碳纳米管复合材料全光开关特性的研究研究论文电子版下载

碳纳米管复合材料全光开关特性的研究研究论文电子版下碳纳米管复合材料全光开关特性的研究研究论文电子版下 载载 笠鐾主薹 堕笪星盒塑全窒聚 3一辛基 噻吩 碳纳米管复合材料全 光开关特性的研究孙肖芬 郑建邦 廖威 姜冰一 郝娟 西北工业 大学理学院 陕西省光信息技术重点实验室空间应用物理与化学教 育部重点实验室 陕西西安710129 摘要使用多次超声离心分散法将 单壁碳纳米管 SwNTs 溶入聚 3一辛基 噻吩 P3OTH 溶液中制得P3OT H SWNTs复合液 溶剂为四氢呋喃 研究了该复合液在不同功率及调制频率控制光 532nm 作用下的全光 开关特性 实验发现 在7mW 258HZ的控制光调制下 该复合液较P3OTH单体溶 液的全光开关调制深度提高了2倍 控制光功率为7mW时 复合液样 品在25Hz的控制频率下调制深度可达849 6 在此基础上增加控制频率到432 5Hz 该样品的开关响应时间达到1 ms 并且可维持40以上的调制深度 在140Hz时 将控制光功率降低 该复合液样品的调制深度增大 当控制光功率降低到3 6mW时 达到最大值62 结果表明样品具有良好的全光开关特性 具有潜在的研究及应用价 值 关键词聚噻吩 碳纳米管 光致电子转移 全光开关TB34 O437A10 01 9731 xx 增刊V一0859 041引言长期以来 人们试图研制具有优良性能的全光开关 以满足 全光通信 全光网络和全光计算机的需求 而制造全光开关的核心 是制备具有强的三阶非线性和快的时间响应的非线性光学材料 1 碳纳米管自发现以来 因其具有独特一维分子结构和大兀共轭结构 以及其优越的机械性能 电学性能 光学性能而成为人们研究的热 点 2 碳纳米管不仅可以改善复合材料的力学性能 而且可以通过复合将 不同材料的光学和电学性能协同优化 制备出理想的光学 电学综 合器件 3 共轭聚合物具有丰富的兀电子共轭体系 兀电子的离域化使得分子 易于极化 因此建立电荷移动而形成电偶极极化所需的时间很短 将碳纳米管掺人共轭聚合物中 会引起光电性能的改善 因sw N此 共轭聚合物 碳纳米管复合材料体系被认为是有前途的光通信 用超高速全光开关的材料体系之一l 5 一方面 聚合物 碳纳米管复合体系可以解决碳纳米管的分散性和 加工性的问题 另一方面 共轭聚合物与富勒烯 包括碳纳米管 之 间存在光致电子转移效应 光致电子转移是一个超快过程 可以大 幅度提高材料的非线性光学效应以及响应时间 6 聚噻吩及其衍生物具有大的三阶非线性系数以及快的非线性响应速 度 同时具有良好的溶解性能和成膜性能 是理想的分散介质的材 料 因此 选择了一种具有良好溶解性以及大的三阶非线性响应的聚噻 吩衍生物作为分散介质 利用多次超声离心分散法制备了聚 3一辛 基 噻吩 P3OTH 与碳纳米管 SwNTs 的P3OTH SWNTs复合液 溶剂为 四氢呋喃 研究了该样品在不同功率及调制频率控制光作用下的全 光开关特性 并对其特性进行了分析 2实验2 1复合材料的合成及表征2 1 1合成所需试剂以及设备四 氢呋喃 分析纯 购于国药集团化学试剂有限公司 碳纳米管 SwNT s 购于深圳市纳米港有限公司 使用前在浓硝酸中回流2h 聚 3 辛基 噻吩 P3OTH 实验室自主合成 合成过程见文献 11 超声波细胞粉碎机 由宁波新芝科技研究所出品 型号JY92 2D 低速离心机 由长沙平凡仪器仪表有限公司出品 型号TD6 分 子荧光光谱仪 由法国HORI BA JOBIN YVON公司出品 型号Fluromax 4 电子扫描显微镜 由日本日立公司出品 型号TM一1000 2 1 2样品制备过程P3OTH SwNTs复合液的制备过程如图1所示 图1P3OTH SWNTs复合液的制备过程示意图Fig1Preparation processof P3OTH SWNTs hybrids分别称取2mg的SWNTs以及10mg的P3OTH 加入到45mL的四氢 呋喃溶剂中 之后将混合溶液放 基金项目西北工业大学基础研究基 金资助项目 JC2OO820 收到初稿日期xx 03 31收到修改稿日期xx 07 29通讯作者郑建邦作者简介孙肖芬 1987一 女 山西运城人 在 读硕士 师承郑建邦教授 从事有机光电材料及性能研究 L L轧一m一22出 L2 液 L860助材矸xx年增刊V 42 卷普源精电科技有限公司出品 型号DS一5000 斩光器 由南 京鸿宾微弱信号检测有限公司出品 型号ND4 2 2 2实验光路图设计样品全光开关特性测量的实验光路图如图2 所示 样品是由2mm 3cm 2cm的石英样品池所装载 通光面为3cm 2cm的玻面 半导体绿激光器 532nrn CW 通过小孔光阑 2r am 斩波器 圆形衰减器 2 透镜 2 起偏器2 再经过圆形衰减器l反射后 作为控制光入射样品 He Ne激光器 632 8nm CW 通过透镜1 起偏器l 再经过圆形衰减器 投射后 作为探测光入射 起偏器l和检偏器的偏振方向相互垂直 起偏器2与起偏器1的偏振方 向夹角为45 光束通过样品后 经过起偏器1 再经过632 8nm的滤波片滤除532n m的光信号 最后由光电二极管探测器进行检测 所得电信号直接连接示波器以及由计算机进行输出处理 人超声波细胞粉碎机里超声粉碎3h 为了防止四氢呋喃溶剂因为升温而挥发 在超声过程中 试管底部 要浸入冰水混合物中 震荡结束 将所获得的悬浮液标记为SUS一1 接下来将SUS一1在低速离心机内离心法除去未溶解的SWNTs 将上层 清液和沉淀分别标记为sup一1和sed一1 取出sed一1再加入10mg的P 3OTH 放入45mL的四氢呋喃溶剂中继续超声粉碎 重复超声波降解 和离心过滤过程 第二次所得悬浮液 上层清液和沉淀分别标记为S US一 2 sup一2和sed一2 超声波降解和离心过滤过程重复7次以后 已无SWNTs沉淀产生 2 2测量全光开关特性实验装置2 2 1实验设备及仪器氦氖激光器 由上海虹扬激光科技有限公司出品 波长632 8nm 半导体激光 器 由广州丰原光电科技有限公司出品 波长532nm 光电二极管探 测器 由美国Thorlabs公司出品 型号DET36A M 示波器 由北京 样检偏器计算机图2样品全光开关特性测量实验光路图Fig2Light systemof theexperiment forall optical switching characters3结果与讨论3多次 2到了很好的马区散 3 1复合材料薄膜SEM表征及分析图3为抽样sup一5复合液制成薄膜 进行SEM扫描所得到的照片 Fig3SEM photographof thefilm ofsample sup一5从图3可看出一根根清晰的SWNTs 碳管的直径大约1 5nm 长度有几百纳米到微米级别不等 并且可以看出P3OTH缠绕在SWNTs 的周围 说明经过图4为纯P3OTH溶液与SUS l SUS一5悬浮液的荧光发射光谱图 Wavelength nm图4P30TH与susl sus5系列的发射光谱荧光强度对 比Fig4Fluorescence intensityparison ofP3OTH andsusl sus5P3OTH溶液是由530nm的光激发 SUS一1 SUS一5悬浮液是由520 nm的光激发 P3OTH以及P3OTH 孙肖芬等聚 3一辛基 噻吩 碳纳米 管复合材料全光开关特性的研究SWNTs复合液发出荧光的波长范围为 550 750nm 发射光谱峰值位于575nm处 从图4可以看出SUS一1悬浮液的荧光强度明显弱于P3OTH 可以认为 这是由于P3OTH和SWNTs之间形成了兀一7c共轭电子转移体系 从而 发生光致电子转移以及能量转移导致了荧光淬灭 从SUS一1 SUS一5悬浮液的荧光强度逐渐增强 这是由于溶液中的S WNTs含量的降低 使得P3OTH和SWNTs的一7c共轭电子相互作用减弱 光致电子转移也随之降低 从而导致了荧光作用的增强 这说明随着震荡 离心次数的增加 沉淀中SWNTs的数量在减少 SW NTs不断地溶解在四氢呋喃溶剂中 3 3复合液全光开关特性测量结果及分析双折射型全光开关是基于 介质的光克尔效应的一种非线性折射率型的全光开关 是一个交叉 相位调制系统 如图2所示 起偏器1与检偏器的偏振方向互相垂直 当控制光不存 在时 光探测器上无信号 当控制光照射时 介质发生光致双折射 效应 使信号光的O光与e光之间产生相位差 光束偏振面发生了旋 转 则光探测器上便可探测到信号光 从而实现强度调制的全光开 关 1 控制光照射样品引起 光与e光之间的相位差为 一孥 1 A式 1 中 An是光致双折射值 是探测光的波长 d是样品的厚度 其中 光致双折射值An是克尔系数K 和激发光强I f 的函数An一 2K 2 式 2 中 和叫分别是控制光和探测光的光频率 透过样品的光强为 9 I J sin f1sin 2 3 式 3 中 是探测光透过样品后的光强 j 是起偏器1与检偏器平行时 探测光的透射光强 0是照射到样品表 面的控制光与探测光偏振面的夹角 将式 2 代入式 3 可得I Jo sin 7c sin 20 4 K r 叫 为克尔系数 则由式 4 可得 当无控制光照射样品时I 一0 因此探测光光强J O 图5是在室温 20 C 时 在功率为7mw 频率为258Hz的控制光调制下 P3OTH单体和P3OTH SWNTs复合液呈现的全光开关特性 开关调制深 度的定义为l8 M一Ip 5 式 5 中 为探测透射光强度波形的峰峰值 为探测透射光强度波形的 最大值 由图5可知 在此条件下 P3OTH SWNTs复合液样品的开关调制深度 可以达到51以上 表现出良好的全光开关特性 P3OTH单体样品的开 关调制深度仅为28 8 复合液的全光开关调制深度是聚 3 辛基 噻吩单体的2倍 控制光功率7mW 258Hz 复合液 一单体 一斩波器调制信号光 I 一 I I 1一 图5斩波器调制的控制光光强以及在控制光调制下的不同样 液的探测光相对透射强度与时间的关系Fig5The wave shape ofcontrolling lightand thewaveshapeof probelight throughdifferent samples这主要是由于在P3OTH SWNTs复合液中 SWNTs和聚合物P3O TH之间形成了7c一 共轭电子转移体系 从而发生了光致电子转移 和能量转移 使得兀电子离域程度增加 导致了荧光猝灭 因此大 大提高了溶液的非线性效应 全光开关性能也得到了大幅度的提高 图6给出了在控制光光强不变的情况下 7mW 调制频率 25Hz 较低 时 探测光透射光强较强且本底信号较小 相应的调制深度可以达 到84以上 当控制光调制频率增加 探测光透射光强相对减弱且本 底信号增大 相应的调制深度降低为68 如图7所示 继续增加控制光的调制频率到高频段的257 5和432 5 Hz 探测光的透射光强的强度增加 但是本底信号相应增大 调制 深度分别降低到53以及41 随着控制光频率的增加 样品的全光开关效应随之减弱 这可能是 由于控制光照射样品时问减少 样品发生光致双折射的时问随之减 少所致 图6不同调制频率下 低频 探测光相对透射强度与时间的关系Fig6Th e relationshipof probelight transmission in tensity andtim ein differentm odulationfre quency 1ow frequency 加佰 0000000O00 Efa可三llaE0O O O0O000O E a IlcIE 862助丝塾笙塑 鲞方成正比 当控制光光强减小时 样品的 光致双折射效应减弱 因此 o光与e光问的相位差减小 通过偏振 片的光强就随之减小 00图7不同调制频率下 高频 探测光相对透射强度与时间的关系Fig7 The relationshipof probelight transmission in tensity andtim ein differentmodulation frequency high frequency 图8显示了同一频率 140Hz 下 不同功率控制光调制下 复合液样品的全光开关特性 控制光功率从7mw降低至3 5r oW 探测光透射光强明显减小 但是本底信号也相应减小 调制深 度反而由5O增加至62图8不同控制光功率下探测光相对透射强度与时 间的关系Fig8The relationshipof probelight transmissionin tensity andtime indifferent light power这主要是由于光克尔效应所决定的l An C fE i 6 控制光作用在样品上 引起介质折射率的变化 即4结论研究结果 表明在室温 20 C 下 聚 3 辛基 噻吩 碳纳米管复合液有着较强的全光开关效应 开关响应时 间为1ms左右 7mw 25Hz低频控制光调制下的调制深度可达84 控 制光功率不变的条件下 开关调制深度随控制光调制频率的增加从2 5Hz时的84 降低到430Hz时的41 相同控制光调制频率下 样品的 开关调制深度随着控制光功率减小而相对增加 从7mW减小至3 6mw 左右时 开关调制深度达最大值 从以上结论可以推断 聚 3 辛基 噻吩 碳纳米管复合材料具有较为优良的全光开关特性 在全 光开关器件领域存在着潜在的研究与应用价值 参考文献 1 2 33 4 E5 E6 7 8 9 1O 1I 李淳飞 全光开关原理EM 北京科学出版社 20l0 Sumio Iijima J Nature l991 35456 58 Margulis VA Gaiduk EA J Appl PhysLett xx 3267275 Xie RH Jiang J J Appl PhysLett 997 711029一l031 Chen YC Raravikar NR Schadler IS et a1 1J Ap pl PhysLett xx 81975 977 Xu Y Xiong GG J Chem Phys xx 388330 336 Kumar S Dang TD Arnold FE et a1 J Macromol eeules xx 3590399043 Luo DB She WI W uS Z Letters xx 1 4 243 246Yacoubian A Aye TM J 3o73 3088 et a1 EJ Chinese OpticsAppl Opt 1993 32 17 李淳飞 非线性光学 M 哈尔滨哈尔滨工业大学出版社 xx 高潮 吴洪才 李宝铭 等 J 精细化工 xx 21481 484 非线性折射率An 其变化大小与控制光光强E的平Study onall optical switchingcharacteristics0f3 octyl p0lvthi0phene carb0n nanotubeshybrids SUNxiao fen ZHENG Jian bang LIAO Wei JIANG Bing yi HAO Juan Shaanxi Key Laboratory ofOptical InformationTechnology KeyLaboratoryof SpaceApplied Physicsand Chemistryof Ministryof Education School ofScience Northwestern PolytechnicalUniversity Xi an710072 China AbstractSingle walled carbon nanotubes SW NTs were dissolvedin3 octyl polythiophene P3OTH solution bvcentrifugation andsuessions repeatedlyin thisarticle On thatbasis the all opticalswitching A S char acteristics ofP3OTH SWNTs plex liquid disso