碳纳米管/半导体纳米粒子杂化材料的制备及其非线性光学性质

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自从被发现以来,碳纳米管由于其独特的结构和性质,包括高的比表面积、独特的光电性质、高的机械强度及优良的化学和热稳定性等,而在很多领域具有重要的应用前景。为了提高碳纳米管的应用性能,人们在碳纳米管表面修饰纳米粒子以制备一维碳纳米管/纳米粒子杂化材料。迄今为止,人们已用不同的方法将各种有机、无机纳米粒子组装到碳纳米管上。半导体纳米粒子的化学和物理性质可以通过改变它们的尺寸来进行调控,因此也受到人们的关注。将半导体纳米粒子修饰在碳纳米管上能够将二者的优良性质结合起来获得新颖的纳米杂化材料。已有各种半导体纳米粒子,如SnO2、TiO2、CdSe、ZnO和CdS被修饰在碳纳米管表面,但将三元硫属化合物修饰在碳纳米管上的报道很少。作为Ⅰ-Ⅳ(Ⅲ)-Ⅵ三元硫属化合物中重要的一个系列,由于其具有优异的非线性光学、热力学和机械力学性能,Cu-S(In)-S体系在非线性光学材料和中间带隙半导体材料领域中具有潜在的应用价值。本硕士论文中,我们将三元硫属Cu-Sn(In)-S纳米粒子修饰在碳纳米管上,然后对所得杂化材料的组成、形貌、非线性光学性质和光限幅性能进行探究。全文共分为四章。第一章介绍了碳纳米管的优良性能和表面修饰纳米粒子及其他物质的方法以及碳纳米管及其杂化材料在非线性光学上的应用。同时也介绍了非线性光学和光限幅的原理及z-扫描技术。最后提出了本论文的研究设想。第二章,我们将Cu3SnS4(or Cu2SnS3) NPs和两种重要的半导体纳米粒子,即Cu2S和SnO2,同时修饰在多壁碳纳米管的表面上。Cu2S是一种p型半导体材料,而SnO2是一种n型半导体材料,他们具有独特性质而受到关注。溶剂热法是在温和条件下制备纳米晶材料的一种有效地方法。这里,我们通过溶剂热处理聚苯乙烯磺酸钠(PSS)包裹的多壁碳纳米管(MWCNTs)、氯化铜、氯化亚锡和硫脲的混合溶液,得到了一系列在碳纳米管表面修饰两种(Cu2S和Cu3SnS4,或Cu2SnS3和SnO2)或三种(Cu3SnS4、Cu2S和SnO2)纳米粒子的MWCNT/PSS/NPs杂化材料。采用溶剂热法制备的过程当中,我们通过调整Cu2+和Sn2+的投料摩尔比来改变最终所得的半导体纳米粒子的组成。当Cu/Sn投料比为3:1和2:1时,MWCNTs能够同时负载Cu2S和Cu3SnS4纳米粒子。当投料比减小到1:1, Cu3SnS4、Cu2S和SnO2纳米粒子可以同时生成。Cu/Sn投料比进一步变为1:2和1:3,则在碳纳米管上生成了Cu2SnS3和SnO2纳米粒子。本章除了对所合成的一系列杂化材料进行光谱和电镜等表征之外,还用开孔Z扫描技术测量了部分杂化材料的光限幅性质。碳纳米管表面修饰上一层纳米粒子之后的纳米杂化材料的光限幅性能与纯化的碳纳米管相比有了明显的提高。更重要的一点在于,我们可以通过改变负载在碳纳米管表面的半导体纳米粒子的种类来改变纳米杂化材料的光限幅性能。这种在碳纳米管上负载不同种类的半导体纳米粒子所得的杂化材料在激光防护方面可能具有更广泛的应用前景。第三章,我们首先制备铟和铜的前驱体配合物In(DEDC)3和Cu(DEDC)2,然后以油胺、油酸、十八烯作为溶剂和表面活性剂在反应釜中通过高温高压热解前躯体配合物制备MWCNTS/CuInS2纳米杂化材料。这种方法非常有效,因为碳纳米管并没有通过浓酸氧化处理,也没有在其表面用聚电解质修饰,并且最终我们得到了在碳纳米管表面均匀修饰CuInS2纳米粒子的MWCNTS/CuInS2杂化材料。我们还比较了在不同溶剂体系、反应时间、反应温度和反应物投料量条件下所制备的材料的组成和形貌,发现如果没有采用In(DEDC)3和Cu(DEDC)2作为前躯体,单纯用铟和铜的氯化物并不能成功制备CuInS2均匀修饰在MWCNTs上的MWCNT/CuInS2杂化材料。我们对使用前躯体配合物所制备的MWCNT/CuInS2纳米杂化材料进行一系列的光谱和电镜表征,最后还运用Z扫描技术研究了制备的MWCNT/CuInS2纳米杂化材料的光限幅性能,发现经CuInS2纳米粒子修饰后,碳纳米管的光限幅性能明显提高。第四章对本论文所得的重要结论进行了整理,并展望了所制备的杂化材料在非线性光学领域的应用前景。
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