金属纳米颗粒/聚二乙炔复合微球的制备、组装及非线性光学性质研究

随着以光子学为中心的信息时代的到来，具有特殊信息处理功能和超快响应的光电材料成为未来信息材料发展的主体。聚二乙炔类材料具有独特的准一维共轭分子结构，较大的三阶非线性系数和皮秒量级的非线性响应时间，在超快全光开关、光调制器及光波导器件等领域具有广阔的应用前景，是目前研究最为广泛的共轭聚合物三阶非线性光学材料之一。迄今为止,已经报道的聚二乙炔类材料的三阶非线性极化率较低，各方面性能还不能满足实际应用需求。因此探索具有非线性系数高、响应速度快、功耗低、优良稳定性及加工性等优点的新体系仍然是目前研究的重点。此外纳米金属颗粒的局域表面等离子体共振现象可以引起颗粒周围局域场的增强，因此纳米金属复合材料在共振频率附近具有较强的光学非线性增强效应。在国家自然科学基金的资助下，我们将纳米金属颗粒引入到聚二乙炔体系，构筑了不同核壳结构的聚二乙炔/纳米银复合微球，研究了核-壳结构、银纳米粒子尺寸和分布等对聚二乙炔/纳米银复合微球体系非线性光学性质的影响。研究发现银纳米粒子尺寸为50nm时表面等离子共振场最强，且其对复合体系的三阶非线性极化率有着最大的增强效果。同时我们利用Langmuir-Blodgett技术可制备具有规整排列的复合微球有序阵列，研究了复合薄膜三阶非线性光学性能。实验发现，相比纯聚二乙炔囊泡溶液，聚二乙炔/纳米银复合微球LB膜的三阶非线性极化率能提高近5000倍，且具有很好的稳定性。聚二乙炔/纳米银复合微球间距也是影响复合体系三阶非线性光学性质的重要因素。我们以聚二乙炔/纳米银复合微球为基本结构单元，通过物理组装或化学修饰，在复合微球表面包覆光响应超分子复合物、聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)以及聚N-异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酸(PNIPAM/PAA)共聚物等，构筑环境响应的聚二乙炔/纳米银复合微球组装体，研究外界光、热及pH等刺激下组装体中复合微球聚集结构和复合体系三阶非线性光学性质变化。组装体中复合微球聚集，相邻复合微球间等离子场相互耦合使得复合体系三阶非线性极化率增强；而复合微球分散，相邻复合微球间等离子场的耦合效应消失，体系三阶非线性极化率降低。以上研究工作有助于揭示聚二乙炔/纳米银复合体系三阶非线性极化率增强的具体机制，并为制备新型环境响应的非线性光学器件提供理论基础和关键技术。