碳纳米管光学性质的研究

论文摘要

纳米材料被誉为是21世纪的重要材料,碳纳米管在纳米材料中最富有代表性,是性能最优异的材料。碳纳米管是一种具有柱形外表的一维量子线。目前国内外对于碳纳米管的光学性能与能带结构之间的关系进行了较为深入的研究。碳纳米管表现出强烈的光学各向异性,尤其在紫外辐射方面可以成为传统的价格昂贵的紫外偏振器的替代品;碳纳米管有很强的非线性光学性质,三次非线性光学效应使其可以做性能优异的光限幅器和高速的全光学开关;碳纳米管对红外辐射异常敏感,可以制作灵敏度很高的红外探测器;碳纳米管灯丝具有电致发光和光致发光性能,其发光光效高而且电阻相对恒定、结构比较稳定;碳纳米管天线可进行能量转换、光波传输。本文介绍了碳纳米管的制备方法和生长机制,论述了化学气相沉积法制备碳纳米管的影响因素;讨论了碳纳米管的电子结构以及单壁碳纳米管金属性和半导体性与手性的关系;采用半经典理论(光波看作经典的、由麦克斯韦方程描述的电磁波场,介质原子看作用薛定谔方程描述的量子力学系统)讨论了偏振光和碳纳米管的相互作用,结果表明碳纳米管光吸收速率和cos 2θ成正比,其中θ是光偏振方向和碳纳米管轴向夹角,分析了碳纳米管光学各向异性的机制。计算了单壁碳纳米管的三次极化率,分析了碳纳米管的光限幅性,碳纳米管的光限幅性与三次极化率有关,碳管的手性和直径决定其三次极化率的大小,碳纳米管的直径越大,螺旋角越小,碳纳米管的光限幅效应越明显。最后介绍了碳纳米管在光学方面的一些应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 碳纳米管概述
• 1.1.1 碳纳米管的发现
• 1.1.2 碳纳米管的结构特征
• 1.1.3 碳纳米管的分类
• 1.1.4 碳纳米管的主要性质
• 1.2 碳纳米管光学性质概述
• 1.2.1 碳纳米管光学性质的研究意义
• 1.2.2 碳纳米管光学性质的国内外研究概况
• 1.3 碳纳米管光学性质的应用
• 1.3.1 碳纳米管光学天线
• 1.3.2 碳纳米管红外探测器
• 1.3.3 碳纳米管超快光学开光
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 1.4.1 本论文主要内容
• 1.4.2 本文创新点
• 2 碳纳米管的制备方法及影响因素
• 2.1 碳纳米管的制备方法
• 2.1.1 电弧放电法
• 2.1.2 激光蒸发法
• 2.1.3 纳米孔模板法
• 2.1.4 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法
• 2.1.5 化学气相沉积法（CVD）
• 2.2 CVD 法制备碳纳米管的影响因素
• 2.2.1 催化剂的选择
• 2.2.2 载体或基底的选择
• 2.2.3 碳源物质的选择
• 2.2.4 催化剂活化温度对碳纳米管生成的影响
• 2.2.5 碳源流速对碳纳米管成管率的影响
• 2.3 碳纳米管的生长机理
• 2.3.1 电弧法制备碳纳米管的生长机制
• 2.3.2 CVD 法制备碳纳米管的生长机制
• 2.4 小结
• 3 碳纳米管电子能带结构
• 3.1 引言
• 3.2 碳纳米管的基本结构
• 3.2.1 碳纳米管的原子结构的描述
• 3.2.2 单壁碳纳米管的石墨键特性
• 3.2.3 单壁碳纳米管的Brillouin 区
• 3.2.4 单壁碳纳米管为金属型或半导体型的条件
• 3.2.5 SWCNTs 的能带结构
• 3.3 单壁碳纳米管的紧束缚模型
• 3.4 小结
• 4 碳纳米管光限幅特性
• 4.1 碳纳米管光限幅特性概述
• 4.2 碳纳米管光限制特性形成机理概述
• 4.3 碳纳米管光限幅效应的非线性吸收机理
• 4.3.1 固体吸收系数
• 4.3.2 锯齿型碳纳米管的光限幅特性
• 4.3.3 螺旋型碳纳米管的光限幅特性
• 4.4 小结
• 5 碳纳米管光学各向异性机制及相关光学性质
• 5.1 引言
• 5.2 碳纳米管光学各向异性的解释
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 理论计算
• 5.2.3 结果讨论
• 5.3 碳纳米管灯丝发光性能
• 5.4 碳纳米管的光学相关性
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 对后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录