章小结
• 第3章 金属纳米线分散系统的光学非线性理论
• 3.1 引言
• 3.2 有效介电函数理论
• 3.2.1 介质的局域场理论
• 3.2.2 用椭球模型研究有效介质理论
• 3.3 金属纳米线分散系统的三阶光学非线性
• 3.4 本章小结
• 第4章 银纳米线非线性折射的脉宽效应研究
• 4.1 引言
• 4.2 Z-SCAN 测量原理
• 4.3 银纳米线非线性折射的脉宽效应实验研究
• 4.3.1 样品的纳秒和皮秒Z-scan 实验
• 4.3.2 样品的飞秒Z-scan 实验
• 4.4 热透镜效应分析
• 4.5 银纳米线非线性折射的脉宽效应分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 银纳米线光学非线性的溶剂效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品及实验
• 5.2.2 实验的结果
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 非线性吸收实验结果分析
• 5.3.2 非线性折射实验结果分析
• 5.4 银纳米线光学非线性的溶剂效应研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 铜纳米线的光学非线性研究
• 6.1 引言
• 6.2 铜纳米线的纳秒Z-SCAN 实验
• 6.2.1 实验样品及装置
• 6.2.2 实验的结果
• 6.3 实验结果分析
• 6.3.1 开孔Z-scan 实验的结果分析
• 6.3.2 闭孔Z-scan 实验的结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 银纳米线光限幅效应实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 光限幅参数
• 7.3 光限幅机理
• 7.3.1 自散焦（或自聚焦）
• 7.3.2 非线性散射
• 7.3.3 非线性反射
• 7.3.4 非线性吸收
• 7.4 金属纳米材料光限幅研究综述
• 7.5 银纳米线光限幅实验及结果分析
• 7.5.1 实验样品及装置
• 7.5.2 实验的结果
• 7.5.3 实验结果的分析
• 7.6 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 主要创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文
• 攻读博士学位期间科研项目
• 详细摘要