文档介绍：国内图书分类号:O438 学校代码:10213
国际图书分类号:535 密级:公开
理学博士学位论文
有机玻璃/TiO2复合材料改性及其三阶
光学非线性研究
博士研究生:孙秀晶
导师:陈相君教授
申请学位:理学博士
学科:光学
所在单位:理学院物理系
答辩日期:2010 年 9 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: O438
.: 535
Dissertation for the Doctoral Degree in Science
IMPROVEMENT AND THIRD-ORDER OPTICAL
NONLINEARITY OF PMMA /TITANIA
COMPOSITE MATERIAL
Candidate: Sun Xiujing
Supervisor: Prof. Chen Xiangjun
Academic Degree Applied for: Doctor of Science
Specialty: Optics
Affiliation: Department of Physics
Date of Defence: Sept., 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着纳米科学与纳米技术的发展,人们对有机/无机纳米复合材料的要求越
来越高,特别是聚合物-半导体纳米复合材料。纳米复合材料具有单独的有机或
无机材料以及宏观的有机/无机块体材料所没有的一些光学、电学、热力学以及
机械方面的特性。复合材料能够将有机聚合物的易加工、机械性能强、耐腐蚀
性等优点同无机TiO2纳米微球的小尺寸效应、表面效应、量子效应和粒子形貌
可控性等优点集合起来,使复合材料具有更加优良的性能。TiO2具有折射率大、
载流子多等优点,是开发光学非线性的首选材料。本文主要研究聚甲基丙烯酸
甲酯(PMMA)和二氧化钛(TiO2)复合材料改性和三阶光学非线性增强,采用有效
介质约化理论和表面增强电磁场理论解释了纳米复合薄膜的三阶光学非线性增
强。本论文的研究工作和成果如下:
利用表面活性剂乙酰丙酮改性纳米粒子合成核-壳结构。通过“外位”溶胶-
凝胶/聚合方法,制备了具有高浓度、分散均匀的TiO2纳米粒子复合聚合物材料。
确定了TiO2纳米粒子与表面活性剂的最佳比例。傅立叶红外光谱(FTIR)分析表
明乙酰丙酮的表面配位基已经成功地作用到TiO2表面和聚合物PMMA之间,得
到了核-壳结构的纳米复合材料。
利用有效介质理论研究了核-壳结构复合薄膜的线性和三阶非线性光学性
质。这种核-壳复合结构能够将光场集中在无机TiO2球核以及周围的有机壳层
中,使得球核以及周围的有机层的光场增强,纳米粒子的极化也随之增强,最
终促进了三阶非线性响应增强,为实验工作提供了良好的理论依据。采用 800nm
飞秒激光,利用Z-扫描实验验证了这种核-壳结构复合薄膜与无机TiO2薄膜相比
三阶非线性明显增强。实验结果表明TiO2纳米粒子可以有效的调节复合材料的
线性和三阶非线性光学性质,在新型光子器件应用方面具有广阔的前景。
采用三乙醇胺和乙酰丙酮混合表面活性剂对纳米粒子表面改性,合成椭球
体纳米粒子。TiO2是极性半导体,对表面活性剂中极性更强的三乙醇胺有选择
性吸收。研究了不同TiO2浓度、不同椭球体纳米粒子尺寸、形状和周围介质环
境等因素对PMMA/TiO2纳米复合材料三阶非线性光学性质的影响。利用有效介
质约化理论,计算了不同体积分数尤其是高浓度的TiO2纳米粒子复合介质薄膜
的有效非线性光学性质。采用表面电磁场增强理论模拟,提出了一种基于
PMMA/TiO2复合物局域场增强的最佳非线性增强方案,理论分析结果对于设计
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哈尔滨工业大学理学博士学位论文
可调的非线性光学元件具有一定的借鉴意义。
关键词:溶胶-凝胶/聚合方法;PMMA/TiO2复合薄膜;核-壳结构;椭球体纳米
粒子;三阶光学非线性增强
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Abstract
Abstract
With the development of nanoscience and nanotechnology, the requirement of
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