Bi2S3及Bi2S3/MoS2异质结薄膜的非线性吸收特性的研究

作     者：杨丹 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐新龙

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：硫化铋(Bi2S3) Z扫描 非线性吸收 异质结 电荷转移 

摘      要：相比于块体材料,二维材料如石墨烯、黑磷、金属硫族化合物A B (A=Sb,Bi;B=S,Se,Te)、过渡金属硫族化合物AB(A=Mo,W;B=S,Se,Te)等具有大的开关比和大的比表面积等,在光电化学、光催化、光伏电池、电化学储氢和非线性光学器件等领域被广泛应用。作为典型的金属硫族化合物,由于具有较大的玻尔激子半径,硫化铋(BiS)容易产生强的量子限域效应,其纳米颗粒常被掺入硼硅酸钠玻璃中以提高玻璃的非线性吸收性能。BiS材料在非线性光学器件等方面有较大的应用前景,然而BiS在非线性光学领域的研究很少,非线性参数的缺乏极大地限制了BiS材料在非线性光学器件方面的应用。BiS材料非线性吸收特性的研究为其在非线性领域的发展奠定了基础,也为研究基于该材料的范德瓦尔斯异质结的非线性光学过程提供了对比。在总结二维材料的非线性吸收特性研究进展的基础上,本论文首先研究了薄膜厚度和泵浦光强对BiS薄膜非线性吸收特性的影响;进而在相同厚度和泵浦光强下研究纳米片尺寸对BiS薄膜和BiS溶液非线性吸收特性的影响;最后通过构建Ⅲ-型范德瓦尔斯异质结硫化铋/二硫化钼(BiS/MoS)进一步提高了BiS薄膜的非线性吸收性能。主要包括以下内容:(1)薄膜厚度和泵浦光强对BiS薄膜非线性吸收特性的影响。利用液相剥离技术,通过精确地控制上清液的抽滤体积制备出了一组不同厚度的BiS薄膜,并依据原子力显微图像判断其厚度。使用开孔Z扫描系统,对BiS薄膜进行测试,观察到薄膜厚度在40 nm以下时,BiS薄膜的饱和吸收响应随厚度的增加而增强;薄膜厚度大于40 nm时,BiS薄膜的饱和吸收响应随厚度的增加而减弱。厚度依赖特性与层间耦合作用和光与物质相互作用的强度相关。BiS薄膜的非线性吸收响应随着泵浦光强的增大呈现增强的趋势,这与非线性吸收过程中电子数目增多有关。这部分内容在薄膜厚度和泵浦光强的选择上,为基于BiS薄膜的非线性光学器件设计提供了指导,也为其他材料非线性吸收性能变化的机理解释提供了实例参考。(2)尺寸对BiS薄膜和溶液的非线性吸收特性的影响。通过控制离心转速制备纳米片尺寸为100 nm-600 nm的BiS溶液,然后利用真空抽滤技术制备厚度相同但纳米片尺寸不同的BiS薄膜。在BiS溶液和薄膜中,随着纳米片尺寸的减小,均呈现出从饱和吸收响应向反饱和吸收响应转变的趋势,这与BiS纳米片的边缘处缺陷导致的双光子吸收有关。该研究结果为基于BiS的非线性光学器件设计在纳米片尺寸的选择上提供了依据,反饱和吸收的出现为BiS材料在激光防护、光限幅等领域的应用奠定基础。(3)BiS/MoS异质结薄膜的非线性吸收特性研究。通过对BiS和MoS的混合上清液(以体积比1:1混合)进行真空抽滤,制备出了BiS/MoS薄膜。X射线光电子能谱和紫外-可见吸收光谱的结果表明BiS/MoS为Ⅲ-型异质结。Z扫描实验结果显示,构建的BiS/MoS薄膜的非线性吸收系数是BiS薄膜的二倍。非线性吸收特性的增强来源于BiS/MoS异质结中的层间电荷转移,其转移方向与Ⅲ-型异质结中特有的内建电场的方向密切相关。该部分内容为进一步提高材料的非线性吸收特性提供了一种可靠的途径,机理分析部分为Ⅲ-型异质结光学性能增强的解释提供了理论参考。这部分工作已经发表在Applied Surface Science(二区)上。