Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время одностенные углеродные нанотрубки (ОУН) [1] являются одним из наиболее интересных наноразмерных материалов не только с точки зрения изучения его физико-химических свойств, но и благодаря возможности его применения в различных областях. В связи с характерными размерами, сравнимыми с межатомными расстояниями, в нанотрубках проявляются квантово-размерные эффекты, лежащие в основе многих уникальных свойств [2], обусловивших их применение в наноэлектронике, вакуумной электронике, нелинейной оптике, биомедицине.
Свойства нанотрубок, сформированных из листа графена, обладающего уникальной электронной структурой, полностью определяются их геометрией. В зависимости от нее одностенные нанотрубки могут обладать как металлическим, так и полупроводниковым типом проводимости [2]. Ширина запрещенной зоны нанотрубок с полупроводниковым типом проводимости варьируется практически от 0 эВ до 2 эВ. Несмотря на то, что при синтезе образуются нанотрубки различной геометрии и диаметров, существуют методы последующего разделения, позволяющие эффективно выделять нанотрубки с определенными параметрами [3-5]. Полученные трубки с одинаковыми свойствами значительно расширяют область их применения. В частности, на основе выделенных металлических нанотрубок создаются прозрачные проводящие покрытия, по своим показателям превосходящие традиционные прозрачные проводники, такие как оксид индия олова (ITO). На основе полупроводниковых нанотрубок создаются высокопроизводительные полевые транзисторы.
С другой стороны, наличие полупроводниковых нанотрубок с различной геометрией и диаметрами оказывается востребованным в других областях, в частности, в нелинейной оптике. В средах на основе одностенных углеродных нанотрубок возможна реализация режима самосинхронизации мод в лазерах благодаря эффекту насыщения оптического поглощения [6]. При этом геометрия нанотрубок определяет рабочий спектральный диапазон пассивного нелинейно-оптического элемента. Элементы на основе одностенных углеродных нанотрубок обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционно используемыми для насыщающихся поглотителей материалами. Прежде всего, их рабочий спектральный диапазон очень широк (1-3 им) и может изменяться в зависимости от диаметров используемых нанотрубок. Это позволяет применять их для различных твердотельных лазеров. Они обладают характерными временами релаксации электронных возбуждений порядка 150-200 фс. Это является гарантией возможности получения с их помощью фемтосекундных импульсов. И, наконец, они обладают неплохой устойчивостью к термическому лазерному разрушению и остаются стабильными вплоть до плотностей мощности 109 Вт/см2 [15*].
Возможность контроля параметров нанотрубок позволяет получать материал, точно соответствующий конкретному применению. Эффективным методом анализа различных параметров нанотрубок, в частности, диаметра и геометрии, является оптическая спектроскопия. Комплексное исследование образцов такими оптическими методами как спектроскопия комбинационного рассеяния света, оптическое поглощение света и флуоресцентная спектроскопия, позволяет получить информацию о наличии одностенных углеродных нанотрубок, о типе их проводимости, о взаимодействии нанотрубок в среде между собой и непосредственно со средой, о распределении нанотрубок по диаметрам, а также точно определить геометрию и относительную концентрацию конкретных геометрий нанотрубок в образце.
За последние десять лет источники лазерного излучения стали применяться в различных совершенно новых областях. Данное обстоятельство повлияло на основные характеристики, требуемые от лазерных источников. Ими стали компактность, легкость настройки, эффективность и невысокая стоимость. По этим причинам большое развитие получили волоконные лазеры. Они применяются в таких областях как волоконно-оптическая связь, обработка материалов, биомедицина. В частности, реализация режимов синхронизации мод позволяет получать короткие импульсы длительностью от нескольких десятков фемтосекунд до сотен наносекунд, которые нашли применение в механической микрообработке, офтальмологических и стоматологических операциях, сварке живых тканей, оптической когерентной томографии, зондировании атмосферы.
Цель работы
Целью работы являлось создание, модификация и оптическая характеризация сред на основе одностенных углеродных нанотрубок, для формирования на их основе нового поколения насыщающихся поглотителей, позволяющих осуществлять самосинхронизацию мод и формировать суб-пикосекундные импульсы в волоконных лазерах с рабочим спектральным диапазоном 1-2 цм.
В работе решались следующие задачи;
Создание нелинейно-оптических сред на основе одностенных углеродных нанотрубок. Их комплексное исследование методами КР света, оптического поглощения и флуоресцентной спектроскопии.
Исследование взаимодействия нанотрубок в растворах, полимерных пленках и осажденных пленках между собой и непосредственно со средой при помощи спектроскопии флуоресценции и спектроскопии КР света.
Разделение нанотрубок с целью исследования характеристик одностенных углеродных нанотрубок с одинаковыми параметрами электронной структуры.
- Применение сред на основе одностенных углеродных нанотрубок для реализации режимов самосинхронизации мод в различных волоконных лазерах.
Научная новизна
Впервые сформированы полимерные пленки с однородно распределенными ОУН, синтезированными тремя различными методами (НІРСО, дуговой разряд, аэрозоль). Определены средние диаметры ОУН и их рабочий спектральный диапазон. Впервые определены положения полос поглощения ОУН, синтезированных аэрозольным методом.
Впервые продемонстрирована возможность создания пленок на основе карбоксиметилцеллюлозы со встроенными ОУН, обладающих различными коэффициентами пропускания от 15 % до 90 %.
Исследовано формирование пучков нанотрубок в жидких суспензиях, полимерных пленках и пленках без полимерного основания, осажденных на подложки. Впервые зарегистрирован сигнал флуоресценции ОУН, встроенных в полимерные пленки.
Впервые осуществлено разделение ОУН методом градиентного центрифугирования на металлические и полупроводниковые при использовании в качестве исходного материала химически неочищенной сажи, содержащей нанотрубки. Определена взаимосвязь диаметров выделенных металлических нанотрубок с концентрациями поверхностно-активных веществ (ПАВ), использованных при разделении. Выполнено разделение нанотрубок по диаметрам при использовании одного ПАВ.
Сформированы полимерные пленки со встроенными ОУН, позволившие реализовать режим самосинхронизации мод в Ег + (1.57 им), Тт (1.93 им) и Yb (1.06 рм) волоконных лазерах. Минимальная достигнутая длительность выходных импульсов составила 177 фс. Насыщение поглощения наблюдалось на Еіі и Е22электронных переходах.
Практическая ценность
Проведенные исследования демонстрируют успешное применение сред на основе ОУН в качестве насыщающихся поглотителей в твердотельных и волоконных лазерах. Продемонстрированы основные преимущества данных насыщающихся поглотителей: широкий рабочий спектральный диапазон, фемтосекундное быстродействие, отсутствие деградации со временем, удобство внедрения в лазерную схему.
Получены фракции ОУН с полупроводниковым или с металлическим типом проводимости, а также с узким распределением по диаметрам. Применение нанотрубок с одинаковыми свойствами позволяет достигнуть оптимальных характеристик устройств на их основе.
Личный вклад диссертанта
Диссертант лично выполнил экспериментальные исследования по созданию сред на основе одностенных углеродных нанотрубок и их оптической характеризации. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Апробация работы
Основные результаты были доложены на следующих международных конференциях:
-
XXI Int. Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 10-17, 2007.
-
5lh Bilateral Russian-French Workshop on Nanoscience and Nanotechnologies, December, 1-2,2008.
-
2nd International Conference on New Diamond and Nano Carbons, Taipei (Taiwan, China), May 26-29, 2008.
-
Первый Международный форум по нанотехнологиям, Москва (Россия), 3-5 декабря, 2008.
-
International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Polvijarvi (Finland), August 3-9,2008.
-
XXIII Int. Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 7-14, 2009.
-
European material research society Spring Meeting, Strasbourg (France), June 7-12,2009.
-
Второй Международный форум по нанотехнологиям, Москва (Россия), 6-8 октября, 2009.
-
XXIV Int. Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 6-13, 2010.
10.International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Koli
(Finland), August 1-6, 2010. 11 .The 2nd Japanese-Russian Young Scientists Conference on Nanomaterials and
Nanotechnology, Токіо (Japan), September 19-23,2010. 12.Третий Международный форум по нанотехнологиям, Москва (Россия), 1-3
ноября, 2010.
Публикации
Основные результаты опубликованы в 27 работах: 15 статей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, и 12 тезисов международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка основных результатов. Ее объем составляет 126 страниц, включая 58 рисунков и список литературы из 142 наименований.
