Зависимость эффективности ограничения от растворителя в суспензиях и растворах углеродных нанотрубок

Механизмы нелинейно-оптического ограничения на нанотрубках.

Углеродные нанотрубки могут существовать как в виде суспензии, так и в виде раствора. В суспензиях углеродных наночастиц механизмы оптического ограничения аналогичны механизмам оптического ограничения в суспензиях углеродных наночастиц, т.е. это нелинейное рассеяние на пузырьках растворителя и углерода, и нелинейное рассеяние и поглощение в плазме. Эти процессы аналогичны описанным в разделе, посвященном углеродным наночастицам, поэтому мы не будем подробно на них останавливаться.

В растворах нанотрубок к этому механизму добавляется нелинейное оптическое поглощение [3,4,5,6], природа которого пока находится в стадии изучения. За последние годы появился ряд работ, посвященных исследованию электронной структуры углеродных нанотрубок [24-29]. Получено экспериментальное доказательство существования возбужденного синглетного уровня со временем жизни порядка нескольких наносекунд. На момент написания обзора (октябрь, 2007г) нет экспериментальных доказательств существования триплетного состояния в нанотрубках. В работе [24] триплетное состояние предсказано теоретически. В [25] экспериментально зафиксировано долгоживущее состояние, существующее несколько микросекунд. Это состояние не тушится кислородом, поэтому авторы [25] сделали вывод о его не триплетной природе. Однако предсказанная теоретически в [24] высота триплетного уровня составляет 0.8 эВ, что значительно ниже уровней кислорода (уровень ¹S_g⁺ имеет высоту 1.63 эВ, а уровень ¹D_g имеет высоту 0.9 эВ). Поэтому триплетный уровень, если он существует, не сможет тушиться за счет передачи энергии к кислороду. В ряде работ [26,27] показана возможность двухфотонного поглощения в нанотрубках. Таким образом, нелинейное поглощение в растворах нанотрубок может иметь место с возбужденного синглетного уровня, триплетного уровня или долгоживущего уровня другой природы, а также за счет двухфотонного поглощения.

Нелинейное оптическое поглощение практически не проявляет себя в суспензиях углеродных наночастиц, так как в суспензиях имеет место агрегация, и в данном случае уже невозможно говорить об отдельных электронных уровнях.

В [7,8,9,10,11] исследуется зависимость эффективности нелинейного оптического ограничения суспензии МСНТ от растворителя. Длина нанорубок составляла 10-50 mм, диаметр 15-30 mм. Образцы облучались лазером на Nd:YAG на длине волны 1064 нм в сфокусированных пучках. Длительность импульса составяла 6 нс. Начальное пропускание для всех образцов приблизительно 70 %. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Из таблицы видно, что лучше всего ограничение в хлороформе. Как и для суспензий углеродных наночастиц лучшее ограничение демонстрируют жидкости, имеющие меньший коэффициент поверхностного натяжения, меньшую вязкость, меньшую температуру кипения.

Таблица 1.Теплофизические свойства некоторых жидкостей, используемых для приготовления суспензий нанотрубок, и пороги нелинейного оптического ограничения в этих жидкостях.

Жидкость	Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м	Вязкость, мПа/с	Температура кипения, °С	Порог (плотность энергии, при которой пропускание падает в 2 раза), Дж/см^2
Ethylene glycol	50.21	26.09		6.0
Вода	72.14	0.89		2.0
Этанол	24.05	0.79		0.45
Хлороформ	29.91	0.706		0.4

В [11] исследована также зависимость нелинейного оптического ограничения от растворителя для растворов нанотрубок. В качестве растворителя исследовались хлороформ и дихлорбензол. Оптическое ограничение в хлороформе было более эффективным. Т.е. как и для суспензий, лучшее ограничение имеют жидкости, имеющие «лучшие» теплофизические свойства (температура кипения хлороформа в несколько раз ниже, чем у дихлорбензола).

Очевидно, что сильная зависимость от теплофизических свойств растворителя всегда имеет место только в суспензиях углеродных нанотрубок. В растворах, где большой вклад в ограничение вносит нелинейное оптическое поглощение, зависимость при определенных условиях может быть слабее.

Дата добавления: 2015-06-28