硫化物二维材料与卟啉体系超快非线性光学性质研究

作     者：孙位位 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范光华

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：2D材料 卟啉 Z-扫描技术 泵浦探测技术 超快动力学 电荷转移 

摘      要：近年来,随着对二维（2D）材料和有机非线性光学材料研究的深入,人们逐渐将注意力转向2D材料与不同2D材料或其他材料构成的异质节材料。通过选择具有不同给电子或者吸电子能力的电子施主和受主材料,组合成异质结内具有载流子转移性质的混合材料,有望通过建立这类材料内多种电子激发、迁移和弛豫过程与材料的物理和化学性质的关系,为具有更优性质的新型材料的合成与制备提供指导。本文介绍了硫化物2D材料和卟啉材料的非线性光学和超快动力学的研究现状,提出了研究具有吸电子能力的2D材料和具有给电子能力的卟啉构成的混合材料的非线性光学性质和超快动力学过程的设想。利用Z-scan技术研究少层二维材料Mo S2与WS2的非线性光吸收性质,实验发现在波长为515nm的飞秒激光作用下,Mo S2和WS2在较低光强下为饱和吸收,随着光强的增加,Mo S2转变为反饱和吸收,而WS2依然保持饱和吸收不变,通过对实验结果拟合获得2D材料的非线性光学参数（吸收截面和驰豫时间）。此外,合成了10种卟啉分子,并用吸收光谱和荧光光谱进行表征,发现不含金属的纯卟啉在420nm处存在一个S带,在500-675nm之间存在四个较弱的Q吸收带。金属卟啉在420nm处存在一个S带,在540-560nm之间存在一个较弱的Q吸收带。利用Z-scan和泵浦探测技术研究了不同外围取代基和内部金属原子的卟啉的非线性吸收性质和超快动力学过程,在波长为515nm和532nm激光作用下,所有卟啉都呈现反饱和吸收性质,具有四个苯环的卟啉具有最强的反饱和吸收,噻吩基的取代会减弱非线性吸收,而硝基苯基对卟啉非线性吸收性质的减弱程度更大。锌原子填充卟啉内环会增强非线性吸收并延长粒子驰豫时间,而铜原子填充卟啉内环则对材料的非线性吸收没有明显影响且会加快驰豫,根据这些结果建立了不同的外围取代基和内部金属原子与卟啉的非线性吸收截面和能级寿命之间的关系。将硫化物2D材料和卟啉混合,卟啉分子通过范德瓦尔斯力吸附在2D材料上形成卟啉-硫化物异质结。研究了混合物的非线性光吸收性质和超快动力学过程。通过与单一的2D材料或卟啉的对比,发现吸附在2D材料上的卟啉分子在激光作用下,电子受激发跃迁至激发态后注入2D材料。利用能级模型分析了这种电荷转移行为对混合物非线性光学和超快动力学性质的影响。