​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​深圳市二维材料孔雀团
实验室发现新型优异非线性光学材料 光器件有望翻新

烯是一种新型二维材料,由第五主族(氮族)元素锑构成。第一性原理计算预测锑烯具有强的稳定性和优异的光电性能。

单层锑烯为间接带隙半导体,其具有高载流子迁移率、优异的导热性,通过应变诱导还可以实现间接带隙到直接带隙的转变。单层锑烯的最大带隙为2.28 eV,处于可见光波长对应的能量范围内,预期将会有大量应用。

近日,深圳大学张晗教授课题组基于电化学剥离和超声化学剥离的方法,分别获得了高质量的少层锑烯和锑烯量子点,并研究了锑烯材料在可见光范围的非线性光学响应。实验研究发现,锑烯的非线性折射率很大,约为10-5 cm2/W,并且稳定很好。相关结果发表在Advanced Optical Materials [Adv. Optical Mater. 2017, 1700301]上。

图1 少层锑烯电化学剥离制备及其形貌结构表征。(a)电化学剥离锑烯的示意图,其中Na2SO4溶液作为电解质;(b)AFM图像;(c)TEM图像;(d)HRTEM图像;(e)块状和31.6 nm厚的锑烯的拉曼光谱分析;(f)电化学剥离的少层锑烯的Sb 3d5 / 2的XPS谱。

电化学剥离是一种以绿色环保、低能耗、低成本、适用于工业化大规模生产为前提,并且以实现制备均匀、大面积、和优异电光特性的低维材料为目标的制备方法。该团队采用电化学剥离获得α-少层锑烯材料,利用超声化学剥离获得锑烯量子点,这种剥离方法可重复,获得比液体剥离更均匀和更小的颗粒。通过探针超声处理,可以实现比机械剥离更高的材料产量。


图2 锑烯量子点制备及其形貌结构表征。(a)超声化学剥离锑烯量子点的示意图;(b)AFM图像;(c)尺寸分析;(d)TEM图像;(e)块状锑和锑烯量子点的拉曼光谱

该团队利用空间自相位调制(SSPM) 测量技术,对制备的少层锑烯和锑烯量子点在可见光波长范围的非线性光学克尔响应进行了分析,发现非线性折射率均为~10-5 cm2/W,并且少层锑烯的非线性折射率稍大于锑烯量子点的非线性折射率。通过系统的研究证明,和不稳定的黑磷相比,锑烯具有很强的稳定性,是一种新型的有前景的光学克尔材料,特别是在短波长范围。

图3 少层锑烯和锑烯量子点自相位调制图。(a)波长为532 nm;(b)波长为633 nm。

这一工作可能为基于锑烯的光子学器件的开发提供依据,补偿石墨烯或黑磷在某些方面的空白。基于锑烯的强非线性光学响应,研究人员有望制备出一系列光学器件,比如光开关、Kerr光闸、光束整型器等。