cu-mgf2复合纳米颗粒薄膜的光学非线性特性

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1、http://www.paper.edu.cn∗Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜的光学非线性特性孙兆奇，孙大明，曹卓良，陈鹤平，宋学平安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥（230039）E-mail：szq@ahu.edu.cn摘要:用射频磁控溅射镀膜装置制备的Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜，纳米Cu颗粒的粒径为10.5～23.3nm，表面等离子激元共振吸收峰随Cu颗粒体积分数和颗粒粒径的增大而朝长3波方向移动。当Cu体积分数q=0.1时，在ε+2ε=0附近，最大吸收系数α≈6.5×10md-1−92−7cm，三阶光学

2、非线性折射率系数γ≈1.0×10cm/W，非线性折射率n≈−4.0×10esu，2(3)−8(3)−11三阶光学非线性响应X≈6.8×10esu，优值比Xα≈1.0×10。RR关键词：复合颗粒薄膜，微结构，光学非线性特性中图分类号：O4841．引言[1][2-3]由Mie和Maxwell-Garnett理论可知，金属/介质复合颗粒体系的三阶光学非线性响应峰位接近其表面等离子激元共振吸收峰位。因此，通过对材料参数和频率的协调，可以在金属陶瓷复合颗粒薄膜中实现光学双稳态。这类金属陶瓷复合颗粒薄膜，一般为在非线性介质基体中

3、镶嵌线性金属颗粒或非线性金属颗粒，或在线性介质基体中镶嵌非线性半导体颗粒或非线性金属颗粒所构成。由于镶嵌的金属颗粒（或半导体颗粒）受到介质势垒的三维强限域作用，具有零维量子点的特点，因而表现出增强的三阶光学非线性响应。研究表明，若干金属陶瓷复合颗粒薄膜，如Au、Ag、Cu、Sn或Ni等纳米金属颗粒镶[4-9]嵌于电介质基体如玻璃、SiO2和Al2O3等，都具有较强的三阶光学非线性响应。[10]我们在研究Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜的光吸收性能时，采用Z－扫描装置，对其光学非线性折射率和三阶光学非线性响应进行了测量，

4、发现Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜具有良好的三阶光学非线性响应，在光信息存储及光通讯快速开关器件上显示出良好的应用前景。2．Cu-MgF2复合薄膜的制备Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜是在超高真空射频磁控溅射镀膜装置上制备的。溅射靶材制备方法如下：在MgF2陶瓷靶表面根据Cu-MgF2薄膜的组分比要求，并考虑到Cu和MgF2靶材的不同溅射率与有效溅射面积，计算出Cu和MgF2的暴露面积比例，然后在MgF2靶面用高温银浆贴上相应的Cu片。用此法制作的Cu-MgF2复合靶得到的Cu-MgF2复合颗粒薄膜[11]组分比非常接

5、近设计要求。Cu-MgF2复合薄膜在室温下溅射制备，其厚度由石英晶体振荡器监控，约为600nm。按不同的测试要求，基片分别采用覆碳Formvar膜铜网、单面抛光Si片或石英片。薄膜镀好-3后在高真空中（8×10Pa）200℃温度下退火4小时。∗本文得到国家自然科学基金(批号：50642038)、教育部博士点专项基金（批号：20060357003）、安徽省科技厅重点项目(批号：05021028)、安徽省人才专项基金(批号:2004Z029)及安徽大学人才队伍建设基金的资助。-1-http://www.paper.edu

6、.cn3．结果与讨论3.1微结构分析用带电子衍射功能的JEM-100SX型透射电镜（TEM）对Cu-MgF2复合颗粒薄膜的微结构进行分析。图1（a1-a3）是不同组分Cu-MgF2复合薄膜的TEM明场形貌照片，随着Cu组分体积分数的增加，Cu颗粒尺寸增大，其平均粒径分别为12、20和24nm。图1（b1-b3）是相应薄膜的电子衍射图样，由里往外，衍射环分别对应MgF2(110)、MgF2(111)、Cu(111)、MgF2(210)、Cu(200)、Cu(220)、MgF2(211)、MgF2(220)…。从衍射环的

7、锐细状况看，不同组分的复合薄膜均呈多晶结构。a1b1a2b2a3b3图1Cu-MgF2颗粒薄膜的明场TEM照片及电子衍射图样：a1,b1－10vol.%Cu；a2,b2－20vol.%Cu；a3,b3－30vol.%CuFig.1LightfieldTEMphotosandEDpatternsofCu-MgF2nanoparticlefilms3.2光吸收谱图2是用ShimadzuUV-240型紫外－可见分光光度计测量的Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜在200～900nm范围内的光吸收谱，其中10vol.%Cu薄膜的C

8、u纳米颗粒表面等离子激元共振吸收峰位λ=578nm，20vol.%Cu薄膜的共振峰位λ=588nm，而30vol.%Cu薄膜12-2-http://www.paper.edu.cn的共振峰位λ=606nm。很显然，随着Cu组分体积分数的增加，等离子体共振吸收峰朝3长波方向移动。vol.30%Cu-MgF2vol.20%Cu-MgFAbsorba