飞秒激光脉冲诱导透明介质的非线性吸收和折射率改变轮廓研究

实验研究了飞秒激光脉冲诱导熔融石英的非线性吸收特性,利用激光诱导自由电子等离子体浓度取决于多光子吸收系数和入射光强的关系;数值模拟了激光诱导折射率变化区域的大小,结合非线性吸收机理和飞秒激光脉冲与介质的相互作用,解释了飞秒激光脉冲超精细加工不受衍射极限的约束,可实现纳米级加工的机理结果表明,电介质的电离能越大,飞秒脉冲诱导的折射率变化区域就越小,但要求的激光脉冲能量也越大;为飞秒激光脉冲超精细加工的材料和激光参量选择提供了理论依据.     

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.     

超分辨近场结构的研究进展及其应用

超分辨近场结构(super-resolution near-field structure,super-RENS)由于突破了传统远场光学衍射极限的限制,在纳米光储存、微纳米加工、基于局域表面等离子体增强的生物传感器方面展现出良好的应用前景,因此吸引了众多研究者的目光.文章简要介绍了超分辨近场结构的发展历程、相应的工作机理、最新研究动态及其在超高密度光存储、近场光刻中的应用状况,并对未来的工作重点做出展望.     

飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展

飞秒激光具有超快、超强的特点.飞秒激光微纳加工发展非常迅速. 本文综述了近十年来利用飞秒激光在金属、半导体、介质等各类材料中制备的纳米周期结构, 阐述了若干关于飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机理的观点.讨论了基于偏振调制的多光束 干涉在半导体表面制备纳米周期结构,简要叙述了周期结构对材料光学特性的影响. 关键词： 飞秒激光 纳米周期结构 多光束干涉 光学特性     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

飞秒激光直写偏振转换器件和几何相位器件(特邀)

光学器件的微型化和集成化是当前研究的热点,其中利用微纳结构实现局域电磁改性的超构光学更是引人关注.本文从微纳结构的制备出发,总结了利用超衍射精密加工的飞秒激光直写技术,制备偏振转换器件和几何相位器件的工作.介绍了微纳结构改性的物理机制,飞秒激光直写光刻胶、飞秒激光烧蚀金属薄膜、飞秒激光诱导纳米光栅等手段在偏振转换器件和...     

银纳米粒子阵列的自组装及其表面增强拉曼光谱应用

在以聚赖氨酸为表面耦联层分子的玻片基底制备了银纳米粒子阵列。ＳＥＭ表征结果表明,银粒子以亚单层的形式排列在基底表面。比较银溶胶和纳米粒子阵列的紫外可见光谱可见聚赖氨酸耦联层对银纳米粒子的粒径具有一定的选择性,甲基紫精在银纳米粒子阵列上的表面增强ＦＴ拉曼光谱表明在近红外区拉曼散射的表面增强主要来自于化学增强效应。     

激光诱导薄膜材料二维图案化纳米加工技术(特邀)EI北大核心CSCD

激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是一种在激光辐照下自发生成的超衍射极限结构,但其结构类型较为单一。提出了一种新型的二维图案化激光纳米加工方法,通过同时利用激光诱导的热效应及表面等离激元干涉,在正交的两个方向上分别形成褶皱和LIPSS两种周期性结构。这种方法仅通过单步辐照就能在薄膜材料表面生成二维褶皱LIPSS,从而丰富LIPSS的结构类型。同时,通过调整加工材料的膜厚或基底,以及改变入射激光波长或角度,可以分别调制二维纳米结构在两个正交方向上的周期。此外,通过激光偏振也可以调控该结构的取向。该方法能够进一步拓宽基于LIPSS的可加工表面纳米结构的种类及应用。     

飞秒激光烧蚀LiNbO3晶体的形貌特征与机理研究

采用了不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对LiNbO₃晶体进行烧蚀，并刻蚀了表面衍射型光栅.通过扫描电镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形貌特征，首次发现利用单束飞秒激光脉冲对LiNbO₃晶体烧蚀，可以得到超衍射极限的烧蚀点，当聚焦光斑直径约为2μm、能量为170nJ的单脉冲飞秒激光作用时，烧蚀点的直径约为400nm，100nJ，17个脉冲作用时烧蚀点的直径约为800nm.同时可以观察到在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下， LiNbO₃晶体呈现出大约200nm周期性分布的波纹状结构.实验结果表明，选择合适参数的飞秒激光脉冲可以对LiNbO₃晶体进行超衍射极限加工，这对于利用飞秒激光制作LiNbO₃基质的微纳光电子器件有十分重要的意义.     

飞秒激光制备耐高温蓝宝石内部几何相位波带片(特邀)

针对晶体材料几何相位元件加工难、精度低、效果差等问题,提出了利用飞秒激光诱导纳米条纹技术来实现材料内部几何相位衍射元件的制备.飞秒激光近阈值加工方式有效的提升了加工精度,其精度为340 nm.通过实时调控扫描激光的偏振可以精准控制诱导纳米条纹的方向,进而改变晶体双折射效应的慢轴方向.基于该方法实现了蓝宝石内部几何相位波...     

基于TiO_2纳米粒子薄膜的低阈值随机激光器的动力学研究

本文利用共轭聚合物(MEH-PPV)覆盖TiO_2纳米粒子薄膜制作随机激光器。随机TiO_2纳米粒子薄膜的激光辐射阈值比平面MEH-PPV薄膜的放大自发辐射阈值缩小了9倍。这是由于TiO_2纳米粒子诱导的多重散射造成的。进一步的飞秒荧光上转换实验表明,随机激光器中,光在增益介质里的停留时间有所增加,这直接证实了光在随机激光器结构中的多重散射引起光的传播路径增加。因此,这会促进更多的光发生辐射,从而降低随机激光器的阈值。     

基于一维TiO_2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

介绍了一种采用宽禁带半导体二氧化钛纳米管阵列薄膜材料制备β伏特效应同位素电池的方法.通过对金属钛片的电化学阳极氧化制备了垂直定向、有序排列的二氧化钛纳米管阵列薄膜,研究了退火条件对二氧化钛纳米管阵列薄膜半导体光电性能的影响.通过与镍-63辐射源的集成封装,形成三明治结构镍-63/二氧化钛纳米管阵列薄膜/钛片的β伏特同位素电池.实验结果表明,基于氩气氛围下450?C退火的黑色二氧化钛纳米管阵列薄膜具有高的氧空位缺陷浓度和宽的可见-紫外吸收光谱.在使用β辐射总能量为10 m Ci的镍-63辐射源时,同位素电池的开路电压为1.02 V,短路电流75.52 n A,最大有效转换效率为22.48%.     

T4有机染料敏化薄膜的超快动力学特性

利用飞秒瞬态吸收光谱和基于飞秒荧光上转换技术的飞秒时间分辨荧光动力学对T4有机染料敏化的Al₂O₃薄膜和TiO₂薄膜中的激发态过程进行了研究。对这两种敏化薄膜中的荧光动力学进行了多指数拟合。所得到T4染料敏化TiO₂薄膜中的电子注入效率为93%。此外,通过静态非均匀电子耦合模型拟合,得到T4敏化TiO₂薄膜中的电子转移速率为1.17 ps^-1。     

基于AAO模板的TiO2微纳结构及其光电特性

以多孔氧化铝（AAO）和导电玻璃FTO为基底,用射频（RF）磁控溅射法和溶胶凝胶（Sol-gel）法分别制备了微纳结构的TiO₂,两种TiO₂沉积技术各自体现出其特质。从XRD衍射光谱和拉曼散射光谱可以看到,在相同退火条件下,RF和Sol-gel法制备的TiO₂晶相结构不同。在以导电玻璃FTO为基底时,RF制备的薄膜颗粒分布均匀,没有团簇现象;而Sol-gel制备的薄膜由密实的颗粒构成。在以AAO为模板时,Sol-gel制备的TiO₂溶胶粒子由于胶体溶液的流动性使其对孔的填充率保持较高的水平;而RF制备的TiO₂对孔的填充率则降低。光电流实验的结果表明,前者具有更好的光电特性。     

FTIR与XRD的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO2空心微球制备机理研究

随着社会经济的发展,环境空气品质已经成为研究热点。TiO₂是一种化学稳定性高,耐腐蚀性强,对人体无毒无害的N型半导体材料。利用TiO₂的光催化性能提高室内环境空气品质已经成为研究焦点,但是由于TiO₂只能在紫外光源下才具有较高的光催化效率,而在可见光源下的光催化效率较低,从而极大的限制了TiO₂在室内环境领域的发展。因此,研发在可见光源下具有良好光催化性能的TiO₂复合材料势在必行。利用元素掺杂改性技术与提高比表面积方法可以改善光催化反应过程中量子效率和对光能的利用率,以加快电子和空穴向表面迁移的速率同时降低光生载流子的复合机率。以二氧化硅SiO₂为模板、聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂、硝酸铈Ce(NO₃)₃·6H₂O和硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O为改性剂采用溶胶-凝胶法制备均匀粒度分布的Ce-Cu/TiO₂空心微球,并将制备过程分为四个阶段,即纳米SiO₂球模板的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备和Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与X射线衍射仪（XRD）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备过程各阶段生成物进行测试与分析,即在纳米SiO₂球模板的制备阶段从微观角度研究纳米SiO₂球模板的搭建过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备阶段研究TiO₂附着于纳米SiO₂球模板的过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备阶段研究煅烧工艺对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中晶相与结构的影响,在Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备阶段研究氢氧化钠溶液对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中纳米SiO₂球模板洗涤效果的影响。利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的光响应性能进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。利用激光粒度分析仪（LPSA）与扫描电子显微镜（SEM）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的粒度分布与微观形貌进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球的均匀粒度分布效果。结果表明：以Si-O-Si基团构建非晶体结构的无定形态纳米SiO₂球模板,有利于聚乙烯吡咯烷酮在纳米SiO₂球模板表面附着,从而控制Ce-Cu/TiO₂空心微球的空腔结构。Ce-Cu掺杂基本进入TiO₂晶体,极少进入纳米SiO₂球模板晶体,从而抑制了Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变。Ce-Cu掺杂TiO₂可以促使TiO₂内部形成新的能级,实现能量较小的光子捕获e-和h+,从而提高Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。Ce-Cu/TiO₂空心微球的表面光滑且不存在明显的缺陷,其形貌呈现良好的球体且粒径分布均匀,即d₉₀为219.54 nm,d₅₀为151.60 nm、d₁₀为103.84 nm,以及d₉₀-d₁₀为115.70 nm。研究结果为进一步获得可见光源下具有良好光催化性能的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO₂空心微球提供理论依据和研究基础。     

Characteristics of the silver-doped TiO2 nanoparticles

Silver ions doping made enhancement of the photocatalytic activity of TiO₂, which was determined by degradation of methyl orange (MO), a probe molecule, in an aqueous solution. X-ray diffraction (XRD) investigation demonstrated that the silver doping changed lattice parameters of TiO₂, which should attribute to the O vacancies produced by the substitutional silver ion at lattice site. On above results, a doping mechanism of silver ions in TiO₂ was also discussed.     

SnO_2/p~+-Si异质结器件的电致发光:利用TiO_2盖层提高发光强度

通过在重掺硼硅(p+-Si)衬底上溅射SnO2薄膜并在O2气氛下800℃热处理形成SnO2/p+-Si异质结.基于该异质结的器件可在低电压(电流)驱动下电致发光.进一步地,通过在SnO2薄膜上增加TiO2盖层,使器件的电致发光获得显著增强.这是由于TiO2盖层的引入,一方面使SnO2薄膜更加致密,减少了非辐射复合中心;另一方面TiO2较大的折射率和合适的厚度使SnO2薄膜电致发光的出光效率得到提高.     

Oxygen vacancy control of electrical,optical, and magnetic properties of Fe0.05Ti0.95O2 epitaxial films

High-quality Fe-doped TiO₂ films are epitaxially grown on MgF₂ substrates by pulsed laser deposition. The x-ray diffraction and Raman spectra prove that they are of pure rutile phase. High-resolution transmission electron microscopy (TEM) further demonstrates that the epitaxial relationship between rutile-phased TiO₂ and MgF₂ substrates is 110 TiO₂₂. The room temperature ferromagnetism is detected by alternative gradient magnetometer. By increasing the ambient oxygen pressure, magnetization shows that it decreases monotonically while absorption edge shows a red shift. The transport property measurement demonstrates a strong correlation between magnetization and carrier concentration. The influence of ambient oxygen pressure on magnetization can be well explained by a modified bound magnetization polarization model.     

Preparation of S-TiO2 photocatalyst and photodegradation of L-acid under visible light

S-doped TiO₂ (S-TiO₂) photocatalyst was synthesized by sol–gel method with tetrabutyl titanate and thiourea as precursor. S-TiO₂ was characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV–vis absorption spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and the photocatalytic activity was evaluated by 1-naphthol-5-sulfonic acid (L-acid) under UV, visible light and solar light radiation. The results showed that doped S could improve photoabsorption property of TiO₂ in the visible region, leading the increase in the photocatalytical activity of TiO₂.

The average particle size of the S-TiO₂ photocatalyst is about 10 nm. The S-TiO₂-4 photocatalyst contains 100% anatase crystalline phase of TiO₂. In the S-TiO₂-4 photocatalyst, S does not exist independently, but is incorporated into the crystal lattice of TiO₂. In the inner crystal lattice of the S-TiO₂-4 photocatalyst, S as S²⁻ replaces O in TiO₂, while on the surface of crystal lattice, S exists as S⁴⁺ and S⁶⁺.

The photocatalytical activity of S-TiO₂-4 photocatalyst for the photodegradation of L-acid is better than that of pure TiO₂. Under the same conditions, the photodegradation efficiency of L-acid for the S-TiO₂-4 photocatalyst and the solar light irradiation is 85.1%, while it is only 26.4% for pure TiO₂. In addition, the final products of the photocatalysis of L-acid using the S-TiO₂-4 photocatalyst are not organic compounds with low molecular weight, but the inorganic compounds.     

TiO_2薄膜的硼掺杂对TiO_2/p~+-Si异质结器件电致发光的增强

利用磁控溅射在重掺硼硅(p+-Si)衬底上分别沉积TiO2薄膜和掺硼的TiO2(Ti O2∶B)薄膜,并经过氧气氛下600℃热处理,由此形成相应的TiO2/p+-Si和TiO2∶B/p+-Si异质结。与Ti O2/p+-Si异质结器件相比,TiO2∶B/p+-Si异质结器件的电致发光有明显的增强。分析认为:TiO2∶B薄膜经过热处理后,B原子进入TiO2晶格的间隙位,引入了额外的氧空位,而氧空位是TiO2/p+-Si异质结器件电致发光的发光中心,所以上述由B掺杂引起的氧空位浓度的增加是TiO2∶B/p+-Si异质结器件电致发光增强的原因。