可调Piezophotonic影响核壳纳米粒子由激光消融在液体外部电压

文摘

我们报告一个piezophotonic效应的实验研究金和锆钛酸铅(PbZrTiO₃)纳米颗粒(NPs)以及他们的核壳纳米结构由激光消融在液体的方法。获得这些NPs和复合材料,目标是沉浸在去离子水和聚合物溶液的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)下Nd: YAG激光脉冲辐照。线性和非线性特性,研究了这些NPs光学光谱和Z-scan技术。此外,可调的非线性性质NPs在外部电场测量照明下探讨piezophotonic效果。我们的结果表明,压电陶瓷和非盟的接口,由于肖特基势垒,我们有电子/空穴复合预防,从而导致有效增强的非线性特性。

1。介绍

piezophotonic效应,可以视为一个双向耦合影响压电与光致激发属性(1,2),由光子激发的接合,压电,和半导体氧化锌纳米材料属性(piezophototronic效应),调查了王等。1- - - - - -4]。他们的考试表现出noncentro对称半导体的性质可以调下压电领域。由于这些发现,电子或光子的材料获得重视社区(5- - - - - -7]。

介绍了这些材料,王中林教授(8),大功率发电机(9),机电传感器(10),致动器(11),和能量转换器(12)基于压电和半导体特性的耦合。为了实现这些应用程序,其中最重要的武器是最好的压电效应的材料,如PbZrTiO3(压电),低胁迫,大的极化,充当high-Curie温度电力绝缘子13]。

上述应用程序从这些材料,它们大部分的报道,薄膜,或单nanoparticels压电结构(14]。之后,来获得更多的效率、复合、三明治,或异构结构提出了这些材料。因此,术语“核/壳”采用半导体和金属的获得源于它们的属性,而不是单个属性的组合,并获得可调谐和协同作用的属性一些新兴的金属和半导体组件之间的活动(15- - - - - -17]。

可以知道材料的贵金属纳米颗粒显示有效共振由于电子的集体振荡,称为表面等离子体共振(SPR)的现象。这种共振在不同的繁殖型或局部电场的形式可以用于放大附近的其他材料。改善当地电场负责放大的线性和非线性特性18- - - - - -23]。

根据上述特性,半导体/金属界面可以用于控制纳米结构的光学性质等参数由外部或内部的电场或磁场和大小核心或壳部分,分别。这些光学特性可以分为两个主要部分:线性和非线性。线性的情况下,有很多的论文也关注SPR波长和费米能级和费米钉在它们的接口等等9]。非线性情况下,很少有作品关注的变化的非线性特性使用Z-scan裸核壳纳米结构的方法,这是一个优秀和一般使用过程来描述材料的非线性光学性质(24,25]。

另一方面,优化和调整纳米结构的光学和piezophotonic性质基于界面现象的理解是NPs领域的一个非常重要的话题。直到现在,没有任何调查的线性和非线性特性在外部电气和光学领域。在这项研究中,我们准备好的非盟、压电和Au@PZT PZT@Au核/壳NPs激光消融的液体(LAL)方法,因为这种技术的各种优势,例如,实验装置简单,成本低,环境友好。这种技术已经成为一种很有前途的方法,NP的合成系统,如单个或核心壳液解决方案(19,26,27]。这项工作集中在外部电场的影响的具体计算非线性折射率,计算的closed-aperture z-scan技术显示piezophotonic对样品的影响。此外,由于铁电材料外部电场敏感,我们使用它们在透明介质矩阵两个内部(当地领域经验丰富的金属NPs)和外部的电场。

2。理论

纳米材料大的三阶光学非线性最近成为研究人员的重要课题,具有广泛的科学兴趣,主要是因为他们的可能的快速光开关器件的应用变得越来越重要和更常用28]。三阶非线性的通常是在媒体中心对称的研究,在二阶非线性磁化率为零(29日]。

在一个线性电介质,线性关系之间的交互所产生的感应电极化强度与电场的光如下: 在哪里真空的介电常数和吗电介质极化率的介质。

极化P是一个产品的个人偶极矩p,这是由应用电场诱导E,偶极矩的数密度。这之间的关系p和E变得非线性E提高足够的高值。外部电场几乎总是小于原子间的特征字段,即使使用激光,这意味着非线性通常是弱(28,29日]。这是基本表示为一个非线性光学介质。这一事实和结合麦克斯韦方程,折射率, ,和光学吸收, ,可以表示成强度的函数我入射激光束的(30.]。这种非线性折射率的一部分可以写如下: 在哪里表示入射电子束的强度在焦点激光的强度的函数,我,和 在哪里 在哪里和透光率的最大和最小值为closed-aperture Z-scan技术,分别是非线性相移,S是孔径的线性透过率(30.- - - - - -32]。同时,l_eff材料的有效长度为样本长度的函数,l线性吸收系数, ,作为(28- - - - - -34] 在哪里样品的长度和吗是线性吸收系数28- - - - - -34]。

3所示。实验方法

实验装置的原理图在图描述1显示了纳米粒子生成设置液体激光烧蚀的方法。实验进行了用q开关Nd: YAG激光器,在波长1064 nm,脉冲宽度(5 ns),和重复率(10 Hz), 100年乔丹每脉冲能量集中在样品。

激光指示在纯(99.9%)金1毫米的厚度和压电陶瓷合金厚度为2毫米,这是用作比较目标和沉浸在液体(去离子水和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚合物的混合1% PVP和去离子水溶解使用电磁搅拌器)。为了获得更稳定的解决方案,在容器中,我们使用一个玻璃容器下反射率镜和150毫米焦距镜头。水一直在目标10毫米,高度和石英盖被用来避免溅到周围的容器。

透镜之间的距离和目标调整,以获得最佳的激光束聚焦在目标。制备双金属Au@PZT和PZT@Au核壳NPs,连续两步消融方法,示意图见图2使用。在这种方法中,第一个非盟NP胶体溶液是由激光消融的非盟在去离子水环境目标。又一次,在PVP,照射目标经历了3分钟,伴随着均匀液体染色,粉红色的等离子体共振乐队盟NPs在可见区域。在照明激光脉冲,胶体颜色变化的观察,这个过程持续到胶体的颜色变成了红色,其次是消融的压电陶瓷目标之前准备盟NPs胶体溶液。压电陶瓷NPs作为熔化热盟的壳,形成核心的物种。消融时间是2 - 3分钟为压电陶瓷获得核壳形态不同壳层厚度。准备后,所有的样品都是在室温下搅拌在一个超声波浴(RT)约15分钟。

为了研究外部电场的影响的非线性折射率NP样本,我们采用closed-aperture Z-scan技术,和测量已经完成λ= 532海里,这是接近SPR吸收带的材料,使用连续波二极管抽运固体激光器作为光源。

激光束给高斯概要文件由垂直极化和在正入射功率120 mW几何学。样品是向前和向后移动Z设在束腰的激光测量期间,在外部电场的作用(使用变量电压(鹿volt)),分析非线性折射率的变化。设置为Z-scan实验的示意图如图3。

4所示。结果与讨论

准备NPs的光学吸收谱和核/壳样品使用紫外可见分光光度计测定。如图的行为4。

图4(一)显示产品的紫外可见吸收S1 ~ S4 NPs在去离子水和核/壳样品的解决方案,和产品的紫外可见吸收S5 S8 NPs在PVP和核/壳样品的解决方案是如图4 (b)。这些数据显示,每个样本都有表面等离子体共振(SPR)吸收光谱表明NPs大小。这些样品的SPR峰值测量表明,共振峰变得更强大在PVP的解决方案,因为矩阵更稳定。可动的SPR波长发生样本如表所示1。

这红移是由于较大的折射率的核壳结构与压电陶瓷和非盟NPs相比。此外,SPR明确取决于NPs形状和大小的纳米粒子,也是对周围介质的折射率敏感由于壳厚度的差异9,17,35,36]。

同时,样品的形态调查使用场发射扫描电镜(FESEM)模型(地产- 7610 f),操作的加速电压(10 kV),识别并确定产生粒子的形状和大小。金属相的形成核/壳组成的颗粒quasi-spherical形态与尺寸范围为核心从50到90 nm和壳牌从20 nm Au@PZT 34海里的水,和大小开始增加到超过100海里的PZT@Au聚合物溶液可以看到从图5。可以看出,集聚效应没有在场,消融时在聚合物溶液中直接执行。

我们意识到材料的介电性能极其重要,发挥主要作用的位置和强度的峰值SPR NPs。正如我们所料,金属之间的耦合和压电介质收益率样品的折射率的变化。

这些属性关系的特征和如图6在去离子水和样品图7,聚合物样品的解决方案。

很明显从这些数据,当非盟NPs切除在水中的矩阵,我们的主要谐振峰值折射率澄清的吸收光谱。但是,当NPs准备在PVP矩阵,我们可以看到细微的变化在折射率的虚部尽管减少折射率的实部。这种变化可以被描述的事实我们有PVP支持更大的黄金NPs FESEM证实的形象。这是澄清当我们比较Au@PZT NPs在水中与NPs在PVP(数据矩阵6 (c)和7 (c)),我们可以看到两种截然不同的山峰在PVP矩阵在两种折射率的实部和虚部。

NPs非线性折射率的测量和核/壳样品使用Z-scan技术。扫描开始从远处附近重点检查生成的样本在PVP聚合物溶液具有非线性折射率值大于生成的去离子水。可以看出,归一化透过率曲线的热电模式表明样品在水溶液中产生的积极信号,非盟NPs除外。这不同于负号,透射峰谷之后,在所有应用电压指示self-defocusing现象。此外,valley-peak配置的负号表明样品除了Au@PZT NPs在PVP中产生的解决方案,如图8

你可能知道SPR波长的纳米复合材料可以通过应用程序来定期积极调制电场等外部参数。外部电场的影响,研究了非线性折射率和可变电压(鹿volt)直接影响细胞内的样本期间使用Z-scan扫描技术。我们观察到的电压量的增加会导致增加了热电透射率之间的距离(即。峰之间的归一化传播的差异和硅谷)。这意味着有一个数量的增加非线性折射率的样本,如图9。

图10表明,我们有一个增加的非线性折射率纳米粒子在聚合物溶液相比,水的解决方案。同时,我们有一个明确的增加在这当外部电场的影响。这是一个重要的研究的结果对设备的光学和电学性质的影响。

所有样本的比较与一些情节所吸引,如图11,我们得出结论,有样品的非线性折射率略有变化,而其他样品有一个显著的变化在他们的大小。这些变化取决于核心和壳之间的边界条件的样本。

我们的结果显示重要的适应性为每个组NPs非线性折射率。当电场(鹿volt)适用于NP样本,可以看到增强非线性折射率的金属NPs率为48%,而改进的比例不超过10%的核/壳NPs。

有各种各样的物理机制,导致合并折射率的非线性变化,电致伸缩,电子极化、光折变效应,超快电子效应(30.),和热效应31日),分子重新定向集体会引起非线性变化的指标(25,37- - - - - -39]。

我们的结果表明,非线性指数的变化显著,因为重新定位过程的核/壳NPs的激发极化和激光电场的变化增加而增加了核/壳NPs的外加电压。热效果可以大大有助于样本的非线性折射率在连续波激光器照明这可能发生,因为热的影响(40,41]。此外,我们预计,热效应的影响比其他效果。这个结果同意(32]。

得到更有意义的方式,我们使用能量图的核心和壳调查界面物理现象比如肖特基势垒高度,在金属/半导体接口是非常重要的。

在很大程度上,定义了当前交通和通过这些接口和电位分布,因此,有用的电子设备(13]。的能带图PZT@盟core@壳NPs接口如图12。真空水平来自典型的压电陶瓷和金属非盟的工作职能是关于5.8和5.1 eV,分别6.8 eV的电离势的压电陶瓷(13,42]。可能的乐队在压电陶瓷衬底鞠躬不是图表所示。

的电子亲和能χ= 3.4 eV的清洗压电薄膜来源于XPS测量,和一个能隙3.4 eV是文献[13]。通过考虑电子在界面的肖特基势垒的高度和考虑5.1 eV盟的功函数,偶极子的潜力δ可以不连续的真空水平在接口。在这里, , ,和传导带,费米能级,分别和价带的压电陶瓷。费米能级的位置在压电陶瓷/非盟接口已经决定利用金属功函数的组合和压电电子亲和能,= 1.8 eV,障碍的注入电子( )和孔( )(13,42]。辐射可见光,半导体的能隙内,如532纳米的激光,导致吸收光子,产生电场,迫使photogenerated的肖特基势垒和隔离在相反的方向。PZT@Au NPs与光辐照时,价带的压电陶瓷被兴奋到导带。EF以来PZT@Au比压电陶瓷下级传导带,非盟带间的捕捉从压电陶瓷。因此,非盟层充当的水库和防止photo-excited的快速重组和在半导体(42,43]。这将导致增加的吸收系数,因此非线性折射率SPR样本数量。这项工作将给那些对科学研究感兴趣的一些想法更多进步piezophotonic影响光学驱动器。

5。结论

总之,我们合成了非盟NPs,压电陶瓷,和核/壳NPs NPs分散在不同溶剂与纳秒脉冲激光烧蚀激光脉冲在1064 nm和研究他们的optical-limiting属性。我们的结果显示重要的适应性和可调谐性的吸收带,并为每个组NPs SPR可能有用的光学吸收装置的设计。我们描述了外部电场影响样品的非线性折射率,通过使用closed-aperture Z-scan技术,结果表明,电场修改控制的非线性折射率值样本可以piezophotonic材料发展的一个角度来看问题。此外,结合压电的铁电性质与非盟NPs的SPR奇迹,我们实现了可调谐性等纳米复合材料非线性光学性质的外部电压。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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