Nanomateriales 2D en aplicaciones de campo de protección láser

Para lograr protección simultánea contra ondas pulsadas y continuas (CW) o cuasi-CWProtección láser, se ha dedicado un importante esfuerzo de investigación a los materiales y procesos de limitación óptica (OL) de última generación en un intento de lograr algunas medidas de protección contra dichos rayos láser en las últimas décadas. Los nanomateriales bidimensionales (2D) con muchas propiedades únicas, incluido el grafeno, los dicalcogenuros de metales de transición, el fósforo negro y otros, han despertado el gran interés de muchos investigadores. En este artículo de revisión, describimos sistemáticamente los mecanismos OL y los logros recientes en los nanomateriales 2D y sus derivados orgánicos/poliméricos para la protección láser. En un esfuerzo por mantener la ventaja de los nanomateriales 2D, no solo se pueden introducir moléculas o polímeros funcionales para mezclarlos con ellos para formar un sistema de material complejo de múltiples fases, sino también incrustar las nanohojas 2D solubles funcionalizadas covalentemente con materiales orgánicos/poliméricos en un polímero anfitrión para formar materiales compuestos anfitrión-huésped que se espera mejoren el rendimiento OL de todo el sistema. En definitiva, un sistema de nanomateriales complejo optimizado de múltiples componentes mejora enormemente el rendimiento y la aplicabilidad de los dispositivos OL. Además, los estudios fundamentales de las propiedades fotofísicas y fotónicas de los nanomateriales 2D y sus derivados en varios huéspedes sólidos son importantes para modificar los nanomateriales a nivel molecular.

Además de ser ampliamente utilizados en campos civiles, los láseres también se han convertido en varios tipos de armas láser. Con sus características de alta velocidad, ataques repetidos, destrucción precisa de objetivos, grado de daño controlable, resistencia a la interferencia electromagnética y costos operativos económicos, desempeñarán un papel importante en guerras futuras, contraterrorismo y tienen una estrategia única e importante. y valor táctico en seguridad y rescate. Los países desarrollados occidentales liderados por los Estados Unidos, si bien otorgan gran importancia a la investigación y el desarrollo de armas láser avanzadas, también están promoviendo vigorosamente la investigación sobre protección láser, esperando con interés todas las cargas optoelectrónicas, equipos militares y personal de plataformas militares/civiles de alto valor para Protección láser eficaz. Durante las últimas dos décadas, la gente ha hecho incansables esfuerzos para obtener materiales funcionales que puedan proteger eficazmente los láseres, como fullerenos, nanotubos de carbono (CNT), grafeno, porfirina, ftalocianina, naftalocianina, complejos metálicos mixtos, suspensión de negro de humo, metal/metal. Poco a poco se están preparando nanopartículas/nanocables de óxido, nanopartículas/nanocables semiconductores, polímeros y sus compuestos, materiales compuestos orgánicos/inorgánicos y otros materiales ópticos no lineales.

En los últimos años, materiales funcionales bidimensionales (grafeno, nitruro de boro hexagonal, haluros de metales de transición, nitruro de carbono grafitizado, óxidos metálicos en capas, etc.), polímeros bidimensionales, estructuras organometálicas, perovskitas, fósforo negro (fósforo negro, BP), etc. (Figura 1) y sus derivados se utilizan en transistores de efecto de campo, moduladores ópticos, láseres de modo bloqueado y conmutado Q, limitación óptica, almacenamiento de información y energía. Campos como dispositivos de radiofrecuencia y sensores químicos han demostrado valor de aplicación potencial cada vez más importante. En 2014, sesenta y cuatro científicos de materiales de todo el mundo escribieron conjuntamente la "Hoja de ruta de desarrollo del grafeno y otros materiales bidimensionales", que proporcionó El desarrollo futuro de materiales bidimensionales señala el camino. Sin embargo, estos materiales bidimensionales no son solubles en ningún disolvente orgánico, lo que limita gravemente las capacidades de procesamiento y aplicación de la solución de los materiales. El uso de "injertos orgánicos o poliméricos presintetizados (injertos a) o "injertos de grupos orgánicos o cadenas poliméricas directamente desde la superficie de materiales bidimensionales" puede diseñar y preparar una gran cantidad de nanomateriales orgánicos/polímeros basados ​​en nanomateriales bidimensionales. Materiales funcionales optoelectrónicos moleculares.Este artículo revisa los avances de la investigación en el campo de la limitación óptica en los últimos años a partir de los materiales bidimensionales más representativos y sus derivados orgánicos/polímeros como el grafeno, BP, sulfuros de metales de transición y perovskitas. Cuestiones científicas clave y tendencias de desarrollo futuras.

Varios materiales bidimensionales típicos y sus esquemas de aplicación.

En términos de principios de funcionamiento, la tecnología de protección láser se puede dividir en dos categorías: tecnología de protección láser basada en principios de óptica lineal y tecnología de protección láser basada en principios de óptica no lineal (NLO). Además, también existe tecnología de protección de cambio de fase inducida térmicamente y tecnología de protección de microestructura mecánica, etc. En términos relativos, los materiales de protección láser basados ​​en principios ópticos no lineales tienen una resistencia de amplio espectro a láseres de longitud de onda variable, tiempos de respuesta rápidos y activación del protector. no afecta la detección o el procesamiento de imágenes y las capacidades de transmisión del instrumento. , puede reducir eficazmente la intensidad del láser a un nivel aceptable para instrumentos ópticos, equipos militares y el ojo humano. Tiene un valor de aplicación práctica extremadamente alto y también es un tema de investigación clave en este campo a nivel internacional. Como se muestra en la Figura 2, el mecanismo de protección láser (limitación óptica, OL) más importante incluye principalmente absorción saturable inversa (RSA) en estado excitado, absorción de dos fotones/absorción multifotónica (TPA/MPA), absorción de portador libre (libre- absorción de portador, FCA), refracción no lineal (NLR) y dispersión no lineal (NLS). En la región de la luz visible, el rango de protección de los materiales RSA en soluciones y películas sólidas está entre 400 -600 nm, mientras que los materiales TPA producen efectos ópticos limitantes debido a la absorción del estado excitado en la región 600-800 nm. El área de efecto limitante óptico de los materiales NLS puede extenderse a la región del infrarrojo cercano. RSA, FCA y los efectos térmicos inducen La refracción no lineal implica efectos no lineales acumulativos, mientras que la refracción no lineal causada por MPA y los efectos de electrones libres son efectos no lineales instantáneos. El primero depende del flujo de energía depositado en la muestra, mientras que el segundo depende únicamente del láser incidente. La intensidad instantánea. RSA generalmente se produce a partir de un sistema molecular en el que la sección transversal de absorción del estado excitado es mayor que la sección transversal de absorción del estado fundamental. A medida que aumenta la energía de la luz incidente, aumenta aún más la absorción de luz por el material de absorción antisaturable y disminuye el grado de transmitancia de la luz. MPA (especialmente TPA)) es un efecto no lineal instantáneo importante que se observa fácilmente en muchos materiales semiconductores. Los electrones en la banda de valencia absorben múltiples fotones a través de un estado intermedio virtual para excitar la transición a la banda de conducción del material. Para FCA, los portadores generados a través de la absorción de fotones o efectos térmicos en la banda de conducción (electrones) y la banda de valencia (huecos) pueden absorber fotones continuamente y pasar de niveles de energía bajos a niveles de energía altos. Cuando el número de portadores gratuitos generados es grande, este proceso puede desempeñar algún papel. La NLR puede provenir de la parte real de χ(3) (no linealidad de Kerr del electrón), que es una no linealidad instantánea o transitoria, o puede provenir de efectos acumulativos de generación de portadores inducidos por la absorción de fotones o efectos térmicos. Desde el autoenfoque o autodesenfoque del NLR se puede aplicar la limitación óptica. NLS juega un papel importante en los procesos ópticos basados ​​en nanomateriales. La dispersión generalmente incluye dispersión Rayleigh, dispersión Tyndall y dispersión Raman. Cuando el tamaño de la partícula es menor que O cuando es mucho menor que la longitud de onda de la luz incidente (menos de una décima parte de la longitud de onda), la intensidad de la luz dispersada en cada dirección es diferente, que es inversamente proporcional a la cuarta Potencia de la longitud de onda de la luz incidente. Este fenómeno se llama dispersión de Rayleigh. En este momento, la teoría de la dispersión de Rayleigh se puede utilizar para el análisis. Sin embargo, cuando el tamaño del centro de dispersión es igual o mayor que la longitud de onda de la luz incidente, la intensidad de la dispersión es proporcional al cuadrado de la frecuencia y la dispersión es mayor en la dirección hacia adelante de la luz que hacia atrás. dirección. Fuerte, la direccionalidad es relativamente obvia y la teoría de dispersión de Mie se puede utilizar para el análisis en este momento. Al igual que MPA, NLS no es sensible al estrecho rango de longitud de onda de resonancia de la luz incidente, por lo que puede contribuir a la respuesta limitante óptica de banda ancha. En la literatura se ha propuesto que hay muchas formas de inducir centros de dispersión. Este centro de dispersión puede provenir de la generación de burbujas de solvente o de la discontinuidad del índice de refracción provocada por el plasma formado en la superficie del nanomaterial y el efecto térmico del solvente que rodea las nanopartículas. Desde una perspectiva de aplicación práctica, es ideal diseñar materiales ópticos no lineales con múltiples mecanismos de limitación óptica (como absorción antisaturación, dos fotones, dispersión de luz, etc.) para lograr una protección láser de amplio espectro, pero es bastante desafiante.

Mecanismos limitantes ópticos: (a) Dispersión no lineal; (b) absorción de múltiples fotones;

(c) absorción saturable inversa; (d) absorción de portadores libres

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