過渡金屬硫化物二維納米材料是繼石墨烯后又一類重要的二維半導(dǎo)體納米材料，特別是其可見到近紅外波段的可調(diào)諧帶隙特性在開發(fā)新型光電功能器件方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所中科院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實驗室研究員王俊課題組在二維半導(dǎo)體材料制備、表征及非線性光學(xué)特性研究方面取得多項進(jìn)展。
針對過渡金屬硫化物納米材料在器件化過程中存在的瓶頸之一：低成本、大尺寸二維材料的合成，研究小組（張曉艷等）利用原位生長溶劑熱技術(shù)設(shè)計合成了具有特殊形貌的二硫化鉬(MoS2)納米薄膜。該溶劑熱法突破傳統(tǒng)水熱合成技術(shù)僅能得到微米級層狀納米片的局限，采用“有機(jī)溶劑——水”體系，在多種基底如石英、硅片、光纖及曲面上原位生長了連續(xù)的、大尺寸、形貌可控的MoS2薄膜。研究表明，這種具有多級結(jié)構(gòu)的MoS2薄膜在近紅外區(qū)的三階非線性吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于真空抽濾再組沉積技術(shù)得到的MoS2薄膜的三階非線性吸收系數(shù)，這要?dú)w結(jié)于其獨(dú)特的層級結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文已被Nanoscale 雜志[Nanoscale, 8, 431, (2016)]在線出版。
二維納米材料的結(jié)構(gòu)顯微分析對研究這類材料的物理性質(zhì)和器件化具有重要意義?；诖?，研究小組（李源鑫）等人提出了利用光學(xué)傳輸特征矩陣模擬二維層狀納米材料光學(xué)對比度的方法，研究其與襯底和入射光波長之間的依賴關(guān)系。利用該方法計算化學(xué)氣相沉積制備的不同層數(shù)MoS2在白光輻照下的對比度，理論模擬與實驗結(jié)果相當(dāng)吻合。與傳統(tǒng)的菲涅爾理論相比，該方法更加快速簡捷、精確，可有效指導(dǎo)二維納米材料基底和輻照光源的選擇。相關(guān)論文已被Nanoscale 雜志（DOI: 10.1039/C5NR06287J）在線出版。
研究小組（董寧寧等）還系統(tǒng)研究了液懸態(tài)過渡金屬硫化物二維納米材料在納秒脈沖激光作用下的可見—近紅外寬帶光限幅效應(yīng)。研究表明，在近紅外波段硒化物比硫化物具有更優(yōu)異的光限幅特性。基于液態(tài)分散系統(tǒng)，創(chuàng)新提出了納米片數(shù)密度的計算方法，建立了激光能量與散射中心尺寸的關(guān)系，對于研究過渡金屬硫系化合物中Mie散射誘導(dǎo)的光限幅效應(yīng)非常重要。相關(guān)論文發(fā)表在Scientific Reports 雜志（Scientific Reports, 5, 14646）。
課題組（張賽鋒等）與愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué)合作，驗證了新型二維材料黑磷的寬帶超快非線性光學(xué)效應(yīng)，證實其比石墨烯具有更加優(yōu)異的飽和吸收特性，預(yù)測了層狀黑磷在開發(fā)鎖模和調(diào)Q器件上的應(yīng)用潛力。論文發(fā)表在Nature communications [Nature communications，6, 8563，(2015)]，得到Nanyang Technological University, Wroclaw University of Technology等研究小組，以及Phys.org、MIT Technology Review等媒體的高度評價和引用，認(rèn)為該工作是對黑磷飽和吸收效應(yīng)的首次報道。
此外，課題組2015年發(fā)表在Photonics Research 上的特邀論文Tunable nonlinear refractive index of two-dimensional MoS2, WS2, and MoSe2 nanosheet dispersions 入選“Photonics Research 雜志2015年下載量前十論文”。
圖1 多種基底上原位生長大尺寸、具有多級結(jié)構(gòu)的MoS2納米薄膜
圖2 二維材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)對光學(xué)對比度的調(diào)制
圖3 過渡金屬硫系化合物納米片的光限幅效應(yīng)及理論計算
圖4 黑磷高分辨TEM及飽和吸收特性
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