[发明专利]基于双光子吸收的光限幅碳量子点及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于双光子吸收的光限幅碳量子点，是以均苯三甲酸、尿素和硼酸为原料，在水中进行微波加热反应得到的水溶性的、具有光限幅特性的碳量子点。本发明将所述光限幅碳量子点加入到硅烷偶联剂水溶液中复合成膜，获得具有光限幅效果的碳量子点固态薄膜材料，用于制备光限幅器件。本发明的光限幅碳量子点在入射光能量密度达到6.27×10¹⁵W/m²时，对532nm激光的透过率可以下降57%。

技术领域

本发明属于光限幅材料技术领域，涉及一种碳纳米材料类光限幅材料，特别是涉及一种具有双光子吸收的光限幅碳量子点及其制备方法。

背景技术

超快激光技术在国防、工业、医疗等领域具有重要的应用价值，但不当使用会对精密仪器造成损伤或引起火灾，对人眼造成不可逆的伤害，其中以530nm左右的绿色激光对人眼的危害最大。

因此，基于对人眼和光电器件的保护需要，开发通弱光挡强光的光限幅材料，是目前发展光电产业的核心工作之一，具有极其重要的意义。

材料产生光限幅的机制主要包括双光子吸收、激发态吸收的反饱和吸收、自由载流子吸收、非线性折射和非线性散射等。其中，双光子吸收是指在强激光光源的激发下，材料同时吸收两个光子的能量，通过一个虚拟的中间态，从基态跃迁到激发态的非线性光学过程，是一种瞬态吸收过程。

与其它的光限幅机制相比，双光子吸收具有以下特点：1）、低光强下光束透过率非常高，接近透明，而强光下的透过率低；2）、对光强变化的响应很快，可以对超快高能量短脉冲激光(如飞秒激光)产生有效的光限幅效应；3）、可能存在双光子吸收的激发态再吸收而实现宽光谱吸收，从而增大限幅效应。

现有基于双光子吸收的光限幅材料主要包括有机材料、半导体纳米材料和新型碳纳米材料等，其中新型碳纳米材料又包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及碳量子点等。

碳量子点除了具有碳纳米材料的原料广泛、制备成本低和低毒环保等优点外，还具有半导体纳米材料中半导体量子点的表面易功能化、带隙可调和光热稳定性的优点，是一种表面具有丰富官能团，粒径小于10nm的新型零维纳米碳材料。目前，双光子吸收碳量子点主要应用于生物成像领域，在少部分用于光限幅的研究中，也主要是研究其在液态下的光限幅表现。

然而，由于碳量子点存在聚集效应，容易发生团聚，导致其不能被均匀地分散在固态薄膜中，影响其电荷的分离和传输，从而导致双光子吸收能力及光限幅效果的降低，限制了其成为优良的光限幅材料(Advanced Optical Materials, 2018, 6(12): 1701273.)。

对于实用化的光限幅器件来说，光限幅材料需要能在固态下具备良好的双光子吸收性能，因此需要不断尝试碳量子点如何在固态基质中保持优良的双光子吸收性能。