Лазерная модификация гелей и гибридных материалов на основе оксида титана Кузнецов Арсений Игоревич

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ З

ГЛАВА І: ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11

1.1. Материалы на основе оксида титана 12

1. Кристаллы ТЮ₂ 12

2. Коллоидные растворы и гели. 17

1.1.3. Гибридные органо-неорганические материалы 20

1.2. Воздействие УФ и гамма - излучения на материалы на основе оксида титана 22

1.2.1. Коллоидные растворы 22

1.2.1-1. Введение 22

1.2.1-2. Изменение спектров поглощения коллоидных растворов окисида титана под воздействием
излучения. 23

1.2.1-2а. Изменение спектров поглощения под воздействием УФ излучения 23

1.2.1-26. Изменение спектров поглощения под воздействием у излучения 26

1.2.1-2в. Изменения спектров поглощения и ЭПР спектров, индуцированные электрохимическим путем.

1.2.1-3. Кинетика фотоиндуцированных зарядов. 31

1.2.1-4. ЭПР спектры облученных ТЮ₂ коллоидов. 36

1.2.1-5. Квантовый выход УФ-индуцированного разделения зарядов. 37

1.2.1-6. Использование ТЮ₂ для изготовления солнечных батарей 39

1.2.1-7'. Заключение 40

2. Порошки. 40

3. Монокристаллы 42

1.2.3-1. Дефекты 42

1.2.3-2. Поляроны 46

4. Гели 49

5. Гибридные материалы 51

1.3. Модификация прозрачных сред фемтосекундными лазерами 52

ГЛАВА II: ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 56

П.1. Эксперименты с использованием наносекундного лазера. 57

И.1. Эксперименты с использованием фемтосекундного лазера. 59

П.З. Приготовление образцов 61

1. Приготовление гелевых образцов. 61

2. Приготовление гибридных образцов. 62

П.4. Измерения сечения поглощения УФ-индуцированных Ti³⁺ центров в гелях и гибридных

МАТЕРИАЛАХ 64

ГЛАВА III: МОДИФИКАЦИЯ ГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ТИТАНА УФ ЛАЗЕРОМ 68

Ш.І.УФ-ИНДУЦИРОВАННОЕ ПОТЕМНЕНИЕ ТИТАНОКСИДНЫХ ГЕЛЕЙ 69

111. 1.1. Введение. 69

III. 1.2. УФ-видимые-ИК спектры 69

III. 1.3. ЭПР спектры Ті³* центров 72

111.1.4. Заключение. 73

Ш.2. Кинетика Ті³⁺центров в титаноксидных гелях 74

Ш.2.1. Введение. 74

III.2.2. УФ-индуцированное создание Ті³⁺ центров. 74

Ш.2.3. Релаксация Ті³* центров. 78

Ш.2.4. Индуцированное лазером уничтожение Ті³* центров 79

Ш.2.5. Теоретическая модель УФ-индуцированной кинетики Ті³* центров в титаноксидных гелях.

Ш.2.6. Заключение. 88

Ш.З Химическая активность фотоиндуцированных Ti³⁺ центров в титаноксидных гелях 89

ІІІ.3.1. Введение. 89

III. 3.2. Кинетика индуцированного лазером видимого и УФ поглощения гелей с HN0₃ 90

HI. 3.3. Теоретическая модель кинетики Ті³* центров в гелях с HN0₃ 99

III.3.4. Заключение 104

ГЛАВА IV : МОДИФИКАЦИЯ ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНОКСИДНЫХ
ГЕЛЕЙ УФ ЛАЗЕРОМ 105

ГУЛ. Введение 106

IV.2. Спектры поглощения гибридных образцов 107

IV.3. Спектры поглощения и ЭПР спектры УФ облученных гибридных образцов 109

IV.4. УФ-ИНДУЦИРОВАННАЯ КИНЕТИКА Tl³⁺ ЦЕНТРОВ В ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛАХ 111

IV.5. Релаксация Ti³⁺ центров в гибридных образцах 115

IV.6. Индуцированное лазером уничтожение Ti³⁺ центров в гибридных материалах 116

IV.7. Заключение 121

ГЛАВА V : МОДИФИКАЦИЯ ГЕЛЕЙ И ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА
Г ТИТАНА ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРАМИ 123

V.I. Модификация титаноксидных гелей мощным фемтосекундным лазером 124

V. 1.1. Введение. 124

V. 1.2. Генерация Ті³* центров в титаноксидных гелях под воздействием излучения мощного
фемтосекундного титан-сапфирового лазера. 124

V. 1.3. Генерация Ті³⁺ центров за счет мягкой плазмы 128

V.I.4. Генерация Ті³⁺ центров за счет суперконтинуума. 133

V.I.5. Заключение. 136

V.2 Лазерное микроструктурирование гибридных материалов на основе титаноксидных гелей.
138

ГЛАВА VI: ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПРОЗРАЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРАМИ 141

VI. 1. ВВЕДЕНИЕ 142

VI.2. Модели 142

VI.2.1. Модель многофотонной модификации 142

VI.2.2. Модель модификации через образование свободных электронов 144

VI.3. Анализ уравнения фоккера-Планка 147

VI.4. Лазерная модификация прозрачных диэлектриков одиночным фемтосекундным

ИМПУЛЬСОМ 152

* VI.5. Лазерная модификация прозрачных диэлектриков последовательностью

ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ 154

VI. 5.1. Уравнение Фоккера-Планка в присутствии электронных ловушек. 156

VI. 5.2. Лазерная модификация прозрачных материалов, содержащих электронные ловушки. 163

VI.6. Заключение 173

VI.7. Приложение 1 174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 180

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 197

«г

*

Введение к работе

В последние тридцать лет материалы на основе оксида титана привлекают большое внимание исследователей, благодаря возможностям их практического использования в фотокатализе, изготовлении солнечных батарей, и в других областях. В настоящее время известно множество различных форм оксида титана, в которые входят кристаллы ТіОг трех основных форм: рутил, анатаза и брукит; титаноксидные золи и гели; порошки, состоящие кристаллических и аморфных фаз; а также гибридные материалы. Материалы на основе оксида титана могут быть созданы как в виде маленьких частиц и тонких покрытий, так и в объемной форме. Эта диссертационная работа посвящена исследованию гелей и гибридных материалов на основе оксида титана. Титаноксидные гели - это ветвистые полимероподобные структуры с формулой TiO_fl(OH)i(OR)4-2a-6- Они обычно используются в качестве промежуточного продукта для получения порошков ТіОг с большой активной поверхностью. Низкая механическая стабильность гелей ограничивает возможности их применения. С другой стороны гели, в отличие от золей и порошков, являются объемными и в определенных условиях приготовления прозрачными материалами, что является преимуществом для применений в фотонике. Следует отметить, что приготовление объемных прозрачных кристаллов ТіОг требует использования существенно более дорогих и долговременных методов, чем в случае гелей.

Недавно было обнаружено, что гели обладают уникальной фоточувствительностью и фотохромными свойствами. Под воздействием ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения в этих высокопрозрачных средах появляется широкая полоса наведенного поглощения, которая проявляется как потемнение облученной части геля [1]. Эти спектральные изменения являются обратимыми, и через некоторое время, зависящее от способа приготовления гелей, они восстанавливают свою прозрачность. Была показана фотохимическая природа этих спектральных изменений, и было предположено, что они связаны с образованием Ті центров. Этот эффект интересен для различных применений в фотонике, в особенности, для трехмерного микроструктурирования. Исследование этого нового феномена, его природы и возможных применений легло в основу этой диссертационной работы.

Целью данной работы является;

Систематическое экспериментальное исследование индуцированных УФ светом процессов, происходящих в гелях и гибридных материалах на основе оксида титана. Разъяснение природы возникновения УФ- индуцированного широкополосного наведенного поглощения в этих материалах. Построение теоретических моделей, описывающих наблюдаемые экспериментальные результаты.

Исследование особенностей модификации гелей и гибридных материалов под воздействием фемтосекундных инфракрасных (ИК) лазеров.

Исследование возможности применения этого нового эффекта.

Содержание работы:

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Первая глава посвящена литературному обзору. Несмотря на то, что гели на основе оксида титана сильно отличаются от ТІО2 кристаллов, порошков и коллоидов, некоторые схожие свойства все-таки существуют, такие как значение ширины запрещенной зоны и отклик вещества на УФ воздействие. Таким образом, для того чтобы выяснить природу процессов, происходящих в титаноксидных гелях под воздействием УФ излучения, следует обратиться к исследованиям УФ модификации других материалов на основе оксида титана. Это проделано в литературном обзоре (Глава I). Первые две части Главы I дают вводную информацию о диоксиде титана, а также о продуктах на основе ТіОг, приготовленных золь-гель методом. Воздействие УФ излучения на титаноксидные гели практически не исследовано, в то время как очень много работ выполнено по исследованию УФ-индуцированных процессов, происходящих в коллоидных растворах, порошках и кристаллах ТіОг- Обзор этих работ приведен в третьей части Главы I. Четвертая часть Главы I посвящена краткому обзору работ по модификации прозрачных сред фемтосекундными лазерами.

Похожие диссертации на Лазерная модификация гелей и гибридных материалов на основе оксида титана

Спектральные свойства двумерных фотонных кристаллов на основе материалов с резонансной дисперсиейРудакова, Наталья Викторовна

Разработка и исследование оптических методов изготовления дифракционных элементов на основе материалов с управляемым коэффициентом поглощенияКорольков, Виктор Павлович

Голографические дифракционные структуры для оптических систем связи на основе фотополимерных материалов Довольнов Евгений Андреевич

Оптические планарные волноводы на основе стеклообразных материалов и фотофизические явления в нихНиконоров, Николай Валентинович

Взаимодействие собственных и примесных дефектов в люминесцентных полупроводниковых материалах на основе халькогенидов цинкаЛепнев Леонид Сергеевич

Нелинейно-оптические свойства новых нанокомпозитных материалов на основе биосиликатов и полимеровПрощенко Дмитрий Юрьевич

Динамически управляемые дифракционные структуры на основе фотополимерных жидкокристаллических материалов для оптических систем связиУстюжанин, Сергей Владимирович

Спектрально-люминесцентные свойства и структура ураниловых и вольфрамовых фосфатных соединений и материалов на их основеАметкевич, Николай Александрович

Оптическая и ЭПР-спектроскопия материалов квантовой электроники и нелинейной оптики на основе кристаллов фторидов, семейств дигидрофосфата и сульфата калияСилкин Николай Иванович

"Создание основ и математического обеспечения базы данных по спектроскопии соединений, активированных лантанидами, и ее использование при исследованиях материалов для лазеров"Дубаускас, Гядиминас Йонович