石墨烯基纳米复合有机玻璃的可控制备及光学非线性

We will prepare the graphene from the graphite, and synthesize the graphene-based nanocomposite materials by using the liquid phase method. We will choose the zero-dimensional sulfide quantum-dot nanomaterials and one-dimensional metal oxide nanorods and conjugate organic materials to combine with the graphene. The structure and morphology and size will be controlled by controlling the reaction temperature and time and the amount of different materials, correspondingly the optical properties can be controlled. The organic glasses containing the graphene-based nanocomposite materials will be prepared by using the sol-gel method. The linear transmittance and nonlinear optical properties will be controlled by adjusting the mass fraction of the graphene-based nanocomposite materials, correspondingly the optical limiting materials with good properties can be obtained. The thickness and morphology and micro-structures of the above organic glasses will be characterized by using the X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and atomic force microscope (AFM). The absorption spectra of the organic glasses will be measured by using UV-VIS-NIR spectroscopy. The optical nonlinearities of the graphene-based nanocomposite organic glasses will be studied by using the Z-scan and P-scan techniques at room-temperature, and the optical limiting properties of them will also be studied. The theoretical model will be presented to analyze the optical nonlinear mechanism of the graphene-based nanocomposite organic glasses, and the numerical simulations will also be given. We will investigate how to control and improve the optical nonlinear and optical limiting parameters of the organic glasses both from theory and experiments.

本项目拟以石墨为原料制备石墨烯，采用液相法，将零维硫化物量子点纳米材料、一维金属氧化物纳米棒和共轭有机物与石墨烯复合，通过控制反应温度、反应时间和物质的量控制石墨烯基纳米复合材料的结构、形貌、尺寸和光学性能。采用溶胶-凝胶法制备石墨烯基纳米复合有机玻璃，通过调节石墨烯基纳米复合材料的质量分数来调控石墨烯基纳米复合有机玻璃的线性透过率和光学非线性，从而制备出性能优良的纳米复合有机玻璃光限幅材料。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等手段对上述有机玻璃的厚度、形貌以及微观结构等进行表征。利用紫外-可见-近红外光谱仪测量有机玻璃的吸收光谱。室温下利用Z-扫描和P-扫描技术研究墨烯基纳米复合有机玻璃的光学非线性，并研究其光限幅性能。建立理论模型分析石墨烯基纳米复合有机玻璃的光学非线性机理，并进行数值仿真计算，从理论和实验上研究如何控制和提高光与有机玻璃作用时的光学非线性和光限幅性能。

本项目采用液相法，成功制备了石墨烯/硫化镉、石墨烯/硫化银、石墨烯/硫化钼、石墨烯/氧化锌、石墨烯/氧化铁、石墨烯/聚苯胺（G/CdS、G/Ag2S、G/MoS2、G/ZnO、G/Fe2O3、G/PANI）等石墨烯基纳米复合材料。利用溶胶-凝胶法制备了石墨烯基纳米复合有机玻璃，制备过程不需要价格昂贵的仪器设备，也不需要高温和超高真空。制备的石墨烯基纳米复合有机玻璃只需切割成型就可以直接应用于光存储、光开关、光限幅器、太阳能电池等光电器件，从而为石墨烯纳米复合材料的应用提供了全新的途径。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等手段对石墨烯基纳米复合有机玻璃的厚度、形貌以及微观结构等进行了表征。利用紫外-可见-近红外光谱仪和拉曼光谱仪分别测量了有机玻璃的吸收光谱和拉曼光谱。室温下，利用纳秒和飞秒激光器，采用Z-扫描技术研究了石墨烯基纳米复合有机玻璃的非线性吸收、非线性折射和非线性散射等非线性光学特性。挑选了非线性光学性能较好的石墨烯基纳米复合有机玻璃，研究其在不同激光脉冲和波长条件下的光限幅性能。最后建立理论模型分析了石墨烯基纳米复合有机玻璃的非线性光学和光限幅机理，并进行了数值仿真计算，从理论和实验上研究了如何控制和提高光与石墨烯基纳米复合有机玻璃作用时的非线性光学和光限幅性能参数。研究结果表明，相对于其单个材料来说，石墨烯基纳米复合有机玻璃的非线性光学和光限幅特性都得到了增强，非线性吸收主要表现为反饱和吸收，非线性吸收系数达到了10-8 m/W，非线性折射系数为10-16 m2/W。石墨烯基纳米复合有机玻璃增强的非线性光学和光限幅特性可以归因于石墨烯和所添加纳米材料之间的协同效应、石墨烯的片层结构以及所添加纳米材料的量子限域效应等。本项目相关研究成果发表在Carbon、Appl. Phys. Lett.、Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Mater. Chem. C、Opt. Mater.等期刊上，共计11篇SCI论文，总影响因子大约47，被引次数225。