Спектры лазерно-индуцированного широкополосного излучения графеновой пены

Аннотация

В статье описаны результаты исследования лазерно-индуцированного широкополосного излучения графеновой пены в видимом («белое» излучение) и ближнем инфракрасном (БИК) диапазонах. Измерения проводились в вакууме с использованием лазерного диода CW 975 нм, обеспечивающего излучение с высокой плотностью мощности. Отмечается, что помимо широкополосного «белого» излучения в видимом диапазоне существует широкополосное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне с центром около 2100 нм. Зависимость интенсивности вторичного излучения образцов от увеличения плотности мощности внешнего излучения экспоненциально возрастает.

Введение

В последнее время значительный научный интерес в области генерации «белого» излучения представляли исследования углеродных материалов, когда лазерное излучение или электрический ток используются для нагревания или генерирования вторичного излучения образца. Были исследованы несколько структур, включая углеродные нанотрубки, фуллерены, графен и графеновые квантовые точки (ГНТ), рассматриваемых в качестве материалов для источников излучения следующего поколения. 

Эксперимент

Графеновая пена была синтезирована модифицированным методом Броди с использованием оксида графена (GO) в качестве прекурсора. Анализ структуры графеновой пены осуществлялся с помощью просвечивающего электронного микроскопа Hitachi H800. Спектры лазерно-индуцированного излучения измерялись в условиях вакуума с использованием кварцевой ячейки в качестве камеры для образцов, поставляемой с турбомолекулярным насосом Pfeiffer TMH071P (давление 10-4 ГПа). В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазерный диод 975 нм (2 Вт) от CNI lasers, в качестве детектора видимого диапазона — ПЗС-спектрометр Avantes AVS-USB2000, а в качестве детектора БИК-диапазона — Ocean Optics NIRQuest 512-2.5. Спектры были скорректированы с учетом чувствительности детектора. Размер фокального пятна составил 175 мкм.

Результаты и обсуждение

Исследуемый материал, синтезированный методом Броди, представляет собой пену. Полученный материал имеет нетипичную форму, насыщенный черный цвет, диаметр 3-4 мм и обладает сильной пористостью. Пористость графеновой пены видна на изображениях, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа (рисунок 1). Пена состоит из 3-5 слоев графена и имеет 3D-структуру.

Рисунок 1. Изображения графеновой пены, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа

Как ранее утверждали исследователи, воздействие лазера на помещенную в вакуум графеновую пену с помощью сфокусированного излучения приводит к генерации широкополосного излучения в видимом диапазоне. Полоса «белого» излучения составила от 350 нм до 900 нм с максимумом на длине волны 625 нм (рисунок 2). Плотность мощности сфокусированного излучения составила 7000 Вт/см². Температура фокального пятна графеновой пены, измеренная с помощью меток для нанотермометрии, не превышала 800 К. В идентичных условиях были измерены спектры излучения в БИК-диапазоне 1000-2500 нм.

Появилось широкополосное излучение с высоким показателем интенсивности и центром 2100 нм. Показатели интенсивности излучения в видимом и БИК-диапазонах зависели от плотности мощности излучения. Было обнаружено, что излучение в БИК-диапазоне было почти в пять раз более интенсивным, чем излучение в видимом диапазоне. Зависимость интенсивности лазерно-индуцированного излучения в видимом («белое» излучение) и БИК-диапазонах от плотности мощности излучения показана на рисунке 3. Наблюдалось возрастание интенсивности излучения при увеличении плотности мощности излучения как в видимом, так и в БИК-диапазонах. Увеличение плотности мощности излучения также приводит к смещению края полос поглощения света в высокочастотную область.

Рисунок 2. Излучение графеновой пены в видимом (а) и БИК- (b) диапазонах, генерируемое лазерным диодом с длиной волны 975 нм и высокой плотностью мощности 7000 Вт/см²

Рисунок 3. Зависимость интенсивности излучения графеновой пены в видимом (а) и БИК- (b) диапазонах и интегральной интенсивности полос (с) от плотности мощности излучения

Показатели интенсивности возрастают экспоненциально и в соответствии с функцией I ∝ P^N, где ^N может определяться фотонами, участвующими в процессе поглощения. Интегральная интенсивность излучения, продемонстрированного на рисунках 3a и 3b, показана на рисунке 3c. Было обнаружено, что ^N плотности мощности излучения в видимом диапазоне почти в два раза превышал этот же показатель в БИК-диапазоне. Можно увидеть, что в отличие от БИК-излучения видимое излучение демонстрирует пороговый характер поведения. Данное явление может указывать на различный характер формирования этих двух типов излучения.

Вывод

В статье впервые описано исследование спектров лазерно-индуцированного широкополосного излучения графеновой пены в БИК-диапазоне. Интенсивность излучения этих спектров значительно превышала интенсивность спектров «белого» излучения. Ранее ученые уже исследовали широкополосное лазерно-индуцированное излучение редкоземельных элементов в инфракрасном диапазоне. Формирование широкополосного инфракрасного излучения с высокой плотностью мощности требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

© CNI, AVANTES

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования CNI и AVANTES на территории РФ