碳纳米管与ZnO低维材料的光学特性研究

【摘要】：纳米材料是最重要的研究前沿之一。因为这类材料在物理学、化学、电子学、光学和生物医学等领域有着广泛的应用前景。本文介绍了作者在攻读博士学位期间,利用扫描电子显微镜、荧光光谱、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱、X衍射谱、激发光谱、光限幅效应等现代分析技术,研究了ZnO薄膜、ZnO纳米线和多壁碳纳米管的吸收特性、光致发光机理、能级结构上的特点以及非线性光学特性。对多壁碳纳米管光限幅效应的机制进行了初步探讨。 论文主要研究内容如下: 第一部分:首先介绍了纳米材料光学性质的研究现状。其次介绍了碳纳米管和ZnO低维材料光学性质的研究现状。最后介绍了进一步研究碳纳米管和ZnO低维材料光学特性应考虑的问题。 第二部分:介绍了碳纳米管的电子能带结构及其应用,利用荧光光谱、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱、扫描电镜以及光限幅效应研究了碳纳米管的光致发光机理和非线性光学特性,这部分内容包含在论文的第二、三章。首先从理论上得到了当不考虑层间耦合时,多壁碳纳米管(MWNTs)的能隙宽度为2γ_0,而考虑层间耦合时,能隙的宽度为2(γ_0-γ_1/2~(1/2)),这说明当考虑层间耦合效应时,多壁碳纳米管的能隙比不考虑耦合作用时的能隙小;其次多壁碳纳米管中层间耦合使得能级分裂;最后从理论上证明了多壁碳纳米管中存在范霍夫奇点(VHS)。发光强度不仅与跃迁几率有关,而且与对应能级的电子态密度有关。对于给定的跃迁几率,如果态密度越大,则发光强度越大。发光强度的峰值位置对应能带中的范霍夫奇点。 研究了我们所选多壁碳纳米管的拉曼光谱、吸收光谱和光致发光光谱,通过对样品拉曼光谱的研究,发现多壁碳纳米管中存在较多缺陷;通过对固态多壁碳纳米管吸收光谱的研究,得到样品在近红外、可见和紫外光区都有吸收,紫外吸收与多壁碳纳米管最外层结构中电子由π轨道跃迁至π~*轨道有关。吸收特点与