НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДОВ УГЛЕРОДНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

Углеродные квантовые точки (УКТ) являются новым классом углеродных наночастиц в ряду таких уникальными наноструктур, как фуллерены, нанотрубки, графен и т.д. Они впервые были получены в ходе очистки однослойных углеродных нанотрубок с помощью подготовительного электрофореза в 2004 г.[ 10], а затем с помощью лазерной абляции графитового порошка в 2006 г [8]. УКТ представляют собой дискретные наночастицы углерода, подобные нано-алмазам. Однако, будучи почти сферической формы и имеющие размеры не более 10 нм, УКТ принципиально отличается от них. [4] УКТ имеют кристаллическое или аморфное графитовое ядро, и, кроме того, проявляют существенные свойства функционализации поверхности [2]. Наиболее интересной особенностью УКТ являются их фотолюминесцентные свойства, [10] По данным ряда исследований, фотолюминесценция возникает при рекомбинации экситонов в поверхностных энергетических ловушках [8]. Положение пика и амплитуда широкополосной эмиссии УКТ в видимой области может быть адаптирована к длине волны возбуждения их размером, метод синтеза и функциональными группами, покрывающими их поверхность. [3] В дальнейшем были исследованы такие свойства С-точек как фото-индуцированной передачи электронов и окислительно-восстановительных свойств [9] и биосовместимости [11].

Благодаря своим уникальными свойствами и большим потенциалом для различных приложений УКТ находят всё больше применений в биомедицине, оптронике, катализе, биосенсорах и т.д.

Тем не менее, несмотря на их уникальные оптические свойства, нелинейные оптические характеристики УКТ недостаточно изучены и исследования проводились только для нано и пикосекундного излучения [1]. Поэтому целью настоящей работы является исследование нелинейных оптических свойств коллоидов УКТ в случае возбуждения лазерными импульсами фемтосекундной длительности. Для этих исследований из растительного сырья методом гидротермального синтеза были подготовлены образцы коллоидов УКТ с размерами менее 10 нм.

Для исследования нелинейно-оптических характеристик коллоидов УКТ была собрана экспериментальная установка для метода Z-scan (Рисунок 1).

Излучение генерировалось с помощью лазерного комплекса 1, состоящего из генератора фемтосекундных импульсов Tsunami и усилителя Spitfire 40f-1k-5W (Spectra Physics). Для преобразования вовторую гармонику использовался параметрический удвоитель 2. Длительность импульсов составляла 45 фс на основной и 80 фс на второй гармонике титан-сапфирового лазера. Полуширина спектра ΔλFWHM = 35 и 15 нм соответственно. Диаметр пучка 6 мм. Частота следования импульсов составляла 20 Гц. Длительность импульса контролировалась автокоррелятором 3. С помощью систем поворотных откидных двухчастотных зеркал 4 излучение направлялось на линзу 5 с F = 20 см. В области фокуса на программно-управляемую микроподвижку 6 устанавливалась кювета с исследуемой пробой 7. Интенсивность поля в фокусе варьировалась с помощью тока накачки лазера. Далее лазерное излучение разделялось на две составляющие с помощью светового делителя 8. Интенсивность луча, прошедшего через исследуемый образец и диафрагму 9, измерялась в канале А. В то же время канал В1 использовался для регистрации интенсивности опорного сигнала входного излучения в случае с закрытой диафрагмой, а канал B2 – в случае с открытой. Сам метод основан на анализе изменения распределения интенсивности лазерного пучка в дальней зоне, ограниченного диафрагмой. Изменение интенсивности обусловлено возникновением нелинейной рефракции в образце при его перемещении в области фокусировки вдоль направления распространения излучения. В результате чего получаются характерные зависимости нормализованного пропускания излучения в зависимости от позиции образца в области перетяжки. Величина перепада нормализованного пропускания линейно зависит от нелинейного набега фазы на выходе образца. Нелинейный показатель преломления выражается формулой [7]:

где     величина нормированного перепада кривой пропускания в случае открытой диафрагмы.

Полученное в ходе эксперимента распределение нормированного пропускания в случае с коллоидом УКТ на 800 и 400 нм представлены на Рисунках 2, 3.

Используя полученные экспериментальные результаты с помощью формул (1), (2) были получены коэффициенты нелинейного показателя преломления n2 и двухфотонного поглощения β исследуемых материалов. Полученные данные представлены в Табл.1.

 Таблица  7

Нелинейно-оптические коэффициенты

Длина волны	2 n2 [см /Вт]	β[см/Вт]
400 нм	-16 5.2×10	-12 8.8 ×10
800 нм	-16 2.3×10	-12 3.7 ×10

УКТ, как ожидается, обладают нелинейными оптическими свойствами, которые в значительной степени зависят от пассивации поверхности и природы используемых органических остатков (радикалов), размера и, возможно, методов синтеза [5, 6].

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ, проект № 14-50-00034.

Список литературы

1.     P. Aloukos, I. Papagiannouli, A. B. Bourlinos, R. Zboril, and S. Couris, “Third-order nonlinear optical response and optical limiting of colloidal carbon dots,” OPT. EXP. 22 (10), 12013-12027 (2014).

2.     A. B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril, G. Georgakilas, and E. P. Giannelis, “Photoluminescent carbogenic dots,” Chem. Mater. 20(14), 4539–4541 (2008).

3.     A. B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril, M.  Karakassides, and E. P. Giannelis, “Surface functionalized carbogenic quantum dots,” Small 4(4), 455–458 (2008).

4.     A. B. Bourlinos, R. Zbořil, J. Petr, A. Bakandritsos, M. Krysmann, and E. P. Giannelis, “Luminescent surface quaternized carbon dots,” Chem. Mater. 24(1), 6–8 (2012).

5.     N. V. Kamanina, N. A. Shurpo, Yu. A. Zubtsova, A. V. Prokhorenkov, S. V. Serov, P. Ya. Vasilyev, V. I. Studeonov, and F. Kajzar, “Photorefractive and photoconductive properties of the organic materials doped with fullerenes, quantum dots and nanotubes,” Proc. SPIE 7838, 78381G (2010).

6.     N. V. Kamanina, P. V. Kuzhakov, S. V. Serov, A. A. Kukharchik, A. A. Petlitsyn, O. V. Barinov, M. F. Borkovskii, N. M. Kozhevnikov, and F. Kajzar, “Nanostructured materials and their optical features,” Proc. SPIE 8622, 86221B (2013).

7.     Sheik – Bahae M., Said A.A., Wei T.H., Hagan D.J., Van Stryland E.W. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam//IEEE J. Quantum Elect.-1990.-Vol.26.-P. 760-769.

8.     Y.-P. Sun, B. Zhou, Y. Lin, W. Wang, K. A. S. Fernando, P. Pathak, M. J. Meziani, B. A. Harruff, X. Wang, H. Wang, P. G. Luo, H. Yang, M. E. Kose, B. Chen, L. M. Veca, and S. Y. Xie, “Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence,” J. Am. Chem. Soc. 128(24), 7756–7757 (2006).

9.     X. Wang, L. Cao, F. Lu, M. J. Meziani, H. Li, G. Qi, B. Zhou, B. A. Harruff, F. Kermarrec, and Y.-P. Sun, “Photoinduced electron transfers with carbon dots,” Chem. Commun. (Camb.) 2009(25), 3774–3776 (2009).

10. X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H. J. Ploehn, L. Gearheart, K. Raker, and W. A. Scrivens, “Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments,” J. Am. Chem. Soc. 126(40), 12736– 12737 (2004).

11. S.-T. Yang, X. Wang, H. Wang, F. Lu, P. G. Luo, L. Cao, M. J. Meziani, J.-H. Liu, Y. Liu, M. Chen, Y. Huang, and Y.-P. Sun, “Carbon dots as nontoxic and high-performance fluorescence imaging agents,” J Phys Chem C Nanomater Interfaces 113(42), 18110–18114 (2009).