Third-order nonlinear optical response of BA2PbBr4: A comparison between two-dimensional and nanocrystal morphologies
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 장준익
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082552
- UCI I804:11029-000000082552
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
준이차원 Ruddlesden–Popper (R-P) 페로브스카이트 BA2PbBr4 의 3 차 비선형 광학 (NLO) 특성을 박막과 나노결정 (NCs)의 두 가지 형태로 조사하였다. 광발광 (PL) 측정 결과, NCs 에서 박막 대비 청색 편이 (blueshift)가 관찰되었으며, 이를 통해 저차원 구조에서의 향상된 양자 구속 효과를 확인할 수 있다. 이러한 3차 비선형 신호를 정량화하기 위해 개구 (open-aperture, OA) 및 폐구 (closed-aperture, CA) Z-scan 측정을 532 nm 피코초 및 800 nm 펨토초 레이저로 수행해 여기 조건에서 비선형 흡수 계수 (𝛽)와 비선형 굴절률 (𝑛2)을 도출하였다. 532 nm 실험에서는 두 형태 모두 높은 레이저 세기에서의 Pauli blocking 에 의해 역포화흡수에서 포화흡수로의 뚜렷한 변화를 보였다. Absorption 의 거동은 유사했으나, 𝑛2 값은 서로 반대 부호를 보였다. 박막은 Kerr 효과가 지배적인 양의 𝑛2를 나타낸 반면, NCs 는 자유전하가 주도하는 음의 𝑛2를 나타냈다. 또한 𝛽와 𝑛2의 절대값은 두 형태 간 약 세 자릿수의 차이를 보였으며, 이는 박막 (약 300 nm)과 콜로이드 NCs (2 mm)의 유효 두께 및 광경로 차이에 기인한다. 그러나 BA2PbBr4 나노결정의 2 광자 흡수 단면적(𝜎₂ )은 BA2PbBr4 박막보다 더 큰 것으로 나타났다 이러한 결과는 농도에 의존적인 효과를 제거해 BA2PbBr4 나노결정이 박막에 비해 본질적으로 더 우수한 이광자 흡수 효율을 나타낸다. 800 nm 펨토초 여기에서는 박막은 고유 엑시톤 공명 근처에서 강한 2 광자흡수 (2PA)를 보이며 이는 강한 RSA 로 발현되었다. 이에 따라 큰 음의 𝑛2가 나타났다. 반면 NCs 는 이산적 에너지 준위와 밴드 채움 효과로 인해 RSA 에서 SA 로의 전이를 보였으며, 자유전하 생성이 포화된 이후에는 Kerr 효과로부터 기인한 양의 𝑛2가 새롭게 부각되었다. 이러한 결과는 BA2PbBr4 에서 형태적 변화가 3 차 비선형성의 부호와 크기를 모두 조절할 수 있음을 시사한다. Kerr 효과와 자유전하 기반 비선형성의 조절 가능 여부는 준이차원 페로브스카이트를 초고속 포토닉스 및 비선형 광학 소자로 응용할 수 있음을 보여준다.
more초록(요약문)
The third-order nonlinear optical (NLO) properties of two-dimensional (2D) Ruddlesden–Popper perovskite BA2PbBr4 were investigated in two distinct morphologies: thin films and nanocrystals (NCs). Photoluminescence (PL) measurements exhibited a blueshift for the NCs compared to the thin films, confirming an enhanced quantum confinement in the lower dimensional structure. To quantify the third-order NLO response, open-aperture (OA) and closed-aperture (CA) Z-scan measurements were performed to determine nonlinear absorption coefficient (𝛽) and nonlinear refractive index (𝑛2) under two excitation regimes: picosecond excitation at 532 nm and femtosecond excitation at 800 nm. Under 532 nm excitation, both morphologies exhibited a clear transition from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA), governed by the Pauli blocking at high laser energies. Despite the similar absorption behavior, the 𝑛2 values revealed the opposite signs: thin films showed a positive 𝑛2 dominated by the Kerr effect, while NCs exhibited a negative 𝑛2 driven by the free carriers, which can be more easily confined in the NCs and induce a negative refractive index contribution. The absolute magnitudes of 𝛽 and 𝑛2 differed by approximately three orders between the two morphologies, attributed to their distinct effective thicknesses and optical path lengths. However, 2PA cross sections 𝜎2 of BA2PbBr4 NCs were estimated to be larger than BA2PbBr4 thin films. These results demonstrate that after the removal of concentration-dependent effects, nanocrystals exhibit intrinsically higher two-photon absorption efficiency than thin films. Under 800 nm excitation, thin films displayed strong two-photon absorption (2PA), inducing RSA owing to resonance near the intrinsic excitonic peak. The following excitation of confined free carriers via RSA gives rise to a significant negative 𝑛2. In contrast, NCs showed a transition from RSA to SA caused by discrete energy levels and band- filling effects, followed by an emergence of a positive Kerr-type contribution after the free carrier generation reached saturation. These results demonstrate that morphological dimensionality profoundly modulates both the sign and magnitude of third-order nonlinearities in BA2PbBr4. The tunable contribution of nonlinearities from the Kerr effect and free carrier-driven nonlinear responses highlights the 2D perovskites as promising candidates for ultrafast photonic and nonlinear optical device applications.
more목차
I. Introduction 17
II. Theory 24
i. Third-order nonlinear optical properties 24
ii. Physical behaviors of nonlinear refraction and
absorption 28
iii. Accumulation of free carriers leading to a change in
the refractive index 36
III. Methods 39
i. Laser configurations 39
ii. Z-scan measurements 42
iii. Sample preparation 46
IV. Results and discussion 48
i. Basic characteristics 48
ii. Nonlinear optical properties of BA2PbBr4 54
V. Conclusion 79
VI. Appendix 81
VII. References 84
