Synthese und Charakterisierung linearer/nichtlinearer optischer Eigenschaften von Graphenoxid und reduziertem Graphenoxid

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1496 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wollten wir die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositen im Vergleich zu reinem GO und reduziertem Graphenoxid (RGO) untersuchen. Zu diesem Zweck wurden GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO synthetisiert und durch Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR), Ultraviolett-Vis-Absorption (UV-Vis), Röntgenbeugung (XRD) und Energiedispersion charakterisiert Röntgenspektroskopie (EDX). Die XRD- und EDX-Analyse zeigte die Reduktion von GO sowie die erfolgreiche Synthese von GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositen. Die FT-IR-Spektroskopie zeigte, dass Absorptionsbanden bei 3340 cm-1, 1630 cm-1, 1730 cm-1 und 480 cm-1 im Zusammenhang mit OH-, C=C-, C=O- bzw. Zn-O-Streckschwingungen lagen . Die direkten Bandlücken von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO aus UV-Vis-Spektren lagen nacheinander bei 3,36, 3,18, 3,63 und 3,25 eV. Darüber hinaus wurden die nichtlinearen optischen Eigenschaften dritter Ordnung mithilfe einer Z-Scan-Technik mit einem Nd:YAG-Laser (532 nm, 70 mW) untersucht. Es ist ersichtlich, dass der Wert des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten \((\upbeta )\) von 5,3 × 10–4 (GO) auf 8,4 × 10–3 cm/W (RGO-ZnO) anstieg. Darüber hinaus wurde der nichtlineare Brechungsindex (n2) von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO mit 10,9 × 10–10, 14,3 × 10–10, 22,9 × 10–10 und 31,9 × 10–10 ermittelt cm2/W bzw.

Nach der Entdeckung von Graphen durch Geim und Noveselev im Jahr 2004 wurden umfangreiche Forschungsarbeiten auf dem Gebiet dieses dünnsten und flachsten Materials durchgeführt, das es jemals im Universum geben konnte1,2,3,4. Graphen bietet eine einzigartige zweidimensionale (2D) sp2-hybridisierte Struktur und großartige Eigenschaften wie hohe mechanische Flexibilität, überlegene elektrische und thermische Leitfähigkeit, große spezifische Oberfläche und hohe chemische Stabilität5,6,7,8,9,10, 11. Aufgrund dieser Eigenschaften findet Graphen verschiedene Anwendungen, unter anderem in Superkondensatoren12,13, Photovoltaik14,15,16, Brennstoffzellen17,18,19, Sensoren20,21 und Nanoflüssigkeiten22,23. Darüber hinaus kann die 2D-Kristallstruktur von Graphen es beliebter machen, um verschiedene Materialien zu laden oder verschiedene Verbundstoffe zu bilden, die die vorteilhaften Eigenschaften von Graphen und den hinzugefügten Komponenten verbessern24. Beispielsweise wurde beobachtet, dass Graphen/Metalloxid-Verbundwerkstoffe im Vergleich zu einzelnem Graphen oder zusätzlichen Komponenten eine höhere Leistung bei der Energiespeicherung25,26,27,28 und der elektrochemischen Detektion29,30,31,32 gezeigt haben. Darüber hinaus hat die Forschung an funktionalisiertem Graphen gezeigt, dass Graphen-Verbundwerkstoffe bemerkenswerte nichtlineare optische (NLO) Reaktionen zeigen33. In dieser Hinsicht können anorganische Metalloxide gute Kandidaten für die Kombination mit Graphen sein. In jüngster Zeit haben sie aufgrund ihrer breiten Anwendung in der Katalyse, Wasseraufbereitung, Wasserstoffproduktion, Lithium-Ionen-Batterien und transparenten Elektronik große Aufmerksamkeit auf sich gezogen34,35,36,37,38,39. Beispielsweise ist Zinkoxid (ZnO) ein anorganisches Metalloxid mit einer breiten Bandlücke von 3,37 eV40,41 und einer großen Exzitonenbindungsenergie bei Raumtemperatur (60 meV) und bietet vielfältige potenzielle Anwendungen wie Leuchtdioden42 und Solarzellen43,44 ,45,46, Sensoren47,48,49, Fotodetektoren50 und Nanogeneratoren1,5. Folglich kann die Kombination von Graphen mit ZnO-Nanopartikeln entsprechend den überaus individuellen Eigenschaften von Graphen und ZnO die Leistung verbessern1. Offensichtlich gelten die richtige Löslichkeit und Verarbeitbarkeit als die ersten Voraussetzungen für viele Anwendungen von Materialien auf Graphenbasis33. Die schlechte Löslichkeit von Graphen schränkte seine Anwendung sowohl in organischen als auch in anorganischen Lösungsmitteln ein24. Eine der möglichen Methoden zur Verbesserung der Löslichkeit ist die Oxidation von Graphen und die Modifikation von GO mit einigen löslichen Materialien. Da GO über große Mengen an sauerstoffhaltigen Gruppen wie Carboxyl, Carbonyl und Hydroxyl/Epoxid verfügt, kann es durch kovalente/nicht kovalente Funktionalisierung problemlos verschiedene Arten der Dekoration mit organischen und anorganischen Materialien bereitstellen51. Graphenoxid (GO) kann mit verschiedenen Methoden wie Staudenmaier52, Hofmann53, Jaleh54 und Marcano55 synthetisiert werden. Unter diesen wird heute häufig die Hummers-Methode zur Herstellung von GO verwendet56.

Wie angenommen, kann die Kombination von Graphit mit Metalloxiden die optoelektronischen Eigenschaften verbessern. Zu diesem Zweck untersuchen wir in dieser Arbeit die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von GO-ZnO und RGO-ZnO-Hybriden. Zunächst wurde GO mit einer modifizierten Hummers-Methode direkt aus Graphit synthetisiert. Anschließend wurde das Nanokomposit aus RGO-ZnO mithilfe der hydrothermischen Methode hergestellt. Die strukturellen Eigenschaften der Proben wurden mithilfe von Pulverröntgenbeugung (XRD), energiedispersiven Röntgenspektren (EDX) und Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FT-IR) untersucht. Die optischen Eigenschaften der Proben wurden mittels UV-sichtbarer Spektroskopie und Z-Scan-Analyse untersucht.

Die Z-Scan-Technik untersuchte die NLO-Eigenschaften von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO. Die Ergebnisse zeigen, dass GO-ZnO- und RGO-ZnO-Hybride im Vergleich zu GO und RGO verbesserte NLO-Eigenschaften aufweisen. Daher können GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokomposite gute Kandidaten für die optische Kommunikation und optische Speicherung sein33. Es ist erwähnenswert, dass in dieser Studie ein edler Ansatz entwickelt wurde, um die Eigenschaften von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO sinnvoll zu vergleichen, über den in vielen Arbeiten zuvor nicht berichtet wurde. In diesem effizienten Weg werden alle Eigenschaften von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO, wie z. B. \(\upbeta \) und n2-Werte, in einer Tabelle bereitgestellt (Tabelle 1).

Spektroskopisch reiner (SP) Graphit, Schwefelsäure (H2SO4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Kaliumhydroxid (KOH), Hydrazinhydrat (N2H4), Zinkacetat-Dehydrat Zn (CH3COO)·7H2O Kaliumpermanganat (KMnO4) und Natriumhydroxid (NaOH). ) wurden vom Chemieunternehmen Merck gekauft und ohne jegliche Reinigung verwendet.

GO wurde nach der Hummers-Methode und durch Oxidation von Graphit hergestellt. Zunächst wurden 0,2 g Graphit mit konzentrierter H2SO4 (50 ml) gemischt und dann 12 h gerührt. Anschließend wurde die Mischung in einem Eisbad unter kräftigem Rühren abgekühlt und gleichzeitig KMnO4 (2,5 g) langsam zur Suspension gegeben und 2,5 Stunden lang gerührt. Die Lösung wurde mit destilliertem Wasser (50 ml) verdünnt und der Rührvorgang 1 Stunde lang fortgesetzt. Man ließ die Mischung weiter auf Raumtemperatur abkühlen und behandelte sie schließlich mit 50 ml destilliertem Wasser, gefolgt von 100 ml H2O2 30 %. Anschließend wurde es durch Zentrifugieren und Waschen mit überschüssigem Wasser gereinigt, bis der pH-Wert 7 erreichte, um GO56 zu erhalten.

Graphitoxid wurde durch Ultraschallbehandlung für 2 Stunden in entionisiertem Wasser dispergiert. Dann wurden 0,6 g KOH (Reinheit 99,5 %) und 4 ml Hydrazinhydrat (Konzentration 80 %) zur Suspension gegeben und die Temperatur auf 100 °C erhöht und 24 Stunden lang unter Rückfluss erhitzt. Am Ende wurde das erhaltene RGO gewaschen und getrocknet52.

Zur Herstellung von GO-ZnO-Nanokomposit mit einem Massenverhältnis von 10 % GO wurden 2,7 g Zn (CH3COO)·7H2O zu 30 ml entionisiertem Wasser gegeben und dann 0,05 g GO unter langsamem Rühren zugegeben. Danach wurde der obigen Lösung langsam 3 M NaOH zugesetzt, bis der pH-Wert 12 erreichte, und die resultierende Mischung wurde 30 Minuten lang mit Ultraschall behandelt. Die endgültige Mischung wurde zur Hydrothermalsynthese bei 160 °C in einem Ofen für 20 Stunden in einen mit Teflon ausgekleideten Autoklaven überführt. Der Niederschlag (GO-ZnO) wurde dreimal mit entionisiertem Wasser und Aceton gewaschen und bei 80 °C getrocknet. Um RGO-ZnO zu erhalten, wurden die genannten Schritte mit 0,05 g RGO wiederholt.

Die Qualität und Ausrichtung der Kristallstruktur von Graphit, GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO-Nanokomposit ist in Abb. 1 dargestellt. Das XRD-Muster von GO zeigt, dass der scharfe Beugungspeak bei 9° dem Basisabstand von GO (8,97) entspricht Å) und aufgrund der Einlagerung sauerstoffhaltiger Gruppen höher als bei Graphit (4 Å)5. Im Graphitmuster werden der scharfe Peak bei 2θ = 26,4 und der breite Peak bei 24,42 im RGO-Muster der (002)-Ebene eines Kohlenstoffatoms zugeordnet. Dieser breite Beugungspeak in RGO hängt mit der schlechten Ordnung der Schichten entlang der Ebenenrichtung und vielen Defekten im Kohlenstoffgitter zusammen. Die GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositmuster zeigen hochkristalline Peaks bei 2θ = 31,9°, 34,7°, 36,5°, 47,7°, 56,8°, 63,0°, 66,6°, 67,9°, 69,2°, 72,7°. Sie können auf die hohe Kristallinität von ZnO während der hydrothermischen Methode zurückgeführt werden, die zum Verschwinden der charakteristischen Peaks von GO und RGO führte. Darüber hinaus sind in Abb. 2 die Ergebnisse der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) dargestellt, die das Vorhandensein von Zn-, C-, S-, Mn-, K- und O-Atomen in unseren Proben zeigen. Außerdem weisen die Elementverteilung und das EDS-Spektrum auf eine deutliche Änderung des Sauerstoffgruppenverhältnisses von 34,08 (at%) in GO auf 20,43 (at%) in RGO-Proben5,30 hin.

XRD-Muster von Graphit-, GO-, RGO-, GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositen.

Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (SEM-EDX)-Analyse (a) GO, (b) RGO, (c) GO-ZnO und (d) RGO-ZnO.

Die Ergebnisse der FTIR-Spektroskopie von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO sind in Abb. 3 dargestellt. Das Muster von GO zeigt eine O-H-Gruppen-Streckschwingungsbande bei 3340 cm−1. Die sp2-Struktur von C=C- und Carbonyl-Funktionsgruppen (C=O-Streckung) wird bei 1630 cm−1 bzw. 1730 cm−1 beobachtet24. Der Absorptionspeak bei 1220 cm-1 und 1044 cm-1 steht im Zusammenhang mit der CO-Streckschwingungsbande. Es muss erwähnt werden, dass die Schwingungsbanden von O–H, C=O und C–O aufgrund der Desoxygenierung in RGO stark reduziert, abgeschwächt und leicht zu einer niedrigeren Wellenzahl verschoben wurden. Schließlich können die Absorptionspeaks bei 480 cm−1 in den GO-ZnO- und RGO-ZnO-Mustern auf die ZnO-Streckschwingung zurückgeführt werden.

FTIR-Spektren von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO.

Wie in Abb. 4a gezeigt, zeigen die UV-Vis-Spektren, dass GO zwei Absorptionspeaks aufweist: einen bei etwa 230 nm, vermutlich aufgrund des π → π*-Übergangs der CC-Bindungen, und eine weitere Schulter bei etwa 300 nm zum n → π*-Übergang der C = O-Bindungen57,58,59,60. Dagegen verschiebt sich der Peak des π → π*-Übergangs für RGO auf 260 nm, was darauf hindeutet, dass einige Gruppen auf der GO-Oberfläche entfernt werden und die konjugierte Struktur wiederhergestellt wird, was eine erhöhte π-Elektronenkonzentration und strukturelle Ordnung widerspiegelt, was mit der Wiederherstellung übereinstimmt von sp2-Kohlenstoff und mögliche Umlagerung von Atomen61,62. Im Spektrum von GO-ZnO wurden zwei Absorptionspeaks bei 230 nm und 366 nm beobachtet, die mit dem GO-Absorptionspeak bzw. dem Hauptabsorptionspeak von ZnO zusammenhängen63. RGO-ZnO-Hybride weisen eine Bandkantenabsorption bei 361 nm auf, die fast 9 nm weniger blauverschoben ist als die Bandlückenabsorption von Bulk-ZnO bei 370 nm, was durch den Quantenbeschränkungseffekt der kleineren Strukturgröße von ZnO erklärt werden könnte. Außerdem ist im Vergleich zu reinem RGO eine leichte Blauverschiebung des Absorptionspeaks von RGO-ZnO von 260 auf 258 nm zu erkennen.

(a) Absorptionsspektren von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO-Nanokomposit und (b) Bandlückenbestimmung gemäß Absorptionsmessungen von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO.

Der optische Absorptionskoeffizient (\(\mathrm{\alpha }\)) kann mit Gleichung berechnet werden. (1),

Dabei ist D die Konstante, \(\mathrm{h\nu }\) die einfallende Photonenenergie und \({\mathrm{E}}_{\mathrm{g}}\) die optische Bandlücke und n den Typ des optischen Übergangs. Im vorliegenden Fall wird n = 1/2 betrachtet, was auf die direkte Bandlücke des vorbereiteten Materials zurückzuführen ist; daher ist die Auftragung von \({\left(\mathrm{\alpha h\nu }\right)}^{2}\) gegenüber \(\mathrm{h\nu }\) in Abb. 4b dargestellt. Schließlich wurde die Bandlücke der vorbereiteten Materialien durch Extrapolation auf der X-Achse berechnet.

Die Bandlücken von GO und RGO betragen ~ 3,36 eV bzw. 3,18 eV, da bei der Reduktion einige der Sauerstoffgruppen entfernt werden und die Bandlücke daher durch Steuerung des in RGO vorhandenen Sauerstoffs weiter angepasst werden kann. Die Energiebandlücke für reines ZnO betrug 3,37 eV64 und mit GO erhöhte sie sich auf etwa 3,63 eV. Es ist bekannt, dass die Anregungsenergie von ZnO-Nanopartikeln gemäß der Kubo-Theorie mit abnehmendem Korndurchmesser zunimmt65; Daher kann die Blauverschiebung der ZnO-Bandlücke in der GO-ZnO-Struktur auf die Verringerung der Größe der ZnO-Nanopartikel zurückgeführt werden. Die auf 3,25 eV verringerte Bandlückenenergie von RGO-ZnO aufgrund der Erhöhung der Oberflächenladung zwischen ZnO und RGO führte zu einer Verschiebung der optischen Bandlücke zu einer höheren Wellenlänge.

Da die NLO-Eigenschaften für hochleistungsfähige rein optische photonische Geräte von großer Bedeutung sind, wurden in diesem Teil die optischen Nichtlinearitäten dritter Ordnung der GO-, RGO-, GO-ZnO- und RGO-ZnO-Proben mithilfe der Z-Scan-Techniken untersucht . Als Laserquelle wurde daher die zweite Harmonische eines gütegeschalteten Nd:YAG-Lasers (532 nm, 4 ns) verwendet. Die Konzentrationen der Probenlösungen GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO betragen 0,2 mg/ml, die in 1 mm Quarzküvetten gegeben wurden. Nach Eintritt in die Probe wurde der Laserstrahl durch einen Strahlteiler geteilt. Die Messungen wurden unter Verwendung von Konfigurationen mit offener und geschlossener Apertur durchgeführt. Der reflektierte Strahl wurde als Signal bei offener Apertur verwendet und der durchgelassene Strahl ging als Signal bei geschlossener Apertur durch ein kleines Loch (s = 0,3).

Da Graphen hervorragende nichtlineare optische Eigenschaften und eine optische Begrenzungsleistung aufweist, war es von großem Interesse, die NLO-Eigenschaften von Metalloxiden in Kombination mit Graphen zu bewerten. Graphen verfügt über eine einzigartige atomare und elektronische 2D-Schichtstruktur mit sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Andererseits ist GO ein hauptsächlich 2D-Netzwerk, das eine große Anzahl sp3-hybridisierter Kohlenstoffatome sowie einige sp2-Domänen enthält und dessen Konzentration durch chemische Reduktion erhöht werden kann. Es wird berichtet, dass stark reduziertes GO mit einem größeren Prozentsatz an sp2-Kohlenstoffdomänen gute SA aufweist, während teilweise reduziertes GO gute RSA-Eigenschaften aufweist66.

Aufgrund der Existenz früherer graphitischer Nanoinseln, bei denen es sich um sp2-hybridisierte Kohlenstoffcluster handelt, besitzt das GO einige Eigenschaften von Graphen. Beispielsweise verursachen ultraschnelle Trägerdynamik und Pauli-Blockierung eine schnelle SA im ultrabreiten Spektrenbereich. Infolgedessen überwindet die SA, die aus der Pauli-Blockierung stammt, nach Anregung durch einen 532-nm-Laser die NLO-Absorption bei niedrigen Pumpintensitäten. Aufgrund der geringen Menge an sp2-Konfigurationen in GO sollte der Beitrag der Absorption im angeregten Zustand (ESA), der von kleinen lokalisierten sp2-Konfigurationen herrührt, zum nichtlinearen Absorptionstal im Vergleich zum TPA gering sein67.

Die nichtlineare Absorption (NLA) von GO wird hauptsächlich von der Zwei-Photonen-Absorption (TPA) abgeleitet, die von den sp3-Domänen ausgeht; Bei hohen Pumpintensitäten dominiert es die NLA, was auf die große Energielücke des sp3-gebundenen Kohlenstoffs (2,7–3,1 eV) zurückzuführen ist.68

Abbildung 5 zeigt Z-Scan-Ergebnisse mit offener Apertur von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO. Es ist bekannt, dass die Taltiefe der Z-Scan-Kurve mit offener Apertur die optischen Grenzeigenschaften des Materials widerspiegelt. Wenn das Tal tiefer wäre, wäre seine optische Begrenzungsleistung besser68.

Messungen mit offener Apertur (bei 532 nm) von (a) GO, (b) RGO, (c) GO-ZnO und (d) RGO-ZnO bei einer Anregungsintensität von 532 nm. Symbole stellen experimentelle Daten dar und durchgezogene Linien stellen die theoretische Anpassung dar.

Wie die Abbildung zeigt, enthält die normalisierte Transmissionskurve von GO-, RGO-, GO-ZnO- und RGO-ZnO-Proben Täler, was bedeutet, dass sie eine umgekehrte sättigbare Absorption (RSA) aufweisen. Offensichtlich sind die Tiefen der Täler in den GO- und RGO-Kurven leicht unterschiedlich, was zeigt, dass der Reduktionsprozess in RGO die NLO-Eigenschaften von GO verbessern kann.

Darüber hinaus ist das nichtlineare Absorptionstal von RGO-ZnO offensichtlich tiefer und breiter als das von GO-ZnO, was auf eine Verbesserung der NLO-Eigenschaften hindeutet. Dies kann hauptsächlich auf die thermische Reduktion der GO-Einheit zu RGO zurückgeführt werden. Nach der Reduktion kann die Zahl der kleinen lokalisierten sp2-Konfigurationen stark zunehmen, sie können sich jedoch nicht zu neuen sp2-Kohlenstoffclustern in der RGO-Einheit verbinden67. Der nichtlineare Absorptionskoeffizient β von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO wurde untersucht. Die Kurven der Materialien zeigen unterschiedliche Trends für den nichtlinearen Absorptionskoeffizienten β, was auf ihre komplizierten NLO-Reaktionsmechanismen zurückzuführen sein dürfte. Nach kovalenter Funktionalisierung mit ZnO weist der GO-ZnO-Hybrid einen viel höheren β-Wert auf als der von GO. Darüber hinaus weist der RGO-ZnO-Hybrid den deutlich größeren β-Wert im Vergleich zum GO-ZnO-Hybrid auf und liefert den höchsten nichtlinearen Absorptionskoeffizienten β von 31,9 × 10−10 cm/w, was mit der effektiven Reduktion von GO in Zusammenhang gebracht werden kann Einheit zu RGO. Der für RGO-ZnO beobachtete größere β-Wert legt nahe, dass es eine konkurrenzfähig bessere optische Begrenzungsleistung aufweisen sollte67.

Um die nichtlinearen optischen Eigenschaften von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO quantitativ zu bewerten, passen wir die experimentellen Daten mit den folgenden Gleichungen an:

wobei T der normalisierte Transmissionsgrad bei offener Apertur ist, \({\mathrm{z}}_{0}=\frac{\uppi {\mathrm{W}}_{0}^{2}}{\uplambda }\) ist der Rayleigh-Bereich, z ist die Probenposition, W0 ist die Strahltaille am Brennpunkt (Z = 0), \(\uplambda \) ist die Laserwellenlänge, I0 ist die Spitzenintensität und \({\mathrm{ L}}_{\mathrm{eff}}=\frac{1-\mathrm{exp}(-\mathrm{\alpha L})}{\mathrm{\alpha }}\) ist die effektive Dicke der Probe wobei α der lineare Absorptionskoeffizient der Probe ist und aus dem UV-Spektrum68 berechnet wird.

Im Fall der Nichtlinearität dritter Ordnung kann der Brechungsindex des Materials als Lichtintensität ausgedrückt werden:

Dabei ist n0 der lineare Brechungsindex und I die Intensität des einfallenden Laserlichts. Die Z-Scan-Messung mit einer Apertur (nahe Apertur) wurde zur Untersuchung der nichtlinearen Brechung von GO-, RGO-, GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositen durchgeführt.

Eine typische Peak-Tal-Transmissionskurve (Tal-Peak) wird erreicht, wenn der nichtlineare Brechungsindex des Mediums negativ (positiv) ist. Zur Bestimmung des nichtlinearen Brechungsindex kann man die Transmissionsänderung durch eine kleine kreisförmige Blende überwachen, die an der Fernfeldposition platziert wird.

Um die Beziehung zwischen der normalisierten Transmission T(z) und der z-Position zu erhalten, bewegen sich die Proben entlang der Achse des einfallenden Strahls (z-Richtung) bezüglich des Brennpunkts. Die Variation dieser Größe als Funktion von ΔΦ0 ist gegeben durch:

wobei S der lineare Transmissionsgrad der Fernfeldapertur ist. |ΔΦ0| bezieht sich auf n2 durch den folgenden Ausdruck:

wobei I0 die Intensität des Laserstrahls im Fokus z = 0 ist, \({\mathrm{L}}_{\mathrm{eff}}=\frac{1-\mathrm{exp}(-\mathrm{\alpha L})}{\mathrm{\alpha }}\) ist die effektive Dicke der Probe, α ist der lineare Absorptionskoeffizient und L ist die Dicke der Probe. Der nichtlineare Brechungsindex n2 (cm2/w) kann aus den Gleichungen ermittelt werden. (5) und (6)69.

Die Z-Scan-Ergebnisse bei enger Apertur von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO sind in Abb. 6 dargestellt. In dieser Abbildung zeigen Symbole experimentelle Transmissionsdaten, während durchgezogene Linien durch Anpassen der experimentellen Daten an die Daten dargestellt sind nichtlineare Transmission. Darüber hinaus wird der nichtlineare Brechungsindex (n2) als Anpassungsparameter herangezogen.

Messungen mit geschlossener Apertur (bei 532 nm) von (a) GO, (b) RGO, (c) GO-ZnO, (d) RGO-ZnO. Symbole stellen experimentelle Daten dar und durchgezogene Linien stellen die theoretische Anpassung dar.

Es wurde festgestellt, dass experimentelle Daten mit geschlossener Apertur von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO für eine Anregungsintensität von 532 nm gut für typische Werte von n2 passen. Aus Abb. 6 geht deutlich hervor, dass die Proben präfokale Peak- und postfokale Taleigenschaften aufweisen, was ein direkter Hinweis auf negatives n2 (positive Linse) ist und darauf hindeutet, dass RGO-ZnO auch als selbstfokussierende Materialien um 532 nm verwendet werden kann . Der Unterschied zwischen der normalisierten Spitzen- und Taltransmission ΔTP-V (bezeichnet TP-TV) kann direkt mit der Z-Scan-Technik70 gemessen werden. Die berechneten Werte für ΔTP-V und n2 sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Wir haben über die Synthese, Struktur und nichtlinearen optischen Eigenschaften von GO-, RGO-, GO-ZnO- und RGO-ZnO-Nanokompositen berichtet. Die Ergebnisse von XRD, EDX, FT-IR und UV-Vis bestätigen die erfolgreiche Herstellung von RGO-ZnO. Die Proben wurden separat charakterisiert und auf nichtlineare optische Eigenschaften getestet. Die Ergebnisse der Z-Scan-Tests mit offener Apertur an GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO zeigten die deutlich erhöhten Werte des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten β von RGO-ZnO (8,4 × 10−3 cm/w) im Vergleich zu reinem GO und GO-ZnO. Dies kann auf die Kombination verschiedener NLO-Mechanismen in RGO-ZnO zurückgeführt werden, einschließlich der SA aus den sp2-Clustern in der RGO-Einheit und der RSA, die aus der ZnO-Einheit stammt. Darüber hinaus zeigt die Z-Scan-Kurve von RGO-ZnO ein tieferes RSA-Tal. Die Ergebnisse des Nahapertur-Z-Scans von GO, RGO, GO-ZnO und RGO-ZnO deuten auf einen deutlichen Anstieg des nichtlinearen Brechungsindex n2 der RGO-ZnO-Probe im Vergleich zu GO hin.

In Anbetracht des einfach herzustellenden und kostengünstigen RGO-ZnO-Nanokomposits und seiner hervorragenden NLO-Eigenschaften könnte diese Arbeit Einblicke in das Design anderer neuartiger Materialien auf Graphenbasis für optoelektronische Geräte wie optische Begrenzungen, optische Schalter und optische Geräte geben Sensoren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Islamic Azad University, Najafabad Branch Research Council, für die teilweise Unterstützung dieser Forschung.

Fachbereich Physik, Zweigstelle Najafabad, Islamische Azad-Universität, Najafabad, Iran

Mohsen Ebrahimi Naghani, Mina Neghabi und Mehdi Zadsar

Fakultät für Chemie, Zweigstelle Najafabad, Islamische Azad-Universität, Najafabad, Iran

Hossein Abbastabar Ahangar

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HAA- und MEN-Synthese von Graphenoxid und reduziertem Zinkoxid-Nanokomposit auf Graphenoxidbasis. MEN führte die FTIR-, UV-Vis-, XRD- und Z-Scan-Messungen durch. MZ und HAA analysierten die Daten und trugen zur Interpretation bei. MÄNNER stellten die Probe zur Verfügung. MN überwachte die Studie. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und deren Interpretation. Das Manuskript wurde durch Beiträge aller Autoren verfasst. Alle Autoren haben der endgültigen Fassung des Manuskripts zugestimmt.

Korrespondenz mit Mina Neghabi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ebrahimi Naghani, M., Neghabi, M., Zadsar, M. et al. Synthese und Charakterisierung linearer/nichtlinearer optischer Eigenschaften von Graphenoxid und reduziertem Zinkoxid-Nanokomposit auf Graphenoxidbasis. Sci Rep 13, 1496 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28307-7

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Eingegangen: 27. November 2022

Angenommen: 17. Januar 2023

Veröffentlicht: 27. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28307-7

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