黑磷等二维材料的非线性光学特性研究

黑磷等二维材料的非线性光学特性研究

非线性光学是光子学的研究基础,广泛用于光信息技术、激光技术、材料分析和纳米光子技术中。非线性光学效应是非线性光学研究的热点。寻找具有大的非线性极化率、高损伤阈值和合适的响应时间的非线性光学材料一直是研究人员追寻的目标。二维纳米材料具有优异的非线性光学效应,广泛用于激光器、光调制器和光开光等光电器件中,引起了科研人员的广泛关注。

石墨烯是最早发现的二维材料,具有工作带宽宽、非线性折射率大和响应时间快等优点,在激光器领域的应用已经逐渐成熟。但是,石墨烯材料本身是零带隙的电子结构,特别是损伤阈值低、调制深度可调范围小和存在热效应等缺点限制了其在高能量激光器中的应用。因此,科研人员进一步寻找具有宽波段饱和吸收特性、超快响应时间、低损耗阈值、大调制深度、高损伤阈值和低成本等优点的二维材料。除了石墨烯外,拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等二维材料相继被制备出来。

这些二维材料具有不同的能带结构,展现了不同的物理、化学和电学等性质。本文针对拓扑绝缘体和黑磷等二维材料的制备和非线性光学特性进行了系统的研究,取得了以下成果:（1）采用自下而上的实验方法制备拓扑绝缘体:硒化铋,得到了尺寸均一的双层硒化铋纳米片,厚度为3-7 nm。实验结果表明,这种方法制备过程简单,重复率高,并且能控制硒化铋的尺寸。这种制备超薄均匀的硒化铋纳米片的方法为其他二维材料的制备提供了新的思路,将有可能被推广到其他二维层状材料制备中。

此外,采用飞秒Z扫描技术,在800 nm波段,实验测得硒化铋在800nm和1565 nm波段具有良好的饱和吸收特性。在800 nm,通过拟合得到硒化铋纳米片的饱和光强为32 GWcm^-2,调制深度为88%。在1565 nm,拟合得到的硒化铋纳米片的饱和光强为3.7 MWcm^-2,调制深度为36%。把双层硒化铋纳米片作为可饱和吸收体用于被动锁模激光器中,能产生中心波长为1571 nm,脉宽为579 fs,重复频率为12.54 MHz的锁模脉冲。

（2）系统研究了尺寸对黑磷材料的非线性光学性质的影响。用液相剥离法结合分段离心技术制备三种不同尺寸的黑磷纳米片。通过透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼仪器以及粒度分析仪等仪器表征这三种黑磷纳米片的形态差异。

通过Z扫描技术和泵浦-探测技术从实验上证实,黑磷纳米片的横向尺寸越小,它的三阶非线性系数越大,调制深度越大,饱和光强越小,响应时间越短。

也就说,尺寸越小的黑磷纳米片,具有更好的非线性光学性能。我们将较小的黑磷纳米片用作光纤激光器的可饱和吸收体从而进一步证实了这一结论。该成果可帮助科研人员根据光学性能需要选用合适尺寸的黑磷纳米片,为黑磷材料在光纤激光器和调制器等光电器件中的应用提供理论依据和实验基础。（3）采用溶剂热方法从黑磷体材料成功制备出超小的黑磷量子点（black phosphorus quantum dots,BPQDs）,横向尺寸约为2 nm。

该制备方法不仅能够得到尺寸均一的黑磷量子点,并且能够实现大规模制备黑磷量子点,拓展了黑磷量子点在光电领域的应用。同时,也为其他二维材料量子点的制备提供了新的方法。此外,首次实验验证黑磷量子点材料具有比黑磷纳米片更为优异的饱和吸收特性,其调制深度高达30%左右,饱和强度在GW

cm^-2量级。将黑磷量子点作为可饱和吸收体用于锁模激光器中,在通信波段能产生产生中心波长为1567.5 nm,脉宽为1.08 ps的锁模脉冲激光。

实验结果表明黑磷量子点由于其自身的量子限定效应和边界效应,比黑磷纳米片更适用于光纤激光器,在超快光子学中具有巨大的应用潜力,有望发展成为一种新型的光学功能材料。（4）解决了黑磷量子点在潮湿环境下容易氧化的问题。首次提出采用静电纺丝技术,将黑磷纳米片纺在聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）纳米纤维薄膜中,形成透明均匀的BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜。通过对比BPQDs、PMMA和BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜的红外吸收谱,发现BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜完整地保存了黑磷量子点的化学性质。

从而证明这种采用聚合物包裹黑磷量子点的方法解决了黑磷量子点在潮湿环境下容易氧化的问题。采用飞秒Z扫描测试技术,实验证实了放置三个月的BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜同刚制备的黑磷量子点的非线性可饱和吸收特性差不多。此外,我们还进一步用实验证实BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜具有从可见光到中红外的宽波段非线性光学特性。最后,我们将BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜作为可饱和吸收体用在被动锁模掺铒光纤激光器中,产生了中心波长为1567.6 nm,脉宽为1.07 ps的超短脉冲。

由于BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜易制备、抗氧化和均匀透明等优点,将推

动黑磷量子点在光电器件中的广泛应用。