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二维层状纳米材料制备及其光学应用研究

【摘要】:二维(2D)纳米材料具有独特的光电性能,一直处于前沿研究领域,在光电子学、自旋电子学、光催化、化学和生物传感器、超级电容器、太阳能电池和锂离子电池等各种应用中都具有重要意义。就光催化而言,二维(2D)材料有较大的表面积可以提供更多的催化反应活性位点,有优异的机械性能可保证催化的持续性,有高热导率有利于反应中的热扩散,已成为光解水制氢、光催化降解染料等光催化领域的重要研究对象。就非线性光学而言,二维(2D)材料具备带隙可调、激子驰豫时间短和损伤阈值高等特点,在作为可饱和吸收体应用于激光脉冲产生和调制方面已经展示了巨大的潜力。这里我们对SnS_2、g-C_3N_4、Mo_xW_(1-x)-x S_2这三种二维材料的制备和光学应用进行了研究。研究结果如下:1)结合磁控溅射和高温硫化的方法获得大面积垂直生长在FTO衬底上的二维SnS_2纳米片薄膜。在1.5 V(vs.Ag/AgCl)条件下,SnS_2⊥FTO光电极的光电流密度达到10.2 mA/cm~2,远远高于传统的通过旋涂制备的SnS_2光电极。此外,该器件在405 nm至635 nm范围内表现出较强的光响应,其光电流密度、光响应率(R)、外量子效率(EQE)和响应速率均比之前报道的高几个数量级。2)通过使用超薄类石墨烯氮化碳(g-C_3N_4)纳米片作为可饱和吸收体(SA),实现了可调谐多波长锁模掺镱光纤激光器。通过对高温烧结制备的g-C_3N_4粉末进行液相超声剥离,得到平均厚度为3.5 nm的g-C_3N_4纳米片。通过使用涂覆有g-C_3N_4纳米片的D型光纤作为可饱和吸收体。以一个典型的平衡双探测器测试系统为平台,测试g-C_3N_4 SA的非线性饱和吸收特性。在实验中,g-C_3N_4 SA表现出优异的非线性饱和吸收特性,以波长为1575 nm的皮秒激光测得调制深度为36.06%,饱和强度为1.25 GW/cm~2。将g-C_3N_4 SA应用于被动锁模掺镱光纤激光器,通过调节泵浦功率和偏振控制器获得可调谐的双波长,三波长和四波长锁模脉冲。锁模激光器的最大平均输出功率可达10.32 mW。四波长锁模脉冲宽度为1.9 ns,重频为11.2 MHz。3)用水热法制备Mo_xW_(1-x)S_2等一系列不同比例的钼钨共掺粉末样品,然后液相超声剥离得到相应的超薄二维三元纳米片悬浮液,最后制成PVA-Mo_xW_(1-x)-x S_2薄膜。将所制的薄膜作为可饱和吸收体,以掺铒光纤激光器为研究平台,初步探测其可饱吸收特性,并得到飞秒量级的脉冲激光输出。

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