Vật liệu nano 2D trong ứng dụng lĩnh vực bảo vệ bằng laser

Để đạt được sự bảo vệ đồng thời chống lại cả sóng xung và sóng liên tục (CW) hoặc bán CWBảo vệ tia laser, nỗ lực nghiên cứu đáng kể đã được dành cho các vật liệu và quy trình giới hạn quang học (OL) tiên tiến nhất nhằm cố gắng đạt được một số biện pháp bảo vệ chống lại các chùm tia laze như vậy trong những thập kỷ qua. Vật liệu nano hai chiều (2D) với nhiều tính chất độc đáo, bao gồm graphene, dichalcogenides kim loại chuyển tiếp, phốt pho đen và các loại khác, đã khơi dậy sự quan tâm nghiên cứu sâu rộng của nhiều nhà nghiên cứu. Trong bài viết đánh giá này, chúng tôi mô tả một cách có hệ thống các cơ chế OL và những thành tựu gần đây về vật liệu nano 2D và các dẫn xuất hữu cơ/polyme của chúng để bảo vệ bằng tia laser. Trong nỗ lực duy trì lợi thế của vật liệu nano 2D, người ta không chỉ có thể đưa các phân tử chức năng hoặc polyme hòa trộn với chúng để tạo thành một hệ thống vật liệu nhiều pha phức tạp mà còn có thể nhúng các tấm nano 2D hòa tan được chức năng hóa cộng hóa trị với vật liệu hữu cơ/polyme trong một máy chủ polymer để tạo thành vật liệu tổng hợp máy chủ-khách được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất OL của toàn hệ thống. Nói chung, một hệ thống vật liệu nano đa thành phần phức tạp được tối ưu hóa sẽ nâng cao đáng kể hiệu suất và khả năng ứng dụng của các thiết bị OL. Ngoài ra, các nghiên cứu cơ bản về tính chất quang và quang tử của vật liệu nano 2D và các dẫn xuất của chúng trong các vật chủ rắn khác nhau có ý nghĩa quan trọng trong việc biến đổi vật liệu nano ở cấp độ phân tử.

Ngoài việc được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân sự, tia laser còn được phát triển thành nhiều loại vũ khí laser. Với đặc điểm là tốc độ cao, tấn công liên tục, tiêu diệt mục tiêu chính xác, mức độ sát thương có thể kiểm soát, khả năng chống nhiễu điện từ và chi phí vận hành kinh tế, chúng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các cuộc chiến tranh, chống khủng bố trong tương lai và Nó có chiến lược quan trọng và độc đáo. và giá trị chiến thuật trong an ninh và cứu hộ. Các nước phát triển phương Tây do Hoa Kỳ dẫn đầu, đồng thời coi trọng việc nghiên cứu và phát triển vũ khí laser tiên tiến, cũng đang thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu bảo vệ bằng laser, mong muốn tất cả các tải quang điện tử, thiết bị quân sự và nhân sự nền tảng quân sự/dân sự có giá trị cao cho bảo vệ tia laser hiệu quả. Trong hai thập kỷ qua, con người đã nỗ lực không ngừng để có được các vật liệu chức năng có thể bảo vệ tia laser một cách hiệu quả, chẳng hạn như fullerene, ống nano carbon (CNT), graphene, porphyrin, phthalocyanine, naphthalocyanine, phức kim loại hỗn hợp, huyền phù cacbon đen, kim loại/kim loại các hạt nano/dây nano oxit, hạt nano/dây nano bán dẫn, polyme và vật liệu tổng hợp của chúng, vật liệu Composite hữu cơ/vô cơ và các vật liệu quang phi tuyến khác đang dần được chuẩn bị.

Trong những năm gần đây, các vật liệu chức năng hai chiều (graphene, boron nitride lục giác, halogenua kim loại chuyển tiếp, carbon nitride grafit hóa, oxit kim loại phân lớp, v.v.), polyme hai chiều, khung kim loại hữu cơ, perovskite, Phốt pho đen (phốt pho đen, BP), v.v. (Hình 1) và các dẫn xuất của chúng được sử dụng trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, bộ điều biến quang, laser khóa chế độ và chuyển mạch Q, giới hạn quang, lưu trữ thông tin và năng lượng, Các lĩnh vực như thiết bị tần số vô tuyến và cảm biến hóa học đã cho thấy giá trị ứng dụng tiềm năng ngày càng quan trọng. Vào năm 2014, 64 nhà khoa học vật liệu từ khắp nơi trên thế giới đã cùng nhau viết "Lộ trình phát triển cho graphene và các vật liệu hai chiều khác", trong đó đưa ra định hướng cho sự phát triển trong tương lai của vật liệu hai chiều. Tuy nhiên, những vật liệu hai chiều này không hòa tan trong bất kỳ dung môi hữu cơ nào, hạn chế nghiêm trọng khả năng xử lý và ứng dụng dung dịch của vật liệu. Sử dụng "ghép hữu cơ hoặc polyme được tổng hợp trước vào (ghép vào) hoặc "ghép các nhóm hữu cơ hoặc chuỗi polyme trực tiếp từ bề mặt vật liệu hai chiều" có thể thiết kế và chuẩn bị một số lượng lớn hữu cơ/polyme dựa trên vật liệu nano hai chiều. Bài viết này đánh giá tiến độ nghiên cứu trong lĩnh vực giới hạn quang học trong những năm gần đây dựa trên các vật liệu hai chiều tiêu biểu nhất và các dẫn xuất hữu cơ/polyme của chúng như graphene, BP, sunfua kim loại chuyển tiếp và perovskites. , hiện có. những vấn đề khoa học then chốt và xu hướng phát triển trong tương lai.

Một số vật liệu hai chiều điển hình và sơ đồ ứng dụng của chúng

Về nguyên lý làm việc, công nghệ bảo vệ laser có thể được chia thành hai loại: công nghệ bảo vệ laser dựa trên nguyên lý quang học tuyến tính và công nghệ bảo vệ laser dựa trên nguyên lý quang học phi tuyến (NLO). Ngoài ra, còn có công nghệ bảo vệ thay đổi pha cảm ứng nhiệt và công nghệ bảo vệ vi cấu trúc cơ học, v.v. Nói một cách tương đối, vật liệu bảo vệ laser dựa trên nguyên lý quang học phi tuyến có khả năng chống phổ rộng đối với các tia laser có bước sóng thay đổi, thời gian phản hồi nhanh và kích hoạt bộ bảo vệ. không ảnh hưởng đến khả năng phát hiện hoặc xử lý hình ảnh và truyền tải của thiết bị. , có thể giảm cường độ laser một cách hiệu quả đến mức có thể chấp nhận được đối với các dụng cụ quang học, thiết bị quân sự và mắt người. Nó có giá trị ứng dụng thực tiễn cực cao và cũng là đề tài nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực này trên phạm vi quốc tế. Như được hiển thị trong Hình 2, cơ chế bảo vệ laser (giới hạn quang học, OL) quan trọng nhất chủ yếu bao gồm hấp thụ bão hòa ngược trạng thái kích thích (RSA), hấp thụ hai photon/hấp thụ đa photon (TPA/MPA), hấp thụ sóng mang tự do (tự do- hấp thụ sóng mang, FCA), khúc xạ phi tuyến (NLR) và tán xạ phi tuyến (NLS). Trong vùng ánh sáng khả kiến, phạm vi bảo vệ của vật liệu RSA trong dung dịch và màng rắn nằm trong khoảng 400 -600 nm, trong khi vật liệu TPA tạo ra hiệu ứng giới hạn quang học do sự hấp thụ trạng thái kích thích ở vùng 600-800 nm. Vùng hiệu ứng giới hạn quang học của vật liệu NLS có thể mở rộng đến vùng cận hồng ngoại. RSA, FCA và các hiệu ứng nhiệt gây ra Khúc xạ phi tuyến bao gồm các hiệu ứng phi tuyến tích lũy, trong khi khúc xạ phi tuyến do MPA và hiệu ứng electron tự do gây ra là các hiệu ứng phi tuyến tức thời. Cái trước phụ thuộc vào dòng năng lượng tích tụ trong mẫu, trong khi cái sau chỉ phụ thuộc vào tia laser tới. Cường độ tức thời RSA thường được tạo ra từ một hệ thống phân tử trong đó tiết diện hấp thụ ở trạng thái kích thích lớn hơn tiết diện hấp thụ ở trạng thái cơ bản. Khi năng lượng của ánh sáng tới tăng lên, sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu hấp thụ chống bão hòa càng tăng lên và mức độ truyền ánh sáng giảm đi. MPA (đặc biệt là TPA)) là một hiệu ứng phi tuyến tức thời quan trọng có thể dễ dàng quan sát thấy ở nhiều vật liệu bán dẫn. Các electron trong vùng hóa trị hấp thụ nhiều photon thông qua trạng thái trung gian ảo để kích thích quá trình chuyển đổi sang vùng dẫn của vật liệu. Đối với FCA, các chất mang được tạo ra thông qua sự hấp thụ photon hoặc hiệu ứng nhiệt trong vùng dẫn (electron) và vùng hóa trị (lỗ trống) có thể hấp thụ liên tục các photon và chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao. Khi số lượng sóng mang miễn phí được tạo ra lớn, quy trình này có thể đóng một số vai trò. NLR có thể đến từ phần thực của χ(3) (sự phi tuyến của electron Kerr), là sự phi tuyến tức thời hoặc nhất thời, hoặc nó có thể đến từ các hiệu ứng tạo sóng mang tích lũy gây ra bởi sự hấp thụ photon hoặc hiệu ứng nhiệt. Từ khả năng tự lấy nét hoặc tự làm mờ của NLR có thể được áp dụng cho việc giới hạn quang học. NLS đóng vai trò quan trọng trong các quá trình quang học dựa trên vật liệu nano. Tán xạ thường bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Tyndall và tán xạ Raman. Khi kích thước hạt nhỏ hơn Hoặc khi nó nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới (nhỏ hơn một phần mười bước sóng), cường độ ánh sáng tán xạ theo mỗi hướng là khác nhau, tỷ lệ nghịch với thứ tư công suất bước sóng của ánh sáng tới. Hiện tượng này được gọi là tán xạ Rayleigh. Lúc này, lý thuyết tán xạ Rayleigh có thể được sử dụng để phân tích. Tuy nhiên, khi kích thước của tâm tán xạ bằng hoặc lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới thì cường độ tán xạ tỷ lệ với bình phương tần số và độ tán xạ theo hướng thuận của ánh sáng lớn hơn so với hướng ngược lại. phương hướng. Mạnh mẽ, tính định hướng tương đối rõ ràng và lý thuyết tán xạ Mie có thể được sử dụng để phân tích vào thời điểm này. Giống như MPA, NLS không nhạy cảm với phạm vi bước sóng cộng hưởng hẹp của ánh sáng tới, do đó nó có thể góp phần gây ra phản ứng giới hạn quang băng thông rộng. Nó đã được đề xuất trong tài liệu. Có nhiều cách để tạo ra các tâm tán xạ. Tâm tán xạ này có thể đến từ việc tạo ra bọt dung môi hoặc từ sự gián đoạn chiết suất gây ra bởi plasma hình thành trên bề mặt vật liệu nano và hiệu ứng nhiệt của dung môi xung quanh hạt nano. Từ góc độ ứng dụng thực tế, lý tưởng nhất là thiết kế các vật liệu quang phi tuyến có nhiều cơ chế giới hạn quang học (chẳng hạn như hấp thụ chống bão hòa, hai photon, tán xạ ánh sáng, v.v.) để đạt được khả năng bảo vệ bằng laser phổ rộng, nhưng nó khá phức tạp. thách thức.

Cơ chế giới hạn quang học: (a) Tán xạ phi tuyến; (b) sự hấp thụ đa photon;

(c) hấp thụ bão hòa ngược; (d) hấp thụ chất mang tự do

Thông tin liên lạc:

Nếu bạn có bất kỳ ý tưởng nào, hãy nói chuyện với chúng tôi. Bất kể khách hàng của chúng tôi ở đâu và yêu cầu của chúng tôi là gì, chúng tôi sẽ tuân theo mục tiêu của mình là cung cấp cho khách hàng chất lượng cao, giá thấp và dịch vụ tốt nhất.