CN102181830A - 一种银纳米材料及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种银纳米材料及其用途，该材料为由六边形银纳米颗粒阵列形成的周期性结构，适用于制备近紫外波段为350~450纳米的超快光开关。本发明材料在银的共振区域故有很高的非线性折射率，用其制备的近紫外波段超快光开关切换速度能达到亚皮秒量级，极大地降低由于金属表面等离子共振吸收造成的损耗。
Description
技术领域
本发明纳米材料领域，具体涉及一种银纳米材料，适用于制备350～450近紫外波段超快光开关。
背景技术
随着社会发展，以IP为代表的数据业务的爆炸性增长，新的高速率大容量传输技术应运而生，以满足网络不断增长的带宽需求，使得网络最终向全光(数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行)网方向发展。伴随着全光网络的发展，各种全光网络设备器件的开发和应用引起了人们的重视和注意。而光开关和光开关阵列恰恰又是这些核心器件设备中的核心技术。光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命。目前，主要有几种实现光开关的技术：1、微电子机械系统光开关技术以及声光光开关技术，这两种技术可以使得光开关的响应速度达到ms量级；2、液晶光开关技术；现有的液晶光开关的切换速度可以达到1ms以下，还有热光光开关、喷墨气泡光开关、全息光开关、液体光栅开关等等，这些技术各有优缺点。另外一种新起的技术，由于半导体多量子阱具有非线性光学特性，可以制成皮秒量级的超快光开关。
近年来，由于纳米颗粒特有可能应用于超快光开关的非线性光学特性，而且开关的切换时间可达到亚皮秒量级，引起了人们极大的研究兴趣。衡量一种纳米颗粒是否具有光开关的可能性有两个品质参数：单光子品质因数W和双光子品质因数T，当W＞＞1和T＜＜1的时候，这用纳米颗粒可以应用于光开关。金属纳米颗粒由于非线性光学折射率比一般半导体材料大，因此具有更低的插入损耗，在光开关设备器件的小型化具有更好的优势。但由于金属具有等离子共振吸收，使得插入损耗变大，而且需要较高的泵浦功率。因此，如何减少因等离子共振吸收带来的损耗以及降低泵浦功率，这成为了制备金属纳米颗粒阵列的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于近紫外波段超快光开关的银纳米材料，在银的共振区域故有很高的非线性折射率，用其制备的近紫外波段超快光开关切换速度能达到亚皮秒量级，极大地降低由于金属表面等离子共振吸收造成的损耗。
一种银纳米材料，该材料为由六边形银纳米颗粒阵列形成的周期性结构。
进一步地，所述银纳米颗粒粒径为450～600纳米。
所述的银纳米材料的用途，将该材料用于制备近紫外波段为350～450纳米的超快光开关。
本发明的技术效果体现在：纳米颗粒的形状、大小、分布对其光学特性影响非常大，按本发明制备出来的银纳米材料呈六边形分布，)，在紫外光波长为400nm附近有一个很强的吸收峰，而且泵浦光的能量小范围改变时，银纳米材料的非线性效应很明显，因此非常适合做超快光开关材料。
附图说明
图1为本发明银纳米材料示意图，图1a为本发明中银纳米材料扫描电子显微镜下的结构，图1b为本发明中银纳米材料在紫外光波长为400时的非线性折射特性，图1c为本发明中银纳米材料在紫外光波长为400时的非线性吸收特性。
图2双光束干涉结构实现光开关的示意图。
图3光控超快开关，泵浦探测结果，测得该开关具有皮秒量级的响应速度。
具体实施方式
一、银纳米材料的制备
本发明银纳米材料的制备可采用纳米球蚀刻法、“自然蚀刻术”、纳米球刻蚀技术，这里推荐纳米球刻蚀技术。下面对纳米球刻蚀技术详细说明：
(1)纳米球掩膜板的制备；
所需材料：聚苯乙烯纳米球(Duke Scientific Corp)球直径为450±5nm，石英基片(10×10×0.2mm3)，甲醇，乙醇，十二烷基硫酸钠(dodecylsodiumsulfate，SDS)，去离子水。此外需要垂直提拉机，培养皿(直径为7～9cm)和微量进样器(50uL)；
基片的清洗：将石英基片在80oC的piranha液中(3∶1H2SO4∶30％H2O2)浸泡1.5小时，冷却后用蒸馏水反复洗净，而后在5∶1∶1H2O∶NH4OH∶30％H2O2超声浴1小时，再用蒸馏水洗净待用，并可以浸泡在乙醇中保存几天。
制膜过程：用微量进样器取5uL的纳米球悬浊液，再用甲醇按1∶1的比例均匀混合，混合溶液再与乙醇按1∶1的比例混合。接着将该混合液体滴涂到洗净干燥后的石英基片上，然后将基片缓缓放入装有一定量蒸馏水的培养皿里，液面上可以看到呈淡绿色的散射光。静止3分钟，然后制备2％的SDS溶液，取一小滴滴在液面空白或者是漂浮薄膜上绿色比较浅的一边。
提拉过程：静置待液面稳定后便可以将呈均匀淡绿色的薄膜“打捞”上来。当提拉起来的绿色薄膜完全干燥后，便制成了纳米球掩膜板，该纳米球掩模板表面是由球型胶体密排而形成的三角形小孔，它们大小一致并呈周期性排列。
(2)周期性银纳米颗粒阵列的制备；
本专利采用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)，它的基本原理为将脉冲激光器(一般为紫外光)所产生的高功率脉冲激光聚焦于银靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体(T＞10K)，等离子体定向局域膨胀，并在纳米球掩膜板上沉积成膜。沉积完毕后，在无水乙醇中超声清洗若干分钟去掉纳米球掩膜板。便制成了周期性银纳米颗粒阵列。
本发明按照上述方法制备了450纳米、500纳米、550纳米、600纳米的六边形银纳米材料(本发明不局限于这几种粒径)，图1a给出了银纳米颗粒粒径为500纳米的六边形银纳米材料结构图。图1b和1c为图1a的银纳米材料的非线性光学特性图，激发光源用的波长为800nm的飞秒激光(1kHz，50fs)，并通过BBO晶体产生400nm的激光，图1b从下往上看，曲线从先锋后谷，到先谷后锋，说明了在激光能量改变时，该银纳米材料的折射率发生了很大的变化，从正变成负；图b从下往上看，在激光能量较低时，是双光子吸收，能量大时是饱和吸收，改图说明了在激光能量改变时，该银纳米材料的非线性吸收过程。
二、本发明在近紫外波段超快光开关的应用
将本发明图1a所示的银纳米材料分别用于制备近紫外波段为350、360、360、400、420、450纳米的超快光开关，试验表明该银纳米材料可适用于该波段的超快光开关，尤其在波长为400纳米时，效果最好，现以波长为400纳米波段为例，详细说明该银纳米材料在超快光开关的应用。
实例1双光束干涉开关
如图2所示，该光路为典型的双光束干涉结构，通过这种简单结构来实现光开关效应。红色所表示的两束光为同一束激光经过分束所得，并在其中一路光束中加入前面所述的银纳米颗粒阵列的样品。调节使得两路光光程相同，即具有相同的相位，这样就可以有干涉增强效应。由于信号光的功率密度较弱，不足以激发样品中的非线性效应。这时，用一束功率密度较强的激光入射到样品上(蓝色光束所示)，并和信号光入射到样品相同的区域上，由于银纳米颗粒的非线性效应，会使该路信号光产生非线性相位差如果满足
则干涉增强的信号将完全消失，即有控制光作用即关闭，达到光开关的目的。并且如图1所示，当泵浦功率为13GW/cm2时，两种非线性吸收机制竞争进而互相抵消，导致非线性吸收趋近于零。这样就能避免在共振区域较大的非线性吸收损耗。
实例2光控超快开关
如果将图2中的激发光和信号光在时间上也保持一致，即可以通过光学延时线来微调泵浦光和信号光之间的相位差，使得泵浦光领先于信号光到达样品。如图3所示，在激发光作用后很短时间(～1ps)，信号光透过率发生突变，然后经过约40ps，信号光透过率基本恢复原状，说明该样品制备的光开关的恢复时间在具有皮秒量级，满足超快光开关的需求。
Claims (3)
1.一种银纳米材料，其特征在于，该材料为由六边形银纳米颗粒阵列形成的周期性结构。
2.根据权利要求1所述的银纳米材料，其特征在于，所述银纳米颗粒粒径为450~600纳米。
3.权利要求1或2所述的银纳米材料的用途，其特征在于，将该材料用于制备近紫外波段为350~450纳米的超快光开关。
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