ZnO复合MoS2纳米薄膜材料的制备及线性-非线性光学性质

作     者：刘海权 

作者单位：哈尔滨师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚成宝

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 070207[理学-光学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：MoS2@ZnO纳米薄膜 线性-非线性光学特性 单-双光子吸收过程 电子转移机制 

摘      要：随着科学技术的迅速发展及需求的不断提高,半导体材料在不同领域中的应用特性逐渐被研究者们所关注。纳米尺寸的半导体材料在光电,生物,化学等领域展现了优异性能,这更加引起了研究者们的研究兴趣。具备优异电学特性的石墨烯已被用作多种材料间的电子转移/容纳层。然而,由于其带隙结构(狄拉克锥)导致其光学行为被抑制,故需要找寻带隙易被调制的材料。自2005年起,研究者发现电子在二维材料分子层中的单方向运动会受到限制,这将导致显著的量子限制效应。针对这一特性,对二维材料的制备及设计策略可能导致一个可调控的光电特性并展现其多功能应用特征。尽管二维材料中过渡金属二卤化物的带隙明显地受量子限制效应影响,但低吸收截面所导致的较弱吸收能力及高载流子复合率引起了较低的量子产率。这无疑限制了其在光电器件领域中的应用灵活性。为解决这一问题,研究者采取金属或半导体结合过渡金属二卤化物的改性策略在几年已经被广泛报道。在本文中,以射频磁控溅射法制备的过渡金属硫化物MoS为例,基于扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及原子力显微镜等设备,研究了溅射环境对其生长状态的调制效应,通过了一种可能的应力机制来阐明不同溅射条件对薄膜的成核状态的影响。基于共聚焦拉曼光谱仪、紫外可见分光光度计、荧光分光光度计、飞秒瞬态吸收光谱及具有超短脉冲宽度的Z扫描技术,研究了MoS@ZnO薄膜所带来的优异线性及非线性光学行为。为深入理解这种优异的光学行为,对材料接触面间的电子转移效应进行了详细地分析及讨论。本文以二维半导体材料作为主要的研究对象,着重研究其改性性能在线性及非线性方向应用的可行性。通过磁控溅射(MS)方法获得了具有优异线性-非线性吸收性能的ZnO,MoS和MoS@ZnO薄膜。首先,对MoS和MoS@ZnO薄膜的生长取向及成核过程进行研究。通过观察不同溅射功率及时间下MoS的扫描电子显微镜(SEM)图像,MoS膜展现了团簇状-颗粒状-蠕虫状的形貌变化过程。产生这种现象的原因可归为两点:其一,随着溅射功率的提升,钼原子及硫原子抵达衬底表面的动能增大,粒子更易运动到其热力学晶格的最低点,导致结晶度的提升及蠕虫状MoS的产生。其二,较长溅射时间为抵达衬底表面的钼原子及硫原子提供充足的碰撞成核时间,进而导致MoS的生长取向及形貌发生较大转变。其次,本文利用紫外可见分光光度计对样品的线性吸收特性进行表征并通过理论计算了复合后薄膜的界面能带结构。结果表明,随溅射功率的增加,MoS的带间吸收峰强度被明显促进。与纯ZnO及MoS薄膜相比,MoS@ZnO薄膜的线性光学吸收率数倍强于纯材料。结合激发波长为325 nm的激发激光场下样品的光致发光现象及界面能带结构分析了复合薄膜接触面间的电子转移机制。最后,利用飞秒Z扫描系统对样品复合前后的三阶非线性光学行为进行表征。在800 nm激发波长下,纯MoS薄膜的非线性光学吸收行为表现为双光子吸收引入的反饱和吸收。当溅射功率增大时,MoS的展现了被增强的双光子吸收能力及调制深度;当激光能量由50 n J增大至500 n J,MoS@ZnO薄膜的非线性现象从饱和吸收(SA)转变为反饱和吸收(RSA)。因此,具有较低强光透过率及较高弱光透过率的MoS@ZnO薄膜可作为光电防护器件的主要替代材料应用于光电限幅器件领域。另外,根据非线性光学理论计算,MoS@ZnO薄膜的双光子吸收系数比ZnO薄膜高2-5倍,这意味着MoS薄膜显着促进了ZnO的非线性吸收特性。上述现象可归因于两点:第一,MoS基膜显著促进了纯ZnO薄膜的能带中双光子吸收所引导的反饱和吸收;第二,MoS基膜明显地拓展了ZnO薄膜的激发态吸收截面,进而优化了其反饱和吸收能力。本工作实现了可控形貌的MoS@ZnO均质薄膜的优异反饱和吸收特性并为其他研究者在非线性限幅功能材料中的后续研究提供了重要参考。