高三阶光学非线性Cd/CdS-SiO2复合薄膜的电化学-溶胶凝胶制备及表征
卿胜兰1, 甘平1,2
重庆大学 1. 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 复杂煤气层瓦斯抽采国家与地方联合工程实验室, 资源及环境科学学院
2. 通信工程学院, 重庆 400044

卿胜兰(1977-), 女, 博士研究生, 助理研究员. E-mail:qiqisl@163.com

摘要

以硝酸镉、硫脲和正硅酸乙酯为前驱体, 采用电化学-溶胶凝胶法, 以ITO玻璃为基底制备了透明薄膜。扫描电子显微镜(SEM)表征表明薄膜为纳米束结构。X射线能谱(EDX)表征表明薄膜由Si、O、Cd、S元素组成, Cd/S(原子比)>1。EDX表征结合循环伏安(CV)实验确定薄膜为Cd/CdS-SiO2复合薄膜。Z扫描表征表明, 薄膜在1064 nm处表现出自散焦特性的非线性折射效应和饱和吸收特性的非线性吸收特性。薄膜的三阶非线性极化率(χ(3))较高, 达到了1.18×10-14~1.39×10-13(m/V)2, 表明薄膜具有优良的三阶光学非线性。分析认为薄膜中CdS的含量对薄膜的光学性非线性起主要作用。

关键词: 三阶光学非线性; Cd/CdS-SiO2复合薄膜; 电化学-溶胶凝胶; Z扫描
中图分类号:O484;O437;O472   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2013)06-0659-06
Preparation and Characterization of Cd/CdS-SiO2 Composite Film with High Third-order Optical Nonlinearity by Electrochemically Induced Sol-Gel Method
QING Sheng-Lan1, GAN Ping1,2
1. State key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, State and local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam, Chongqing University, College of Resources and Environmental Science, Chongqing 400044, China
2. College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract

The sol was prepared with cadmium nitrate, thiourea and tetraethoxysilane as precursors by Sol-Gel method. The transparent film was prepared on ITO substrate by electrochemically induced Sol-Gel method using the as-prepared sol as electrolyte. SEM results showed that the film was made up of nano beams. While EDX results showed that the component elements of the film were Si, O, Cd, S and the atom ratio of Cd to S was more than 1. It could be inferred from both the EDX and cyclic voltammetry’s results that the film composite was Cd/CdS-SiO2.Z-scan test results showed that the film had third-order optical nonlinearity with self defocusing nonlinear refraction and saturated absorption properties at the wavelength of 1064 nm. The third-order nonlinear optical susceptibility of films could reach 1.18×10-14(m/V)2 to 1.39×10-13(m/V)2 which demonstrated that the third-order nonlinear optical properties of these films were excellent. Further analysis showed that the content of CdS in the film remarkably influenced the optical nonlinearity.

Keyword: third-order optical nonlinearity; Cd/CdS-SiO2 composite film; electrochemically induced Sol-Gel; Z-scan

随着以激光为代表的强场光源技术的出现, 非线性光学受到人们的广泛关注。非线性光学材料在以光子代替电子进行信息处理、集成、通讯等方面起着重要作用, 在全光学通信、全光学计算机和信息处理等方面有着广阔的应用前景, 是实现以光电子技术为核心的现代信息技术的物质基础[ 1, 2]。目前, 对非线性光学材料的研究主要集中在纳米复合材料, 掺杂团簇主要是半导体和金属。半导体掺杂复合材料的非线性物理机制为量子限域和带填充[ 3, 4, 5]。半导体掺杂化合物中, II-VI族化合物由于禁带宽度变化范围大, 具有直接跃迁能带结构、离子键成分大等特点, 可制备性能优异的非线性光学材料[ 6]。其中CdS由于制备简单、性能稳定, 在光通讯方面具有潜在的应用前景而倍受关注。CdS中S原子有两个未成键的孤对电子, 在光照下易产生瞬态电子, 表现出很快的非线性响应[ 7]。目前对CdS掺杂非线性光学材料的研究主要集中在CdS掺杂玻璃和CdS-SiO2复合材料。CdS掺杂玻璃主要采用高温熔融法制备, 其 χ(3)为10-21~10-18(m/V)2 [ 8, 9, 10, 11, 12, 13]。CdS-SiO2复合材料主要采用溶胶-凝胶法制备, 其 χ(3)为10-21~10-15(m/V)2 [ 14, 15, 16, 17]

将三阶非线性光学材料用于电子器件通常要求材料为薄膜状态。高温熔融法制备的材料为块状, 溶胶-凝胶法可通过浸入-提拉[ 14]或旋涂[ 18]的方法制备薄膜材料。为了增加薄膜厚度而采用的多次提拉或旋涂的方法得到的薄膜实际为多层膜。电化学-溶胶-凝胶法自提出以来主要应用于防腐[ 19, 20]和电化学分析[ 21, 22, 23]。我们研究组已成功通过该方法制备了碲基复合薄膜[ 24, 25, 26, 27]。采用电化学-溶胶凝胶法制备Cd/CdS-SiO2三阶非线性光学薄膜的研究还未见报道。本研究拟采用电化学-溶胶凝胶法制备CdS-SiO2复合薄膜, 并且通过选择适当硫源, 并在薄膜中掺杂Cd, 以提高薄膜的三阶光学非线性。

1 实验部分
1.1 溶胶的配制

正硅酸乙酯(TEOS)与无水乙醇在磁力搅拌下均匀混合, 缓慢加入蒸馏水, 滴加浓度为50% 的硝酸至溶液澄清透明。各物质摩尔比为: n(TEOS): n(H2O): n(C2H5OH)=1:5:2.5。加入6.5 mL乙二醇, 搅拌1 h制备出SiO2溶胶(溶胶1)。溶胶1中按比例加入硫脲(CS(NH2)2), n(TEOS): n(CS(NH2)2)=8: 3, 搅拌0.5 h制备出溶胶2。溶胶1中按比例加入Cd(NO3)2, n(TEOS): n(Cd (NO3)2)=4:1, 搅拌0.5 h制备出溶胶3。溶胶3中加入过量CS(NH2)2, n(Cd (NO3)2): n(CS(NH2)2)=1:1.5, 搅拌 0.5 h制备出溶胶4, pH值约为3.0。实验所用药品均为分析纯, 蒸馏水为三蒸水。

1.2 薄膜的制备及表征

以溶胶4为电解液, 采用电化学方法在ITO玻璃基底上制备复合薄膜。电化学沉积电位通过循环伏安实验确定, 电化学沉积和CV实验均在CHI660电化学系统上进行。实验采用三电极体系, 以大面积铂片为辅助电极, 以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极, 以ITO玻璃为研究电极。CV实验从开路电位向负电位方向扫描, 至设置最低点后反向扫描, 至设置最高点再反向扫描至开路电位。CV实验扫描范围为-2.5 ~+2.5 V, 扫描速度为10 mV/s。

薄膜微观形貌和元素组成采用美国FEI公司FEI Nova 400型场发射扫描电镜(EBSD能谱)表征; 薄膜的三阶光学非线性采用美国Newport公司M-Z-scan系统测试(光源为西南技术物理研究所研制的Nd:YAG脉冲调Q激光光源, 脉冲宽度为7 ns, 重复频率为2 Hz, 波长为1064 nm, 光束空间分布为高斯分布); 薄膜的透射光谱和反射光谱采用日本HITACHI公司U-4100 Spectrophotometer双光束紫外-可见分光光度计测量; 薄膜厚度采用美国AMBIOS公司XP-1台阶仪测量。

2 结果与讨论
2.1 循环伏安实验

图1为ITO玻璃在四种溶胶中的CV曲线。从图1可以看出, 溶胶1和溶胶2在-2.5~+2.5 V范围内电流很小, 说明SiO2溶胶和CS(NH2)2在该范围内稳定。溶胶3在-0.7 V处出现还原峰, 电压回扫至0V时出现氧化峰, 分别对应Cd2+的还原峰和Cd的氧化峰。溶胶4在-0.9V处出现还原峰, 电压回扫至-0.17 V处出现氧化峰, 对比溶胶3的CV曲线, 可确认这两处峰分别为Cd2+的还原峰和Cd的氧化峰。说明溶胶4中镉元素以Cd2+的形式存在, 在0.9~-2.5 V内有Cd生成。CV曲线负电压部分溶胶4的电流远大于溶胶3, 说明溶胶4中除了有Cd2+的还原反应, 还有Cd(NO3)2和CS(NH2)2的共沉积, 即CdS的生成。为了使薄膜中有Cd掺杂, 电化学沉积电位选择为-0.9~-2.0 V, 在该范围内尝试制备复合薄膜, 发现当沉积电位为-0.9~-1.1 V时, 制备的薄膜很薄, 用 Z扫描分析薄膜的光学非线性差。根据实验结果, 选择电化学沉积电位为-1.2、-1.4和-1.8 V。当沉积时间大于300 s时, 薄膜平整性变差, 因此选择电化学沉积时间为100、200和300 s。

图1 ITO电极在不同溶胶中的CV曲线Fig. 1 Cyclic voltammogram of ITO in different solutions

2.2 薄膜的微观形貌及组成

图2是不同电化学条件下制备薄膜的SEM照片。从SEM照片可以看出, 不同电化学沉积条件下制备的薄膜微观形貌相似, 说明电化学条件对薄膜微观形貌影响较小。薄膜由100 nm×10 nm和25 nm× 10 nm的纳米束构成, 为纳米结构材料。不同尺寸纳米结构物质分别团簇, 交替垂直生长于基底。

图2 薄膜的SEM照片Fig. 2 SEM images of the films prepared at different electrodeposition conditions(a)-1.2 V, 100 s; (b)-1.4 V, 100 s; (b)-1.4 V, 200 s

图3是ITO基底和带基底薄膜的EDX测试结果, 从图中可以看出基底主要组成元素为Si、O、In, 其中Si的含量略低于In, O含量略高于In; 带基底薄膜检测到的主要元素为Si、O、In、Cd、S, 其中In为基底元素。图3(b)中Si、O含量远高于In, 说明薄膜中含大量Si、O元素。分析得出薄膜的组成元素为Cd、Si、S、O。由于基底的干扰, 薄膜中的Si、O含量应低于测量值。

图3 ITO基底和带基底薄膜的EDX测试结果Fig. 3 EDX analyses of (a) ITO substrate and (b) film deposited at -1.4V for 300 s

表1是根据EDX表征结果得到的薄膜的Cd/Si、Cd/S和S/Si(原子比)。由于基底为同一块ITO玻璃, 在基底影响不易消除的情况下, 可用带基底薄膜的检测值分析薄膜元素变化趋势。薄膜在较高沉积电压下Cd/Si原子比较大。沉积电压为-1.4 V时, 随着沉积时间的延长, Cd/Si增大。这说明薄膜中Cd元素含量随着电压增大和沉积时间延长的电化学生长过程。Cd/S(原子比)>1, 说明薄膜中Cd元素除了以CdS的形式存在, 还有其它形式的Cd。结合CV分析可确定薄膜中含有金属Cd, 该薄膜为Cd/CdS-SiO2复合薄膜。较高沉积电位下, Cd/S原子比较高, 说明高沉积电位有利于金属Cd的生成。薄膜中来源于CdS的Cd/Si(原子比)可用S/Si(原子比)表示。分析显示沉积电位为-1.2 V时S/Si(原子比)较大, 表明低沉积电位有利于CdS的生成。

表1 薄膜的EDX测试结果表 Table 1 EDX results of the films
2.3 Cd/CdS-SiO2复合薄膜的 Z扫描分析

图4是Cd/CdS-SiO2复合薄膜的Z扫描分析图。薄膜的开孔(OA)曲线均为以焦点为中心的对称峰值曲线, 说明Cd/CdS-SiO2复合薄膜具有饱和吸收特性的非线性吸收。薄膜的闭孔/开孔(CA/OA)曲线均为以焦点为对称中心的先锋后谷曲线, 说明Cd/CdS-SiO2复合薄膜具有自散焦特性的非线性折射效应, 薄膜为三阶非线性光学材料。

图4 Cd/CdS-SiO2复合薄膜的 Z扫描曲线Fig. 4 Z-scan curves of Cd/CdS-SiO2 films prepared at different electrodeposition conditions(a) -1.2 V, 200 s; (b) -1.4 V, 200 s; (c) -1.8 V, 200 s

2.4 Cd/CdS-SiO2复合薄膜的非线性参数

Cd/CdS-SiO2复合薄膜的厚度( L)、1064 nm处的透射率( T%)和反射率( R%)见表2。从表2可以看出, 相同沉积电压下随着沉积时间的延长, 薄膜厚度增加; 相同沉积时间, 增大沉积电压, 薄膜厚度增大, 说明薄膜依靠电化学反应沉积到基底上。不同电化学条件下制备薄膜的透射率均高于70%, 说明薄膜具有良好的透光性。薄膜三阶非线性参数的计算参照文献[24-27], 计算值见表2, 其中 γ为非线性折射系数, β为非线性吸收系数。 γ值为负, 表明薄膜为自散焦材料; β为负, 表明薄膜具有饱和吸收特性[ 28]。薄膜的 χ(3)为10-15~10-14(m/V)2, 远高于文献值的10-21~10-15(m/V)2 [ 14, 15, 16, 17, 18], 表明薄膜具有优异的三阶光学非线性, 说明电化学-溶胶凝胶法是有效的制备三阶光学非线性薄膜的方法。

表2 Cd/CdS-SiO2复合薄膜的厚度、光学性质和三阶光学非线性参数 Table 2 Thickness, optical parameters and NLO parameters of parameters of Cd/CdS-SiO2 films

根据EDX分析, 低沉积电压有利于提高薄膜中CdS的含量, 高沉积电压有利于增强薄膜中Cd的含量。对比不同沉积电压下制备薄膜的 χ(3)值, 分析认为高CdS含量有利于提高薄膜的 χ(3)值, 即对薄膜的光学非线性起主要作用的是薄膜中CdS的含量。

3 结论

实验采用电化学-溶胶凝胶法, 以ITO玻璃为基底制备了复合薄膜。通过SEM表征发现薄膜为纳米束结构。通过EDX表征得出薄膜的组成元素为Si、O、Cd、S。分析薄膜的Cd/Si、Cd/S得出, 薄膜是通过电化学沉积于基底的, 薄膜中除了CdS以外还有其他形式的Cd。结合CV实验和EDX分析, 确定薄膜为Cd/CdS-SiO2复合薄膜。 Z扫描分析表明薄膜为三阶非线性光学材料, 具有饱和吸收特性的非线性吸收和自散焦特性的非线性折射效应。通过计算得到薄膜的 χ(3)为1.18×10-14~1.39×10-13(m/V)2, 高于文献报道值。研究表明, 电化学-溶胶-凝胶法可提高薄膜中CdS的含量, 并通过适当选择硫源在薄膜中掺杂金属镉, 是制备非线性光学薄膜的有效方法。分析认为对薄膜光学非线性起主要作用的是CdS。

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