2D-Nanomaterialien in der Anwendung im Laserschutzbereich

Um gleichzeitigen Schutz gegen gepulste und kontinuierliche Wellen (CW) oder Quasi-CW zu erreichenLaserschutzIn den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Forschungsanstrengungen in die hochmodernen Materialien und Verfahren zur optischen Begrenzung (OL) gesteckt, um einige Schutzmaßnahmen gegen solche Laserstrahlen zu erreichen. Zweidimensionale (2D) Nanomaterialien mit vielen einzigartigen Eigenschaften, darunter Graphen, Übergangsmetalldichalkogenide, schwarzer Phosphor und andere, haben bei vielen Forschern großes Forschungsinteresse geweckt. In diesem Übersichtsartikel beschreiben wir systematisch die OL-Mechanismen und die jüngsten Erfolge bei den 2D-Nanomaterialien und ihren organischen/polymeren Derivaten für den Laserschutz. Um den Vorteil von 2D-Nanomaterialien aufrechtzuerhalten, kann man nicht nur die funktionellen Moleküle oder Polymere einführen, um sie mit ihnen zu vermischen, um ein komplexes mehrphasiges Materialsystem zu bilden, sondern auch die löslichen 2D-Nanoblätter, die kovalent mit organischen/polymeren Materialien funktionalisiert sind, darin einbetten einen Polymerwirt, um Wirt-Gast-Verbundmaterialien zu bilden, von denen erwartet wird, dass sie die OL-Leistung des gesamten Systems verbessern. Alles in allem verbessert ein optimiertes komplexes Mehrkomponenten-Nanomaterialsystem die Leistung und Anwendbarkeit von OL-Geräten enorm. Darüber hinaus sind die grundlegenden Untersuchungen der photophysikalischen und photonischen Eigenschaften von 2D-Nanomaterialien und ihren Derivaten in verschiedenen festen Wirten von Bedeutung für die Modifizierung der Nanomaterialien auf molekularer Ebene.

Neben der breiten Anwendung im zivilen Bereich wurden Laser auch zu verschiedenen Arten von Laserwaffen weiterentwickelt. Mit ihren Eigenschaften wie hoher Geschwindigkeit, wiederholten Angriffen, präziser Zieltötung, kontrollierbarem Schadensgrad, Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen und wirtschaftlichen Betriebskosten werden sie in zukünftigen Kriegen und bei der Terrorismusbekämpfung eine wichtige Rolle spielen und verfügen über einzigartige und wichtige strategische Aspekte und taktischer Wert in Sicherheit und Rettung. Westliche Industrieländer unter Führung der Vereinigten Staaten legen zwar großen Wert auf die Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Laserwaffen, fördern aber auch energisch die Laserschutzforschung und freuen sich auf alle hochwertigen optoelektronischen Lasten für militärische/zivile Plattformen, militärische Ausrüstung und Personal wirksamer Laserschutz. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden unermüdliche Anstrengungen unternommen, um funktionelle Materialien zu erhalten, die Laser effektiv schützen können, wie etwa Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen, Porphyrin, Phthalocyanin, Naphthalocyanin, gemischte Metallkomplexe, Rußsuspensionen und Metall/Metall Oxid-Nanopartikel/Nanodrähte, Halbleiter-Nanopartikel/Nanodrähte, Polymere und ihre Verbundstoffe, organische/anorganische Verbundwerkstoffe und andere nichtlineare optische Materialien werden nach und nach hergestellt.

In den letzten Jahren wurden zweidimensionale Funktionsmaterialien (Graphen, hexagonales Bornitrid, Übergangsmetallhalogenide, graphitiertes Kohlenstoffnitrid, geschichtete Metalloxide usw.), zweidimensionale Polymere, metallorganische Gerüste, Perowskite, schwarzer Phosphor (schwarzer Phosphor, BP) usw. (Abbildung 1) und ihre Derivate werden in Feldeffekttransistoren, optischen Modulatoren, modengekoppelten und gütegeschalteten Lasern, optischer Begrenzung, Informations- und Energiespeicherung verwendet. Felder wie Hochfrequenzgeräte und chemische Sensoren haben gezeigt zunehmend wichtiger potenzieller Anwendungswert. Im Jahr 2014 verfassten 64 Materialwissenschaftler aus aller Welt gemeinsam die „Development Roadmap for Graphene and Other Two-Dimensional Materials“, die die zukünftige Entwicklung zweidimensionaler Materialien richtungsweisend vorgab. Allerdings sind diese zweidimensionalen Materialien in keinem organischen Lösungsmittel löslich, was die Lösungsverarbeitung und Anwendungsmöglichkeiten der Materialien stark einschränkt. Durch die Verwendung von „vorsynthetisierter organischer oder polymerer Pfropfung auf (grafting to)“ oder „Pfropfen organischer Gruppen oder Polymerketten direkt von der Oberfläche zweidimensionaler Materialien“ kann eine große Anzahl organischer/polymerer Nanomaterialien auf Basis zweidimensionaler Materialien entworfen und hergestellt werden. Molekulare optoelektronische Funktionsmaterialien. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Forschungsfortschritte auf dem Gebiet der optischen Begrenzung in den letzten Jahren anhand der repräsentativsten zweidimensionalen Materialien und ihrer organischen/polymeren Derivate wie Graphen, BP, Übergangsmetallsulfide und Perowskite zentrale wissenschaftliche Fragestellungen und zukünftige Entwicklungstrends.

Einige typische zweidimensionale Materialien und ihre Anwendungsschemata

Hinsichtlich der Arbeitsprinzipien kann die Laserschutztechnologie in zwei Kategorien unterteilt werden: Laserschutztechnologie basierend auf den Prinzipien der linearen Optik und Laserschutztechnologie basierend auf den Prinzipien der nichtlinearen Optik (NLO). Darüber hinaus gibt es auch eine thermisch induzierte Phasenwechselschutztechnologie und eine mechanische Mikrostrukturschutztechnologie usw. Relativ gesehen weisen Laserschutzmaterialien, die auf nichtlinearen optischen Prinzipien basieren, eine breite Widerstandsfähigkeit gegenüber Lasern mit variabler Wellenlänge, schnelle Reaktionszeiten und eine Aktivierung des Schutzes auf hat keinen Einfluss auf die Erkennungs- oder Bildverarbeitungs- und Übertragungsfähigkeiten des Instruments. , kann die Laserintensität effektiv auf ein für optische Instrumente, militärische Ausrüstung und das menschliche Auge akzeptables Niveau reduzieren. Es hat einen äußerst hohen praktischen Anwendungswert und ist auch international ein zentrales Forschungsthema auf diesem Gebiet. Wie in Abbildung 2 dargestellt, umfasst der wichtigste Laserschutzmechanismus (optische Begrenzung, OL) hauptsächlich die umgekehrte Sättigungsabsorption (RSA) im angeregten Zustand, die Zwei-Photonen-Absorption/Mehrphotonen-Absorption (TPA/MPA) und die freie Trägerabsorption (freie Trägerabsorption (FCA), nichtlineare Brechung (NLR) und nichtlineare Streuung (NLS). Im sichtbaren Lichtbereich liegt der Schutzbereich von RSA-Materialien in Lösungen und festen Filmen zwischen 400 -600 nm, während TPA-Materialien aufgrund der Absorption angeregter Zustände im 600-800 nm-Bereich optisch begrenzende Effekte erzeugen. Der optisch begrenzende Wirkungsbereich von NLS-Materialien kann sich bis in den nahen Infrarotbereich erstrecken. RSA, FCA und thermische Effekte induzieren nichtlineare Brechungen mit kumulativen nichtlinearen Effekten, während nichtlineare Brechungen, die durch MPA und Effekte freier Elektronen verursacht werden, sofortige nichtlineare Effekte sind. Ersteres hängt vom in der Probe deponierten Energiefluss ab, während letzteres nur vom einfallenden Laser abhängt. Die momentane Intensität. RSA wird normalerweise aus einem molekularen System hergestellt, in dem der Absorptionsquerschnitt im angeregten Zustand größer ist als der Absorptionsquerschnitt im Grundzustand. Mit zunehmender Energie des einfallenden Lichts nimmt die Lichtabsorption durch das antisättigbare Absorptionsmaterial weiter zu und der Grad der Lichtdurchlässigkeit nimmt ab. MPA (insbesondere TPA) ist ein wichtiger sofortiger nichtlinearer Effekt, der in vielen Halbleitermaterialien leicht zu beobachten ist. Elektronen im Valenzband absorbieren über einen virtuellen Zwischenzustand mehrere Photonen, um den Übergang zum Leitungsband des Materials anzuregen. Bei der FCA können Träger, die durch Photonenabsorption oder thermische Effekte im Leitungsband (Elektronen) und Valenzband (Löcher) erzeugt werden, kontinuierlich Photonen absorbieren und von niedrigen Energieniveaus zu hohen Energieniveaus übergehen. Wenn die Anzahl der generierten freien Träger groß ist, kann dieser Prozess eine gewisse Rolle spielen. NLR kann aus dem Realteil von χ(3) (Elektronen-Kerr-Nichtlinearität) stammen, bei dem es sich um eine sofortige oder vorübergehende Nichtlinearität handelt, oder es kann aus kumulativen Ladungsträgererzeugungseffekten stammen, die durch Photonenabsorption oder thermische Effekte induziert werden. Die Selbstfokussierung oder Selbstdefokussierung von NLR kann auf die optische Begrenzung angewendet werden. NLS spielt eine wichtige Rolle in optischen Prozessen auf Basis von Nanomaterialien. Zur Streuung gehören üblicherweise Rayleigh-Streuung, Tyndall-Streuung und Raman-Streuung. Wenn die Partikelgröße kleiner als oder viel kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist (weniger als ein Zehntel der Wellenlänge), ist die Intensität des Streulichts in jeder Richtung unterschiedlich, was umgekehrt proportional zur vierten ist Leistung der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Dieses Phänomen wird Rayleigh-Streuung genannt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Rayleigh-Streuungstheorie zur Analyse verwendet werden. Wenn jedoch die Größe des Streuzentrums gleich oder größer als die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, ist die Streuintensität proportional zum Quadrat der Frequenz und die Streuung ist in Vorwärtsrichtung des Lichts größer als in Rückwärtsrichtung Richtung. Stark, die Richtungsabhängigkeit ist relativ offensichtlich und die Mie-Streuungstheorie kann zu diesem Zeitpunkt zur Analyse verwendet werden. Wie MPA ist NLS nicht empfindlich gegenüber dem schmalen Resonanzwellenlängenbereich des einfallenden Lichts und kann daher zur breitbandigen optischen Begrenzungsreaktion beitragen. In der Literatur wurde vorgeschlagen, dass es viele Möglichkeiten gibt, Streuzentren zu induzieren. Dieses Streuzentrum kann durch die Bildung von Lösungsmittelblasen oder durch die Diskontinuität des Brechungsindex verursacht werden, die durch das auf der Oberfläche des Nanomaterials gebildete Plasma und die thermische Wirkung des die Nanopartikel umgebenden Lösungsmittels verursacht wird. Aus praktischer Anwendungsperspektive ist es ideal, nichtlineare optische Materialien mit mehreren optischen Begrenzungsmechanismen (wie Antisättigungsabsorption, Zweiphotonenstreuung, Lichtstreuung usw.) zu entwerfen, um einen Breitband-Laserschutz zu erreichen, aber das ist durchaus der Fall herausfordernd.

Optische Begrenzungsmechanismen: (a) Nichtlineare Streuung; (b) Mehrphotonenabsorption;

(c) umgekehrte sättigbare Absorption; (d) Absorption freier Träger

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