金属纳米线的非线性光学性质分析

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1、第一章绪论第一节金属纳米材料研究概述1．1．1纳米材料的基本性质与应用纳米科学技术是20世纪80年代诞生并正在迅速崛起的新科技【l_2J。它的基本思想是在认识纳米尺度范围内的超微粒子内部以及颗粒之间相互作用与运动基本规律的基础上，通过直接操纵和安排原子、分子或团簇来创新新的物质。纳米材料是是整个纳米科学技术领域的重要组成部分。纳米材料的尺度一般定义为1．100nm的范剧2，3】。一般地讲，只要材料在三维空间中有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料均可被认为是纳米材料【3】。按维数，可将纳米材料的基本单元划分为：(1)零维单元，即指三维尺

2、度均在纳米尺度，如纳米颗粒、纳米团簇等。(2)一维单元，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等。(3)二维单元，即指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米材料除了具有纳米尺度外，还具有该尺度下所特有的性能。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡域，是处于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质【2】。因此，纳米材料有着不同于传统固体材料的显著的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等一系列崭新的物理现象和基本物理效应，并表现出奇异的力学、磁学、电学、光学、热学和化学等特性。例如，在

3、纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等【引。正因为纳米材料的这些特殊性质，近些年来，对纳米材料的研究，已经逐渐成为国际上一个非常热门的领域。当前，纳米材料科学的研究主要包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过与常规材料对比找出纳米材料的特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论，发展完善纳米材料体系

4、：二是发展第章绪论新型纳米材料纳米尺寸的台成，为发展新材料提供了新的选径2金属纳米材料的发展殛研究在众多纳米材料中，近lO余年来，以金、银、铜等贵金属为代表的金属纳米粒子引起人们的极大关注，因为这类纳米粒子在光电子学、微电子技术、生物工程等领域具有巨大的应用价值H”。与本体材料相比，金属纳米粒子具有非常特别的光谱学特征167]其中一个重要的方面就是非线性光学(nonlinearoptical，NLO)性质。因此，它们在光信息处理、激光防护等非线性光学器件方面具有重要的用途口l。近年来。人们发展r多种方法来制备纳米材料，如电子柬光刻、水热合成法、溶胶一

5、凝胶法、蒸发、溅射、模板法等方法，纳米材料得到了很大的发展。图l1为南开大学的徐章程p’等利用_次阳极氧化法制备得到的阳极氧化铝(AAO)模板，从而可以在AAO纳米阵列中沉积制备金属纳米线。随着贵金属纳米粒子复合物制各技术的发展．它们的功能化和器件化并i

6、}终走向应用会成为现实。图11通过二次用撮氧化法制备得到的AAO纳米阵列作为一类新型的NLO功能材料，这类金属纳米粒子具有非线性光学系数大、响应速度快等优良特性【l”。诸多研究表明，它们的NLO特性与其形状、化学组成、表面状态以及存在的介质等多种因素密切相关I】1-14]即这类纳米粒予的NLO性能具

7、有很大的可变性或可塑性。因此，可以通过不同的制各手段对金属纳米粒子的相关参数进行控制，以获得具有理想NLO性能的贵金属纳米材料，为材料的性能设计带来了较大的想象空间。第一章绪论第二节非线性光学简介1960年，Maiman$1J得了第一台红宝石激光器，而激光的产生标志着非线性光学领域的诞生【”】。1961年，Franken将红宝石激光束入射到石英片上，发现出射光束中不仅有红宝石的694．3nm光束，在紫外区还存在另一条光谱线，其波长为347．2nm，这正好是红宝石激光波长的一半¨51。从而首次观测到了二次谐波产生效应，该实验结果揭开了非线性光学研究史的

8、第一页。此后，这一领域吸引了越来越多的科研工作者，非线性光学迅速发展起来，逐步成为光学领域中一支新的，独立的学科分支。经过几十年的发展，非线性光学己经深入到很多科学领域之中，鼓舞着人们去探索新型的非线性光学功能材料。探索新型的非线性光学材料及其非线性光学性质的研究一直是非常活跃的学科前沿课题Il6，17J。当高强度的激光作用于介质体系时，光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度度的关系式中，必须计及光电场强度的高幂次项【l81，即P(r，，)=60Z‘¨·E-I-岛Z‘2’：EE+氏Z‘3’iEEE+⋯(1．1)P：P(1)-I-P(2)+P(3)+

9、⋯(1．2)在(1．1)中，右边第一项即是线性电极化强度项，而第二项、第三项以及更高幂次项，即是非线性光学效