二硫化钼-石墨烯纳米复合薄膜的非线性吸收特性研究

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1、分类号：０４３学校代码：１０６９７密级：公开学号：２０１５２０５５６馨硕士字位论文’ＭＡＳＴＥＲＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ二硫化钼／石墨烯纳米复合薄膜的非线性吸收特性研究学科名称：光学作者：何敏敏指导老师：张苏娟副教授西北大学学位评定委员会二〇一八年NonlinearAbsorptionPropertiesofMoS2/grapheneNanocompositeFilmsAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentofthe

2、requirementsforthedegreeofMasterinOpticsByMinminHeSupervisor:SujuanZhangAssociateProfessorJune2018摘要摘要石墨烯和二硫化钼作为典型的二维纳米材料，有望成为新一代光电器件材料。石墨烯具有许多优异的物理与化学性质，但是零带隙能带结构限制了它在光开关等光学器件上的进一步应用。这就需要发掘更多的二维材料来弥补石墨烯在部分应用中的短板。二硫化钼作为典型的过渡金属硫化物，其单层结构具有直接带隙的特性，多层及块体则为间接带隙半导体，且其具有非常高的开关比（1×108）

3、，在光电器件中显示出广阔的应用前景。因此，石墨烯和二硫化钼的特性可以互为补充，基于两种材料的异质结材料也将具备优于单一材料的物理、化学和光电特性。其中，非线性光学特性是材料在非线性光学器件应用的基础。Z扫描由于操作简单且灵敏度高的优势在材料三阶非线性特性研究中被广泛使用。本文主要利用液相剥离和真空抽滤技术制备了不同厚度的二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜，并且通过自主搭建的开孔Z扫描系统研究了薄膜样品的非线性吸收特性。结果发现复合材料具有更强的可饱和吸收特性，并且利用瞬态速率方程与光传输方程拟合数据说明石墨烯与二硫化钼之间存在电荷转移。本文的具体内容如下：

4、（1）Z扫描系统搭建。基于Z扫描理论和实验室情况自主设计并搭建Z扫描系统。该系统具有高重复频率，高强度和宽波段的特性。此外，通过对放大级光路准直与测试实现Z扫描系统的优化，并利用标准样品CS2对系统进行标定。最终保证了Z扫描系统样品测量的高准确性和高信噪比。（2）二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜制备。利用液相剥离和真空抽滤技术转移得到不同厚度的二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜。此外，在相同条件下制备了单一的二硫化钼薄膜和石墨烯薄膜，从而可以对比单一材料与复合材料的特征差异。在表征方面，原子力显微镜，拉曼光谱和可见光吸收光谱的结果都表明二硫化钼/石墨烯纳米复合

5、薄膜的成功制备。这种制备纳米复合薄膜的方法简单高效，且可以实现大面积制备。对于二维纳米复合薄膜的实际生产与应用是可持续、可拓展的。（3）二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜非线性吸收特性研究。利用放大级开孔Z扫描光路对样品进行测量。实验结果表明，在相同激发条件下，相比于单一的石墨烯和二硫化钼薄膜，相同厚度的二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜具有增强的可饱和吸收特性。I西北大学硕士学位论文我们建立三能级模型分析了非线性吸收增强主要是由二硫化钼与石墨烯之间的电荷转移引起的。基于二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜表现的增强饱和吸收特性，复合材料在激光锁模和调Q等非线性光学器件

6、中是最佳选择。关键词：三阶非线性光学效应，Z扫描，二维纳米材料，二硫化钼/石墨烯纳米复合薄膜IIABSTRACTABSTRACTAstypicaltwo-dimensionalnanomaterials,grapheneandmolybdenumdisulfide(MoS2)areexpectedtobecomeanewgenerationofoptoelectronicdevice.Graphenehasmanyexcellentphysicalandchemicalproperties,butthezerobandgapstructureofgr

7、aphenehindersitsdevelopmentinopticaldevicessuchasopticalswitches.Thus,itisnecessarythatexploringmoretwo-dimensionalmaterialstocompensatefortheshortageofgrapheneinapplications.Asatypicaltransitionmetaldichalcogenides,MoS2hasadirectbandgapofsingle-layer,multilayersandbulksareindi

8、rectbandgapsemiconductors,andithasaveryhighswitchingra