靜電自組裝有機超薄膜的制備及三階非線性光學性質(zhì)研究.pdf

1、光子器件是實現(xiàn)全光信息處理和光計算的關鍵，而三階非線性光學材料是研究并實現(xiàn)光學邏輯、光存儲、光三極管和光開關等光子器件的基礎。具有有序納米結(jié)構的有機分子超薄膜，因其具有大的三階光學非線性而可能成為首先付諸實用并產(chǎn)業(yè)化的三階非線性光學材料之一。 在此研究背景下，本論文從設計制備具有較大光學非線性的固態(tài)薄膜材料出發(fā)，采用靜電層層自組裝技術制備了幾種不同體系的納米有機超薄膜，并用紫外-可見吸收光譜、原子力顯微鏡、小角X-射線衍射及掃描

2、電子顯微鏡等手段對薄膜的生長、厚度及表面形貌進行了詳細的表征。在波長532nm、8ns脈沖條件下，采用Z-掃描技術對薄膜的三階非線性光學性質(zhì)進行了研究。 設計合成了水溶性的卟啉化合物—5，10，15,20-四(3,4,5-三羥基苯基)卟啉(DHP)，并用MALDI-TOF、FT-IR及1HNMR進行了表征。采用自組裝技術將聚乙烯胺(PEI)與DHP組裝成多層超薄膜并進行表征，結(jié)果表明PEI/DHP自組裝膜的生長過程連續(xù)且一致，表

3、面均勻平整。用Z-掃描技術對20-雙層的PEI/DHP自組裝薄膜進行研究，發(fā)現(xiàn)此薄膜表現(xiàn)出很強的飽和吸收和自散焦效應。通過計算得出薄膜的非線性折射率系數(shù)系數(shù)n2值是-7.56×10-12m2/W。在相同條件下對DHP水溶液的三階非線性光學性質(zhì)進行了研究，DHP水溶液呈現(xiàn)出與薄膜相反的反飽和吸收和自聚焦特性，其非線性折射率系數(shù)系數(shù)n2為3.47×10-17m2/W。通過自組裝技術將聚電解質(zhì)制備成致密有序的超薄膜后可以使其表現(xiàn)出完全不同于水

4、溶液的三階非線性光學性質(zhì)，其非線性吸收系數(shù)與折射率都比水溶液高出了5個數(shù)量級。超薄膜的納米結(jié)構引起的表面效應及薄膜中的高分子密度使得其三階光學非線性好于溶液的三階光學非線性。 將銀(Ⅰ)組氨酸配合物(Ag-His)與水溶性聚苯撐乙烯衍生物(BH-PPV)制備成20-雙層的BH-PPV/Ag-His超薄膜并對其進行了表征。三階非線性光學性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)薄膜表現(xiàn)出很強的飽和吸收和自散焦效應，其非線性折射率系數(shù)n2為-4.78×10-12

5、m2/W，比CS2高出了近5個數(shù)量級。該自組裝薄膜具有大的三階光學非線性，表明將金屬有機配合物通過靜電自組裝技術與共軛聚合物相結(jié)合，可以得到一種具有良好三階非線性效應的新型光學材料。同時我們還制備了20雙層的BH-PPV/DHP自組裝超薄膜，發(fā)現(xiàn)這兩種均具有π-共軛體系的化合物相結(jié)合也可以獲得具有較大三階非線性光學響應的分子薄膜材料，其非線性折射率系數(shù)比CS2的非線性折射率系數(shù)高出5個數(shù)量級。 合成了三種水溶性的C60亞甲基衍生

6、物，TMAF(單加成)、TTAF(三加成)和THAF(六加成)。以PSS為反電荷電解質(zhì)，分別制備了TMAF/PSS、TTAF/PSS和THAF/PSS靜電自組裝膜。用Z-掃描技術對10-、20-、30-和40-雙層的TMAF/PSS多層膜的非線性光學性質(zhì)進行比較研究后發(fā)現(xiàn)，薄膜的三階非線性光學響應隨著薄膜層數(shù)(即薄膜厚度)的增加而增加。在8ns和40ps的不同脈沖寬度條件下分別進行Z-掃描實驗，發(fā)現(xiàn)納秒脈沖時所產(chǎn)生的熱效應使得非線性光學

7、響應隨著膜厚的增加幅度更為顯著。 將40-雙層的TMAF/PSS、TTAF/PSS和THAF/PSS自組裝薄膜進行比較后發(fā)現(xiàn)，隨著C60中碳籠上取代基個數(shù)的增加，非線性光學性質(zhì)有所減弱。這是由于取代基個數(shù)的增加導致薄膜中C60分子密度降低，從而使得薄膜的三階非線性光學效應減弱。 將給體分子TTAF與受體分子DHP制備成具有給-受體周期性交替結(jié)構的20-雙層的TTAF/DHP自組裝超薄膜并對其進行了表征。Z-掃描實驗研究發(fā)