鈦酸鈉納米材料形貌調控與光限幅性能構效關係研究

《鈦酸鈉納米材料形貌調控與光限幅性能構效關係研究》是依託福州大學，由馮苗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈦酸鈉納米材料形貌調控與光限幅性能構效關係研究
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馮苗

項目摘要

作為一類具有層狀結構和3d 軌道電子的鹼金屬鈦氧化物半導體，鈦酸鈉納米材料具有非線性光學係數大、在可見光區域幾乎透明、折射率高、理化性質穩定、雷射損傷閾值高等特點，是一種潛在的優質光限幅材料。本申請項目從半導體納米材料的光限幅效應產生機制切入，提出鈦酸鈉納米材料光限幅性能的構效關係與調控原理。選擇特定的形貌控制劑，通過水熱反應工藝調控，製備具有不同形貌結構的鈦酸鈉納米材料；藉助非線性光學Z-掃描測試技術，研究鈦酸鈉納米材料獨特的光限幅性能，揭示其在雷射防護套用中的作用規律及機理；從非線性光學理論和材料拓撲結構角度出發，深入探討鈦酸鈉納米材料的形貌結構變化與其光限幅性能之間關係。尋求調控材料光限幅性能的關鍵結構參數，為完善光限幅理論，研發新型雷射防護材料提供基礎數據和理論指導。

結題摘要

作為一類具有層狀結構和3d 軌道電子的鹼金屬鈦氧化物半導體，鈦酸鈉納米材料具有非線性光學係數大、在可見光區域幾乎透明、折射率高、理化性質穩定、雷射損傷閾值高等特點，是一種潛在的優質光限幅材料。本項目從半導體納米材料的光限幅效應產生機制切入，研究鈦酸鈉納米材料光限幅性能的構效關係與調控原理。採用水熱法製備鈦酸鈉納米材料，探討鈦源、鹼液種類及其濃度、反應溫度、水熱時間、形貌誘導劑及其濃度等參數對鈦酸鈉納米材料形貌結構的影響和控制規律，製備獲得不同形貌結構的鈦酸鈉納米材料。通過運用紫外-可見吸收光譜與Z掃描測試技術，將聚焦高斯光束的數學分析過程與Z掃描計算相結合，對不同形貌結構的鈦酸鈉納米材料進行非線性光學性能的分析研究，探討不同形貌結構的鈦酸鈉納米材料的非線性光學效應及其影響規律。研究結果表明，鹼性基團將鈦源中鈦氧鍵斷裂，形成的過渡態碎片與鹼金屬離子成鍵，產生二維鈦酸鈉納米片。為降低體系自由能，納米片之間重新產生Ti-O-Ti鍵與氫鍵，並發生捲曲重組。通過調節體系鹼度、水熱時間和洗滌條件等反應條件，可在納米片表面形成低配位的化學鍵，調節片層表面能和靜電斥力，可獲得不同形貌結構的鈦酸鹽納米材料。基於TiO6八面體的重新排布，該鈦酸鹽結構可向二氧化鈦結構的轉變。根據非線性擬合計算結果，在相同的雷射入射能量條件下，不同形貌結構鈦酸鹽納米材料的非線性吸收係數依次為3.59×10-12、3.15×10-12、2.77×10-12、1.93×10-12 m/W。線上性透過率高於70%的情況下，納米棒越長，其光限幅性能越好，且隨入射雷射能量的增強而增強。鈦酸鈉納米材料的非線性光學效應的產生機制可能在於強雷射作用下導致的電子云畸變，進而引起介質極化強度改變。其光限幅機理中既有由自由載流子引起的非線性吸收，也有由電子云畸變引起的非線性折射。除此之外，由微電漿引起的非線性散射也對其光限幅性能起重要的作用。