钛酸钠纳米材料形貌调控与光限幅性能构效关系研究

As a alkali metal titanium oxide semiconductor with 3d orbital electrons, sodium titanate nanomaterial is a kind of promising optical limiting materials, owing to its large nonlinear optical coefficient, transparency in visble-light region, high refractivity, stable physicochemical properties, and high laser-damage threshold. This project takes the essence of the optical limiting effect of semiconductor nanomaterials as point of cut-in to explore the structure activity relationships and regulating-controlling principles of sodium titanate nanomaterials’ optical limiting properties. Sodium titanate nanomaterials with different morphologies and structures will be obtained by optimizing the materials, morphology control agent, as well as the hydrothermal preparation processes. The underlying optical limiting properties and mechanisms of these as-prepared sodium titanate nanomaterials will be systematically studied by Z-scan technology. The relationship between its structure and photo physic properties, as well as the dependence of optical limiting performance on its structure will be investigated from the perspective of nonlinear optical theory and topography of materials. Based on these results, the key structure parameters which influence optical limiting properties will be identified. This work has a certain meaning to enrich and develop optical limiting materials and theories, providing a theoretical basis and practical guideline for the development of new laser protecting materials.

作为一类具有层状结构和3d 轨道电子的碱金属钛氧化物半导体，钛酸钠纳米材料具有非线性光学系数大、在可见光区域几乎透明、折射率高、理化性质稳定、激光损伤阈值高等特点，是一种潜在的优质光限幅材料。本申请项目从半导体纳米材料的光限幅效应产生机制切入，提出钛酸钠纳米材料光限幅性能的构效关系与调控原理。选择特定的形貌控制剂，通过水热反应工艺调控，制备具有不同形貌结构的钛酸钠纳米材料；借助非线性光学Z-扫描测试技术，研究钛酸钠纳米材料独特的光限幅性能，揭示其在激光防护应用中的作用规律及机理；从非线性光学理论和材料拓扑结构角度出发，深入探讨钛酸钠纳米材料的形貌结构变化与其光限幅性能之间关系。寻求调控材料光限幅性能的关键结构参数，为完善光限幅理论，研发新型激光防护材料提供基础数据和理论指导。

作为一类具有层状结构和3d 轨道电子的碱金属钛氧化物半导体，钛酸钠纳米材料具有非线性光学系数大、在可见光区域几乎透明、折射率高、理化性质稳定、激光损伤阈值高等特点，是一种潜在的优质光限幅材料。本项目从半导体纳米材料的光限幅效应产生机制切入，研究钛酸钠纳米材料光限幅性能的构效关系与调控原理。采用水热法制备钛酸钠纳米材料，探讨钛源、碱液种类及其浓度、反应温度、水热时间、形貌诱导剂及其浓度等参数对钛酸钠纳米材料形貌结构的影响和控制规律，制备获得不同形貌结构的钛酸钠纳米材料。通过运用紫外-可见吸收光谱与Z扫描测试技术，将聚焦高斯光束的数学分析过程与Z扫描计算相结合，对不同形貌结构的钛酸钠纳米材料进行非线性光学性能的分析研究，探讨不同形貌结构的钛酸钠纳米材料的非线性光学效应及其影响规律。研究结果表明，碱性基团将钛源中钛氧键断裂，形成的过渡态碎片与碱金属离子成键，产生二维钛酸钠纳米片。为降低体系自由能，纳米片之间重新产生Ti-O-Ti键与氢键，并发生卷曲重组。通过调节体系碱度、水热时间和洗涤条件等反应条件，可在纳米片表面形成低配位的化学键，调节片层表面能和静电斥力，可获得不同形貌结构的钛酸盐纳米材料。基于TiO6八面体的重新排布，该钛酸盐结构可向二氧化钛结构的转变。根据非线性拟合计算结果，在相同的激光入射能量条件下，不同形貌结构钛酸盐纳米材料的非线性吸收系数依次为3.59×10-12、3.15×10-12、2.77×10-12、1.93×10-12 m/W。在线性透过率高于70%的情况下，纳米棒越长，其光限幅性能越好，且随入射激光能量的增强而增强。钛酸钠纳米材料的非线性光学效应的产生机制可能在于强激光作用下导致的电子云畸变，进而引起介质极化强度改变。其光限幅机理中既有由自由载流子引起的非线性吸收，也有由电子云畸变引起的非线性折射。除此之外，由微等离子体引起的非线性散射也对其光限幅性能起重要的作用。