二氧化钛/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光限幅性能研究

论文摘要

在现代信息化高技术战争中,卫星作为指挥员的“耳目”和“神经中枢”发挥着事关成败的重要作用,同时各种激光武器威胁着卫星的生存。卫星光电探测系统由于要求极高的灵敏度及精度,因而伴随着破坏阈值低的特点。面对激光武器之于卫星的巨大威胁,卫星上光电探测系统的激光防护具有十分重要的战略意义。在现有的激光防护材料中,防护效果不受波长局限的基于非线性光学原理的激光防护材料是主流研究方向,这类材料也即光限幅材料,材料的光限幅性能也即激光防护的性能。二氧化钛（TiO2）具有可见光区至红外光区的较高透过率、热稳定性与化学稳定性良好以及优异的光电性能等特质;还原氧化石墨烯（rGO）具有特殊的能带结构和高载流子迁移率,在纳米复合材料和光电器件等领域也引起科研工作者的极大兴趣。本课题选择光限幅性能优异的rGO与可见光透过率高的TiO2制备复合材料并对其光限幅性能展开研究。本课题开展的主要研究内容和研究结果包括:1.采用改进Hummers方法制备前驱体材料氧化石墨烯（GO）,将获得的GO和钛酸四丁酯（TBT）通过简单的一步水热法制备TiO2/rGO复合材料。通过多种测试手段对材料进行结构表征,发现得到的GO为单层与多层（8-10层）的混合,而TiO2与rGO两组分之间的作用为化学键合。2.确定最大化利用协同作用的复合材料的最优配比及最优组分。分别选择商业纳米TiO2粉末（P25）以及TBT作为复合材料中TiO2的钛源进行材料制备,通过Z-Scan探究TiO2粒子尺寸和添加量对光限幅性能的影响。Z-Scan结果表明TBT为钛源的复合材料比P25光限幅性能更好。而在以TBT为钛源的复合材料中,TBT添加量为0.25g时复合材料光限幅效果性能最佳。3.贵金属金纳米粒子修饰复合材料得到三元体系Au@TiO2/rGO。金纳米粒子可以有效地捕获激发电子,重新分布游离载流子,使电子可以从具有较高费米能级的TiO2转移到具有较低费米能级的Au。Z-Scan测试结果表明加入0.2mL HAuCl4溶液的Au@TiO2/rGO复合材料光限幅效果最佳,相比未修饰Au纳米粒子的复合材料透过率下降15%,相较GO透过率下降48.2%。目前TiO2/rGO复合材料在光限幅领域的报道只有寥寥几篇,本课题创新地从多个角度优化TiO2/rGO复合材料的光限幅性能。首先,从光限幅机理角度,考虑TiO2粒子尺寸对复合材料光限幅性能的影响;基于复合材料的基本属性,考虑复合材料的两组分组成配比对光限幅性能的影响;从协同效应角度考虑,将贵金属纳米粒子引入构成三元复合材料体系,三元协同效应进一步优化材料的光限幅性能。本课题采取改变材料微结构的方式提升材料的光限幅性能,并结合材料微结构给出一定的光限幅机理分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 光限幅效应概述
•     1.2.1 光限幅效应的机理
•     1.2.2 光限幅性能的测试技术
•     1.2.3 光限幅材料的研究进展
• 2半导体材料简介'>  1.3 TiO₂半导体材料简介
• 2的结构与性质'>    1.3.1 TiO₂的结构与性质
• 2在光限幅领域的研究现状'>    1.3.2 TiO₂在光限幅领域的研究现状
•   1.4 rGO材料简介
•     1.4.1 rGO材料的结构与性质
•     1.4.2 rGO材料在光限幅领域的研究现状
•   1.5 本课题的目的意义及研究内容
•     1.5.1 课题的目的意义
•     1.5.2 课题的研究内容
• 第2章 基于氧化石墨烯的光限幅性能研究
•   2.1 引言
•   2.2 氧化石墨烯的制备及性能研究
•     2.2.1 实验部分
•     2.2.2 材料结构表征
•     2.2.3 光限幅性能表征
•   2.3 本章小结
• 2/rGO复合材料的制备及光限幅性能研究'>第3章 TiO₂/rGO复合材料的制备及光限幅性能研究
•   3.1 引言
• 2/rGO复合材料的制备及研究'>  3.2 TiO₂/rGO复合材料的制备及研究
•     3.2.1 实验部分
•     3.2.2 材料结构表征
•     3.2.3 光限幅性能表征
• 2/rGO复合材料的制备及研究'>  3.3 不同水热时长的TiO₂/rGO复合材料的制备及研究
•     3.3.1 实验部分
•     3.3.2 材料结构表征
•     3.3.3 光限幅性能表征
•   3.4 TBT与P25作不同钛源的复合材料的制备及研究
•     3.4.1 实验部分
•     3.4.2 材料结构表征
•     3.4.3 光限幅性能表征
•   3.5 本章小结
• 2/rGO复合材料的制备及光限幅性能研究'>第4章 Au@TiO₂/rGO复合材料的制备及光限幅性能研究
•   4.1 引言
• 2/rGO复合材料的制备及研究'>  4.2 Au@TiO₂/rGO复合材料的制备及研究
•     4.2.1 实验部分
•     4.2.2 材料结构表征
•     4.2.3 光限幅性能表征
•   4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任玉玉

导师: 宋力昕,赵丽丽

关键词: 二氧化钛,还原氧化石墨烯,纳米复合材料,光限幅

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

分类号: TB332;TN249

DOI: 10.27970/d.cnki.gksgs.2019.000096

总页数: 73

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