一种Se掺杂Bi2O2S纳米片的制作方法

一种se掺杂bi2o2s纳米片
技术领域
1.本发明属于高级氧化物及新材料技术领域，具体涉及一种se掺杂bi2o2s纳米片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.非线性光学作为光子学的研究基础，目前已在光子技术中得到广泛应用。可饱和吸收体材料是脉冲激光、光调制器和光开关等光子器件形成的关键元件，随着光子器件的发展，寻找响应快、大的非线性光学效应的三阶非线性光学可饱和吸收体材料一直是研究的重点。
3.目前，非线性光学材料研究热点主要集中在几种具有代表性的材料，包括石墨烯、黑磷和过渡金属硫族化物（tmdcs）等材料。石墨烯作为最早被生产和研究的二维材料，由于其独特的零带隙结构，在电子、光学、生物等领域得到了广泛应用。然而，由于石墨烯的吸收性能弱而导致其调制深度低，使得其光学调制性能不稳定。半导体tmdcs薄片的光学和电子特性高度依赖于层数，如单层半导体tmdcs表现出与本体形式（间接带隙）不同的特性变化，但是大多数半导体tmdcs的固有能带隙在1.6
‑
2 ev之间，因此在光电子器件的许多实际应用中都存在局限性。虽然黑磷的带隙特性弥补了零带隙石墨烯和大带隙半导体tmdcs之间的间隙，但是黑磷的物理和化学稳定性较差，不适合存储和长期稳定的光电器件应用。
4.虽然对二维材料的非线性光学研究已经很多，但现有的低维材料体系还不能同时满足合适的带隙、超高的迁移率和优异的环境稳定性的要求。层状铋氧硫族化合物具有显著的稳定性、可调谐的能带结构和较高的载流子迁移率，逐渐成为二维氧化物纳米材料中研究的热点。目前其在非线性光学方向的研究报道还比较少，因此本发明提出了一种se掺杂bi2o2s纳米片的制备方法及应用。本发明的制备方法简单，制备得到的纳米片具有显著三阶非线性饱和吸收性能，可以广泛应用于激光调q和锁模等领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有可饱和吸收体材料的缺点而提供的一种se掺杂bi2o2s纳米片及其制备方法和应用，制得的纳米片具有很强的三阶非线性光学饱和吸收性能，是一种优异的可饱和吸收体材料，可以应用于激光调q和锁模等领域。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种se掺杂bi2o2s纳米片的制备方法，以五水合硝酸铋、硫脲、单水氢氧化锂、硒粉、水合肼、十六烷基三甲基溴化铵为原料，采用水热法制得se掺杂bi2o2s纳米片。
7.进一步，具体步骤如下：（1）取3
‑
5 ml去离子水于烧杯中，再向烧杯中加入0.08
‑
0.16 ml水合肼摇匀，再加入0.36
‑
0.41 g单水氢氧化锂粉末，然后将烧杯密封并将其放入超声水浴中进行超声以形成水合肼碱性溶液，之后将0.0016
‑
0.0032 g硒粉加入烧杯中，继续超声直至硒粉全部溶解，得到酒红色溶液a；
（2）称取0.1164 g五水合硝酸铋，将五水合硝酸铋在搅拌下溶于30
‑
40 ml去离子水中，然后加入0.0061
‑
0.0076 g硫脲，在恒温下用磁力搅拌器搅拌使两者充分溶解直到均匀混合，得到溶液b；（3）然后将步骤（1）中烧杯中的酒红色溶液a加入步骤（2）得到的溶液b中，继续搅拌至混合均匀；再在搅拌下加入0.24
‑
0.48 g的十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌至十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，再加入1.44
‑
1.62 g的单水氢氧化锂，搅拌直至悬浊液呈现橙黄色，得到悬浊液c；（4）再将上述步骤（3）得到的悬浊液c转移到反应釜内衬中，同时调节去离子水的容量使得体积填充率为75
‑
85%，将反应釜在200
‑
250 ℃的烘箱中放置30
‑
40分钟；（5）待步骤（4）中的反应完成后，将得到的沉淀用去离子水和乙醇交替彻底离心清洗，清洗完成后在5000
‑
8000 rpm高速离心5
ꢀ‑
7分钟，将清洗所得沉淀置于真空干燥箱中，设置温度80 ℃干燥时间6
‑
8 小时，干燥之后即得到se掺杂bi2o2s纳米片。
8.se掺杂bi2o2s纳米片的横向尺寸为0.2
‑
0.7 μm，厚度在纳米级。
9.所述的se掺杂bi2o2s纳米片在超短脉冲激光器中的应用。将se掺杂bi2o2s纳米片均匀旋涂在蓝宝石基底上，通过z
‑
扫描测试的方法测试其非线性光学性能。在脉宽208飞秒，波长800纳米，频率为100千赫兹的激光器条件下，材料展现出很强的三阶非线性饱和吸收性能。se掺杂bi2o2s纳米片的非线性吸收系数β和三阶极化率虚部imχ
(3)
值最高可达
‑
6.98
×
10
3 cm
·
gw
‑1和
‑
5.37
×
10
‑
7 esu，其绝对值比几种典型的二维非线性材料mos2、mose2、石墨烯和黑磷要大几个数量级，表明se掺杂bi2o2s纳米片具有显著三阶非线性饱和吸收性能，是一种优异的可饱和吸收体材料，可以广泛应用于激光脉冲的压缩（激光调q和激光锁模）等领域。
10.本发明的有益效果在于：（1）层状铋氧硫族化合物具有显著的稳定性、可调谐的能带结构和较高的载流子迁移率。本发明采用水热法合成出的se掺杂bi2o2s纳米片具有一定的稳定性，且具有操作简单、安全、成本低等优点。
11.（2）在非线性吸收性能测试中，se掺杂bi2o2s纳米片表现出了远强于几种典型的二维非线性材料（mos2、mose2、石墨烯和黑磷）的三阶非线性饱和吸收性能，是一种高性能的可饱和吸收体材料。通过本发明制备的材料可以广泛应用于超短脉冲激光调q和锁模等领域。
附图说明
12.图1为实施例1、实施例2和实施例3分别制得的se掺杂bi2o2s纳米片的x射线衍射（xrd）图谱；图2为实施例1中se掺杂bi2o2s纳米片的扫描电子显微镜（sem）形貌；图3为实施例1中se掺杂bi2o2s纳米片的x射线能谱分析（eds）图；图4为实施例2中se掺杂bi2o2s纳米片的sem形貌；图5为实施例2中se掺杂bi2o2s纳米片的eds图；图6为实施例3中se掺杂bi2o2s纳米片的sem形貌；图7为实施例3中se掺杂bi2o2s纳米片的eds图；图8为实施例1、实施例2和实施例3分别制得的se掺杂bi2o2s纳米片的开孔z
‑
扫描
曲线。
具体实施方式
13.为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
14.实施例1一种se掺杂bi2o2s纳米片的制备方法，步骤如下：（1）取3ml去离子水于烧杯中，再向烧杯中加入0.08 ml水合肼摇匀，再加入0.36 g的单水氢氧化锂粉末，然后将烧杯密封并将其放入超声水浴中进行超声以形成水合肼碱性溶液，再将0.0016 g的硒粉加入烧杯中，继续超声直至硒粉全部溶解，得到酒红色溶液a；（2）称取0.1164 g的五水合硝酸铋，将五水合硝酸铋在搅拌下溶于30 ml的去离子水中，然后加入0.0076 g的硫脲，在恒温下用磁力搅拌器搅拌以使得两者充分溶解直到均匀混合，得到溶液b；（3）然后将步骤（1）中烧杯中的酒红色溶液a加入步骤（2）得到的溶液b中，继续搅拌至混合均匀。再在搅拌下加入0.24 g的十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌至十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，再加入1.44 g的单水氢氧化锂，搅拌直至悬浊液呈现橙黄色，得到悬浊液c；（4）再将上述步骤（3）得到的悬浊液c转移到50 ml反应釜内衬中，同时调节去离子水的容量使得体积填充率为80%左右，将高压釜在200℃的烘箱中放置30分钟；（5）待步骤（4）中的反应完成后，将得到的沉淀用去离子水和乙醇交替离心清洗，清洗完成后在5000 rpm高速离心5 min，将清洗所得沉淀置于真空干燥箱中，80 ℃干燥6 h，干燥之后得到se掺杂bi2o2s纳米片，记为bi2o2s
0.82
se
0.18
。
15.如图1所示为bi2o2s
0.82
se
0.18
样品的xrd图谱，用sem表征了bi2o2s
0.82
se
0.18
纳米片的表面形貌，如图2所示。图3为bi2o2s
0.82
se
0.18
样品的eds图。
16.实施例2一种se掺杂bi2o2s纳米片的制备方法，步骤如下：（1）取4 ml去离子水于烧杯中，再向烧杯中加入0.12 ml水合肼摇匀，再加入0.36 g的单水氢氧化锂粉末，然后将烧杯密封并将其放入超声水浴中进行超声以形成水合肼碱性溶液，之后将0.00235 g的硒粉加入烧杯中，继续超声直至硒粉全部溶解，得到酒红色溶液a；（2）称取0.1164 g的五水合硝酸铋，将五水合硝酸铋在搅拌下溶于30 ml的去离子水中，然后加入0.00685 g的硫脲，在恒温下用磁力搅拌器搅拌以使得两者充分溶解直到均匀混合，得到溶液b；（3）然后将步骤（1）中烧杯中的酒红色溶液a加入步骤（2）得到的溶液b中，继续搅拌至混合均匀。再在搅拌下加入0.24 g的十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌至十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，再加入1.44 g的单水氢氧化锂，搅拌直至悬浊液呈现橙黄色，得到悬浊液c；（4）再将上述步骤（3）得到的悬浊液c转移到50 ml反应釜内衬中，同时调节去离子水的容量使得体积填充率为80%左右，将高压釜在200℃的烘箱中放置30分钟；
（5）待步骤（4）中的反应完成后，将得到的沉淀用去离子水和乙醇交替彻底离心清洗，清洗完成后在5000 rpm高速离心6 min，将清洗所得沉淀置于真空干燥箱中，80 ℃干燥7 h，干燥之后得到se掺杂bi2o2s纳米片，记为bi2o2s
0.76
se
0.24
。
17.如图1所示为bi2o2s
0.76
se
0.24
样品的xrd图谱，用sem表征了bi2o2s
0.76
se
0.24
纳米片的表面形貌，如图4所示。图5为bi2o2s
0.76
se
0.24
样品的eds图。
18.实施例3一种se掺杂bi2o2s纳米片的制备方法，步骤如下：（1）取5 ml去离子水于烧杯中，再向烧杯中加入0.16 ml水合肼摇匀，再加入0.36 g的单水氢氧化锂粉末，然后将烧杯密封并将其放入超声水浴中进行超声以形成水合肼碱性溶液，之后将0.0032 g的硒粉加入烧杯中，继续超声直至硒粉全部溶解，得到酒红色溶液a；（2）称取0.1164 g的五水合硝酸铋，将五水合硝酸铋在搅拌下溶于30 ml的去离子水中，然后加入0.0061 g的硫脲，在恒温下用磁力搅拌器搅拌以使得两者充分溶解直到均匀混合，得到溶液b；（3）然后将步骤（1）中烧杯中的酒红色溶液a加入步骤（2）得到的溶液b中，继续搅拌至混合均匀。再在搅拌下加入0.24 g的十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌至十六烷基三甲基溴化铵溶解完全，再加入1.44 g的单水氢氧化锂，搅拌直至悬浊液呈现橙黄色，得到悬浊液c；（4）再将上述步骤（3）得到的悬浊液c转移到50 ml反应釜内衬中，同时调节去离子水的容量使得体积填充率为80%左右，将高压釜在200℃的烘箱中放置30分钟；（5）待步骤（4）中的反应完成后，将得到的沉淀用去离子水和乙醇交替彻底离心清洗，清洗完成后在6000 rpm高速离心7min，将清洗所得沉淀置于真空干燥箱中，80 ℃干燥8 h，干燥之后得到se掺杂bi2o2s纳米片，记为bi2o2s
0.74
se
0.26
。
19.如图1所示为bi2o2s
0.74
se
0.26
样品的xrd图谱，用sem表征了bi2o2s
0.74
se
0.26
纳米片的表面形貌，如图6所示。图7为bi2o2s
0.74
se
0.26
样品的eds图。
20.非线性光学性能测试将上述实施例1、实施例2和实施例3中制备的bi2o2s
0.82
se
0.18
、bi2o2s
0.76
se
0.24
和bi2o2s
0.74
se
0.26
纳米片分别均匀旋涂在蓝宝石基底上，通过z
‑
扫描测试的方法测试其非线性吸收性能。如图8所示，在脉宽208飞秒，波长800纳米，频率为100千赫兹的激光器条件下，材料展现出很强的三阶非线性饱和吸收性能。bi2o2s
0.82
se
0.18
、bi2o2s
0.76
se
0.2
和bi2o2s
0.74
se
0.26
纳米片的非线性吸收系数β和三阶极化率虚部imχ
(3)
值分别为
‑
2.72
×
10
3 cm gw
‑1和
‑
2.09
×
10
‑
7 esu、
‑
6.22
×
10
3 cm gw
‑1和
‑
4.78
×
10
‑
7 esu、
‑
6.98
×
10
3 cm
·
gw
‑1和
‑
5.37
×
10
‑
7 esu。其绝对值比几种典型的二维非线性材料mos2、mose2、石墨烯和黑磷要大几个数量级，表明se掺杂bi2o2s具有显著三阶非线性饱和吸收性能，是一种优异的可饱和吸收体材料，可以广泛应用于超短脉冲激光调q和锁模等领域。
21.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。